Fisica

Per la maggior parte delle persone, quando si parla di cristalli si intendono diamanti, pietre dure o forse i cristalli di ametista o di quarzo amate dai collezionisti. Per Norman Yao, questi cristalli inerti sono solo la punta dell’iceberg.

Se i cristalli hanno una struttura atomica che si ripete nello spazio, come il reticolo di carbonio di un diamante, perché allora i cristalli non potrebbero avere una struttura che si ripete nel tempo?

Cioè un cristallo temporale?

In un documento presentato on line sulla rivista Physical Review Letters l’assistente professore di fisica della UC Berkeley descrive esattamente come creare e misurare le proprietà di tali cristalli e anche prevedere quali siano le varie fasi che dovrebbero circondare il cristallo temporale, simili alle fasi liquide e gassose nel ghiaccio.

Questo diagramma di fase mostra come il modificare i parametri sperimentali possa “fondere” un cristallo di tempo in un normale isolante o portarlo in uno stato termico ad alta temperatura. Grafica di Norman Yao.

Questa non è solo mera speculazione. Due gruppi hanno seguito le indicazioni di Yao ed hanno già creato i primi cristalli temporali.

“Chiamo il nostro mondo Flatlandia, non perché sia così che lo chiamiamo noi, ma per renderne più chiara la natura a voi, o lettori beati, che avete la fortuna di abitare nello spazio”. Così scriveva Edwin A. Abbot ('Flatlandia', Feltrinelli) nel lontano 1882, raccontando la vita in un mondo a due dimensioni e mostrando le consuetudini di una società che apparirebbe a noi abitanti del mondo tridimensionale quanto meno bizzarra.

Quello che potrebbe sembrare solamente un racconto di fantasia diviene ai nostri giorni quasi una profezia, dal momento che sono stati assegnati tre premi Nobel per la Fisica a David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz per “aver fatto luce su strani stati della materia (in due dimensioni)”.

Come scriveva Abbot, la realtà fisica in due dimensioni è molto diversa da quella che osserviamo nel mondo attorno a noi. In Flatlandia prendono vita nuovi stati della materia che possono essere spiegati solamente dalle leggi della meccanica quantistica. E queste fasi quantistiche sono oggi oggetto di una intensa ricerca, allo scopo di sviluppare nuovi dispositivi elettronici, in grado, si spera, di avere un forte impatto sulla vita quotidiana.

I sistemi bidimensionali devono il loro comportamento unico alla combinazione di statistica quantistica, forte correlazione tra le particelle, dimensionalità e topologia. Questi tre ingredienti sono tutti fondamentali, ma allo stesso tempo difficili da controllare nei sistemi convenzionali. Innanzitutto il numero di gradi di libertà di un sistema elettronico reale è gigantesco.

Cercare di capire a fondo le basi quantistiche della biologia ed analizzarla dal punto di vista fisico-matematico sono una delle attuali sfide della scienza.

I SISTEMI BIOLOGICI

Nel passato i sistemi biologici sono stati spesso visti come troppo complessi per essere penetrabili con metodi di natura fisico-matematica. La realtà “essere vivente” era considerata troppo articolata per poter essere analizzata da insiemi di equazioni differenziali e principi fisici.

All’inizio del XX secolo, con l’avvento di tecniche e strumenti più potenti e sofisticati, i ricercatori hanno iniziato a studiare in maniera più profonda ed articolata le possibili descrizioni fisiche e matematiche dei sistemi biologici microscopici. Tra i possibili vari esempi ricordiamo i modelli di Turing, che si avvalgono della potenza della computazione quantistica, la morfogenesi, ossia il processo che porta allo sviluppo della forma e della struttura di un organismo, i lavori di Schrödinger, da cui vennero previste molte delle caratteristiche funzionali del DNA.

Attualmente i progressi in questo campo sono rapidi e molti rami della fisica e della matematica hanno trovato applicazioni in biologia, come ad esempio i metodi statistici utilizzati in bioinformatica. A queste scale di lunghezza la fisica classica cede il passo a quella quantistica, che non può essere evitata, poiché ogni processo chimico si basa di fatto sulla fisica quantistica.