Girolamo CastaldoDATA ULTIMO AGGIORNAMENTO: 24 Novembre 2023
Immaginate di aver preparato una tazza di tè, girate con un cucchiaino e la lasciate a raffreddare un paio di minuti; quindi tornate, guardate nella tazza, e il tè sta ancora girando.
Sbalorditi, prendete in mano la tazza e il tè inizia a scorrere attraverso il fondo e ad arrampicarsi sui lati della tazza.
Niente paura: se nella tazza si trova dell’elio raffreddato fino a -270 gradi, non avete bisogno di un esorcista.
Questo perché a quelle temperature l’elio diventa una sostanza dal comportamento strano, nota come superfluido.
Di seguito vedremo come si spiega questo bizzarro fenomeno e perché non è solo un trucco da prestigiatore.
Intanto, in questo breve video di repertorio della BBC è possibile ammirare l’elio superfluido in azione.
I superfluidi e la meccanica quantistica
Come spiega il divulgatore scientifico Hank Green su SciShow (qui il video completo), la meccanica quantistica ci insegna che atomi e molecole possono passare da un livello energetico all’altro, ma mai trovarsi tra un livello e l’altro.
Ciò è importante nel caso dell’elio, che ha la caratteristica di rimanere allo stato liquido fino a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi o zero Kelvin).
In particolare, intorno ai -270 gradi gli atomi scendono a livelli energetici sempre più bassi, andando ad occupare in massa lo stesso livello.
A questo punto, la meccanica quantistica lancia la sua magia: gli atomi iniziano a muoversi all’unisono, senza mai nemmeno sfiorarsi, il che fa sì che non si generi l’attrito tipico delle sostanze liquide.
Di conseguenza, il liquido non smette mai di girare, può scalare le pareti della tazza e persino scorrere attraverso forellini microscopici sul fondo della stessa.
Per la precisione, bisogna dire che questi effetti non avvengono con qualsiasi atomo di elio, ma solo con l’elio-4 (che ha due protoni, due elettroni e due neutroni).
Se si escludono casi rari ed eccezionali con l’elio-3, è solo in questa particolare configurazione che gli atomi di elio possono occupare tutti lo stesso livello (tecnicamente, si comportano come un tipo di particella detto bosone).
Utilizzi pratici e teorici dei superfluidi
A parte che per stupire gli amici, i superfluidi sono importanti in quanto strettamente collegati ai superconduttori, che tramite un altro bizzarro effetto quantistico lasciano scorrere la corrente nei cavi senza alcuna resistenza.
In un futuro in cui riusciremo a controllare meglio i superconduttori, saremo in grado di costruire batterie che non degradano e computer quantistici migliori.
Ma i superfluidi sono affascinanti anche dal punto di vista teorico.
Innanzitutto, si pensa che essi possano costituire il nucleo delle stelle di neutroni, corpi celesti piccoli ma incredibilmente densi, fatti quasi interamente di neutroni.
Inoltre, alcuni scienziati pensano che lo spaziotempo stesso possa essere un superfluido: se confermata, quest’idea potrebbe avvicinarci alla Teoria del Tutto, cioè la mitica formulazione in grado di spiegare sia sistemi estremamente piccoli, che estremamente grandi, e che i ricercatori inseguono da decenni.
(Originariamente pubblicato su Storie Semplici)