Molte onde, una sola luce

Abbiamo detto spesso che parlare di luce o parlare di onde elettromagnetiche è la stessa identica cosa. Le onde elettromagnetiche sono il risultato dell’interazione tra due particelle cariche elettricamente. Tali onde viaggiano ad una velocità pari a 300 mila chilometri al secondo (nel vuoto, almeno).
Ora, un’onda elettromagnetica, come tutte le onde, avrà una lunghezza d’onda. Che poi è lo stesso che dire che avrà una frequenza.
Questi sono concetti comuni di cui spesso si ascolta e, magari senza aver compreso bene bene, si ripete. Allora facciamo chiarezza sui concetti di lunghezza d’onda e frequenza.
Cos’altro meglio di una immagine per spiegare questi concetti? Eccola qua:

http://www.elemania.altervista.org

Dunque la lunghezza d’onda è la distanza tra due massimi in ampiezza (o due minimi). La frequenza è il numero di oscillazioni che avvengono in un secondo cioè quante volte, in un secondo, passano due massimi dell’onda in un certo punto (o due minimi). Ovviamente queste due quantità sono intimamente legate tra loro. Come?
Due onde elettromagnetiche possono avere diverse lunghezze d’onda (o frequenze) ma hanno una cosa in comune: viaggiano entrambe a 300 mila chilometri al secondo, alla stessa velocità. Cioè dopo un certo tempo hanno percorso la stessa distanza.
Ecco un’analogia se volete: voi ed un vostro amico fate una gara di camminata veloce. Però voi fate dei passi più corti di quelli del vostro amico (che li fa più lunghi). Nonostante ciò, però, siete sempre alla pari nella gara. L’unica spiegazione possibile è che lui, i suoi passi lunghi, li fa più lentamente; mentre voi, i vostri passi corti, li fate più velocemente.
Perciò, il vostro amico ha una lunghezza d’onda (la lunghezza del passo) maggiore della vostra ma una frequenza (il numero di passi nell’unità di tempo) minore. Tutto questo vale perché state andando alla stessa velocità entrambi e quindi è possibile fare questo tipo di ragionamento.

Per le onde elettromagnetiche accade la stessa identica cosa della vostra gara di camminata veloce. Abbiamo onde lunghe e corte o, se volete, a bassa e alta frequenza rispettivamente. Ma sempre di onde elettromagnetiche stiamo parlando. Cioè, di luce.
Solitamente si parla di luce solo quando la vediamo. Ma in generale quando si parla di luce si parla di tutti i tipi di onde elettromagnetiche. Quindi anche le onde radio (grande lunghezza d’onda, bassa frequenza) sono luce. E anche i raggi X e i raggi gamma (entrambi piccole lunghezze d’onda, alta frequenza). L’unica cosa che differenzia queste onde è la loro lunghezza d’onda (o la frequenza, che è la stessa cosa). Ma viaggiano tutte alla stessa velocità, la velocità della luce.

Ma perché vi sto raccontando tutto questo oggi? Perché gli atomi emettono luce a causa di varie interazioni che ad esempio possono coinvolgere gli elettroni. Ma non tutte le interazioni sono uguali. Quindi abbiamo luce a diverse lunghezze d’onda che viene emessa a secondo del fenomeno fisico che avviene.

Tutto questo è importante? Certo! I nostri occhi sono sensibili solo alla luce visibile, quella dei colori dell’arcobaleno, per intenderci. Non riusciamo a vedere le onde radio o i raggi X. O la radiazione ultravioletta o gli infrarossi.
E magari avere un quadro completo della situazione a tutte le lunghezze d’onda è importante per studiare i fenomeni che avvengono nell’universo e comprendere parecchie cose.

Dunque i nostri occhi e gli usuali telescopi con lenti e specchi non bastano. Ci vogliono strumenti speciali, telescopi particolari in grado di catturare delle immagini a lunghezze d’onda diverse da quelle a cui siamo giocoforza abituati. E grazie a tutto ciò gli astrofisici possono fare luce su quello che accade molto lontano da noi, nell’universo.

Vi faccio un esempio. Prendete la Via Lattea, la nostra galassia. Nel cielo notturno non sembra altro che una striscia oscura, una specie di nuvola che brilla di una luce particolare.

http://images.nationalgeographic.com

O almeno questo è quanto vedono i nostri occhi. Cosa accade alle altre lunghezze d’onda?
Fantastica domanda!
Se volete davvero scoprirlo allora cliccate sul seguente link (http://www.chromoscope.net) e scoprirete che la nuvola oscura poi tanto oscura non è se guardata alla giusta lunghezza d’onda. E scoprirete che, sì, anche il centro, il cuore della Via Lattea diventa accessibile se guardato con i giusti occhi.

Insomma, è davvero importante non fermarsi ad una semplice analisi delle immagini astronomiche bensì osservare gli oggetti astrofisici ad diverse lunghezze d’onda per avere un’idea il più precisa possibile dei fenomeni in gioco.

Quindi, quando sentirete parlare di un nuovo telescopio in orbita o di un nuovo luogo per un nuovo telescopio costruito qui sulla Terra, non fermatevi alle apparenze. Da bravi lettori di Quantizzando chiedete subito: “E questo nuovo telescopio, a quali lunghezze d’onda osserva?”.

Non solo farete bella figura; sicuramente l’astrofisico, che vi starà guidando nella visita del luogo in cui verrà costruito il telescopio o che starà elencando le principali caratteristiche del nuovo gioiellino da lanciare nello spazio, vi spiegherà anche perché quel telescopio osserverà a quelle lunghezze d’onda. E (forse) la vostra (nostra!) infinita sete di conoscenza sarà placata.
Almeno per un po’.

Cosa sono i decibel

Nel gruppo di cose che spesso si danno per scontate, sicuramente si trova la definizione di Decibel.
Meglio, tutti sanno che si riferisce al suono. Ancora meglio, qualcosa che riguarda l’unità di misura del suono. Già, ma cosa vuol dire, per esempio, 40 decibel? Sono tanti? Sono pochi? Sono giusti?

Ecco, in questo post cercheremo di capire per lo meno quali sono i numeri sensati da usare se volete parlare di decibel, in famiglia, al bar, a scuola o dove volete.

Iniziamo dalle definizioni. Il decibel è un’unità composta. Vuol dire che innanzitutto dobbiamo capire cos’è il “bel”.
Il bel è un’unità non prevista dal sistema internazionale ma comunemente usata. Si tratta di una misura del rapporto tra le intensità acustiche di suoni. Intensità sonora è l’energia di un’onda sonora per unità di tempo e area.
In realtà il bel è un’unità generale che si può usare per qualsiasi intensità di qualsiasi quantità fisica ma nella fattispecie in questo post parleremo di suono. Comunque tenete a mente che il bel si può usare per misurare il rapporto di qualsiasi intensità.
Il nome “bel” deriva dal nome di Alexander Graham Bell, lo scienziato che ha brevettato per primo il telefono (invenzione attribuita, anche dal Congresso degli Stati Uniti, ad Antonio Meucci). Ecco una bella foto di Bell.

Inoltre si tratta di una differenza logaritmica: cosa vuol dire? Significa che se un suono è 10 volte più intenso di un altro allora abbiamo una differenza di 1 bel.
E a cosa corrisponde la differenza di 2 bel? Uno potrebbe dire: un suono 20 volte più intenso. E sbaglierebbe. Una differenza di 2 bel corrisponde ad una intensità 100 volte maggiore. Quindi 3 bel corrispondono ad un’intensità 1000 volte più intenso e così via. Questa è l’unica particolarità. Bisogna solo ricordarsi che la differenza di un bel corrisponde ad un fattore dieci.

Va bene, ma in realtà abbiamo a che fare con i decibel! Cosa sono? Si tratta della stessa differenza tra il metro e il decimetro. Dunque, per esempio, una differenza di un metro in lunghezza vuol dire una differenza di 10 decimetri perché in un metro ci sono, appunto, 10 decimetri.
Identica cosa per i bel. Una differenza di un bel vuol dire una differenza di 10 decibel.
Ancora, va bene. Ma perché si usano i decibel e non i bel? Bel(la) domanda!

Perché esiste la “minima differenza udibile” per l’orecchio umano che è uguale, per l’appunto, ad un decibel. Da questo si deduce anche che, quando si parla di differenza in decibel, stiamo parlando della differenza di intensità rispetto alla soglia di udibilità per l’orecchio umano.
Qui ci sarebbe da specificare che l’orecchio umano è in grado di percepire suoni a diverse frequenze, in particolare nell’intervallo tra i 20 e i 20mila Hertz circa. La soglia di udibilità cambia al cambiare della frequenza, ovviamente. Per definire l’unità di misura del decibel si è scelto il valore della soglia di udibilità a 1000 Hertz.

Adesso dobbiamo mettere i puntini sulle “i”. In particolare la differenza tra intensità e forza (cioè “rumorosità”). L’intensità è una misura oggettiva che non dipende dall’orecchio umano ma solo dalle caratteristiche fisiche delle onde sonore che si propagano. Per quanto riguarda la forza invece le cose  dipendono anche dalla frequenza e inoltre l’unità di misura è chiamata “phon”.
Quindi intensità e forza di un suono non sono necessariamente la stessa cosa.

Nel grafico di sopra le curve in grassetto mostrano il comportamento di suoni con la stessa forza al variare della frequenza. Si può notare dal grafico che si possono avere gli stessi decibel per diversi suoni che hanno differenti combinazioni di forza e frequenza. Per questo è necessario scegliere una particolare frequenza con cui fissare la scala dei decibel.

La curva tratteggiata nella figura rappresenta la soglia di udibilità dell’orecchio umano. Come si può vedere a 1000 Hertz non abbiamo esattamente zero decibel (bensì 4 decibel) per questa soglia ma comunque si è scelto questo valore come riferimento. Quindi, in definitiva, la soglia di udibilità ha zero decibel a 1000 Hertz.

Dunque, ricapitoliamo. Se abbiamo un suono di 6 decibel, abbiamo un suono 1000000 (un milione) di volte più forte del minimo suono udibile dal nostro orecchio. Un suono di 10 decibel è un suono diecimila milioni di volte più forte del minimo suono udibile dal nostro orecchio. Ancora una volta, così via.
Ovviamente, un suono della stessa intensità della soglia di udibilità dell’orecchio umano è un suono di zero decibel.

Dopo questa spiegazione sono sicuro che saremo più in grado di apprezzare i soliti numeri che spesso leggiamo in giro relativi ai vari valori di suono/rumore.

Bene, ora sapete abbastanza sui decibel per poter dire al vostro vicino che alle sette di domenica mattina usa il trapano: “Ma la vogliamo smettere con questi 120 decibel, o no?”.

I crateri della Luna

Secondo Topo Gigio la Luna è il più grande pezzo di formaggio dell’universo. E come dargli torto? D’altronde è piena di buchi vista qui dalla Terra.
Ovviamente noi sappiamo che i buchi sono dei crateri e non le fantastiche architetture di un buon pezzo di formaggio!
Crateri che si sono formati a seguito di impatti con asteroidi, i quali a differenza di quando avviene sulla Terra, anche se di piccoli dimensioni sono riusciti e riescono a raggiungere la superficie lunare data la mancanza di atmosfera.
Infatti fin quando un asteroide viaggia nello spazio dove non c’è praticamente niente (o comunque pochissimissimo!) tutto va bene. Quando invece il sassone/ino entra nell’atmosfera accade che l’aria che si trova davanti all’asteroide viene compressa rapidamente. La temperatura dell’aria in quella ragione dunque aumenta e quindi l’asteroide si riscalda e alla fine brucia. Se brucia interamente nell’atmosfera siamo salvi, altrimenti occhio alla testa!

(Piccola nota: non ho minimamente parlato di attrito, anche se in piccola parte, in tutto questo, conta anche l’attrito. Quella che ho descritto sopra è la causa principale che distrugge gli asteroidi.).

Comunque, ora stiamo parlando della Luna, quindi torniamo a noi.
E siccome non c’è (o comunque pochissimissima!) atmosfera, come già detto,  l’asteroide impatta la superficie e si formano i crateri.
Inoltre sulla Luna ci sono anche zone più scure che si possono osservare: essi sono chiamati mari. Ma non perché ci sia dell’acqua! Solo perché sono zone osservate di colore scure che ricordano l’aspetto del mare.
Un mare lunare è praticamente il risultato di materiale vulcanico fuoriuscito successivamente all’impatto di qualche asteroide.
Se volete avere un’idea visiva di quanto detto finora ecco un ottimo video della NASA che mostra l’evoluzione della Luna da satellite senza crateri a grande pezzo di formaggio (per Topo Gigio!).