Attività didattica progettata da Maria Vittoria Legnardi e Lorenzo Cavallo durante il corso di dottorato “Designing innovative public engagement activities” tenuto all’Università di Padova nel 2022.
In questa attività, esploreremo alcuni dei tranelli architettati dall’Universo e come gli astronomi usano questi tranelli per svelare i misteri più profondi del cosmo. Laser, zucchero, acqua, e vetro saranno solo alcuni degli ingredienti che ci accompagneranno in questo viaggio nell’Universo Bugiardo.
Materiali
• penna o cannuccia
• acqua
• brocca con superficie curva
• immagini di frecce
• contenitore rettangolare
• alcol denaturato
• zucchero
• cucchiaino
• bicchiere per miscelare lo zucchero nella fase di preparazione
• laser
• fondi di calici per vino
• fogli a quadretti
• penne per disegnare
• immagini stampate di lenti gravitazionali come quelle riportate di seguito
Descrizione dell’attività
Preparazione (NB: da effettuare prima dell’inizio dell’attività)
Miscelare lo zucchero con l’acqua in un contenitore a parte (bicchiere) per ottenere una soluzione satura di acqua e
zucchero (da preparare per prima; richiede circa 10 minuti. Circa 200g di zucchero in un bicchiere d’acqua). Riempire la brocca d’acqua (piena).
Riempire circa a metà il contenitore rettangolare con acqua. Successivamente versare l’alcol denaturato, facendo attenzione a non miscelare i due liquidi (consigliamo di spruzzare l’alcol sulle pareti del contenitore, in modo da non creare turbolenze sulla superficie dell’acqua). Infine, versare la soluzione di acqua e zucchero (sempre usando le pareti del contenitore) che si andrà a depositare sul fondo (Figura 1).
Predisporre fogli a quadretti, penne e fondi di calice sul tavolo.
(Prima parte) Gli inganni dell’acqua
Iniziare ponendo alcune domande volte ad introdurre il concetto di vista e di illusione ottica. Per esempio: come facciamo noi per osservare il mondo che ci circonda? Gli occhi ci permettono di vedere, ma noi vediamo solo di giorno. Al buio non vediamo. Quindi qual è l’elemento fondamentale che, insieme agli occhi ci permette di vedere? La luce.
Introdurre il concetto di illusione ottica portandone alcuni esempi della vita quotidiana. Chiedere qualche esempio di illusioni di cui i partecipanti hanno fatto esperienza nella vita. Per esempio l’impressione di una pozzanghera su strada rovente dove invece non c’è acqua, le immagini distorte viste attraverso l’acqua, il miraggio dell’oasi nel deserto, i riflessi degli specchi.
Mostrare ai partecipanti la penna (o la cannuccia) e chiedere che forma ha. Successivamente, immergere l’oggetto nella brocca piena d’acqua e rifare la domanda. La penna (o cannuccia) appare spezzata. Estrarre di nuovo l’oggetto per mostrare che è diritto. Ripetere questo passaggio diverse volte chiedendo ai partecipanti se la penna è diritta o spezzata nella realtà e perché appare spezzata quando è nella brocca. Spiegare che la motivazione è la presenza dell’acqua.
Si veda anche il video di questa esperienza qui.
Mostrare ora il foglio dove sono presenti le due frecce (ad esempio, rivolte verso destra). Chiedere ai partecipanti dove sono rivolte le frecce. A questo punto posizionate il foglio dietro la brocca e fate osservare il foglio attraverso l’acqua (per i partecipanti, la freccia in basso sarà rivolta verso sinistra). Chiedere in che direzione è rivolta la freccia in basso e perché sembra rivolta in senso opposto rispetto a prima. Di nuovo questo avviene a causa della presenza dell’acqua.
Ancora una volta enfatizzare il fatto che l’oggetto in sé non cambia, ma osservandolo attraverso un altro oggetto la sua immagine cambia (per rendere il concetto più chiaro, spostate il foglio in alto e poi di nuovo in basso per mostrare il cambiamento).
Si veda anche il video di questa esperienza qui.
(Seconda parte) Laser
ATTENZIONE: MANEGGIARE IL LASER CON CAUTELA, NON FARLO USARE AI BAMBINI.PRIMA DI ACCENDERLO, VERIFICARE CHE NON CI SIA NESSUNO NEL CAMMINO OTTICO!
Chiedere ai partecipanti se hanno mai visto un laser e possono immaginare quale percorso farà la luce quando accenderete il laser. Ci si aspetta un percorso diritto, in linea retta. Che cosa cambia quando si fa passare il fascio laser attraverso l’acqua?
Puntare il laser all’interno del contenitore rettangolare, stando attenti ad attraversare solo la porzione con l’acqua. Il percorso del laser ora è visibile e segue una linea retta.
A questo punto, spostare il laser più in alto appena sotto lo strato di alcol. Dovreste osservare il laser curvare verso l’alto (per enfatizzare l’effetto inclinate leggermente il puntatore verso il basso). Che percorso segue il laser? Perché? Il laser ha una traiettoria curva perché passa attraverso l’acol (liquido di colore rosa).
Ora muovete il laser verso il basso attraverso lo strato di acqua e zucchero. In questo caso, il laser curverà verso il basso (come prima, per enfatizzare l’effetto piegate leggermente il puntatore verso l’alto). E ora che percorso segue il laser? In questo caso sarà più complicato identificare il mezzo che causa la deflessione (la soluzione di acqua e zucchero è trasparente). Potete giocare su questo punto.
(Terza parte) Lente Gravitazionale
Mostrate le immagini di lenti gravitazionali astronomiche. Raccontate ai partecipanti che, come visto poco fa, la vita di tutti i giorni è piena di illusioni, tranelli, e inganni. Però anche l’Universo è pieno di trabocchetti: stelle che appaiono dove non dovrebbero essere, immagini che si sdoppiano più volte, galassie che si torcono e si assottigliano come fili. Ma le illusioni, in questo caso, non sono create da vetro, acqua, alcol o zucchero, bensì dalla forza di gravità di stelle e galassie. Perché la gravità agisce anche sui raggi di luce, deviandoli in maniera simile a come abbiamo visto prima.
Mostrare ai partecipanti sulle immagini l’aspetto di una galassia “normale” e una deformata dall’effetto lente gravitazionale (Figura 2).
In modo simile a prima, un oggetto (in questo caso la lente gravitazionale, prima l’acqua) interposto tra noi e l’oggetto che vogliamo osservare (in questo caso una galassia, prima la penna/cannuccia/freccia) ne modifica l’aspetto.
Ora cerchiamo di riprodurre questo fenomeno su un foglio di carta.
Chiedete di immaginare che il foglio di carta sia l’Universo. Chiedete di disegnare una galassia (un’ellisse riempita all’interno) sul foglio (dimensioni: circa un quadretto). Ora, posizionate i fondi dei bicchieri sul foglio a quadretti (non sopra la galassia disegnata). Guardate il foglio attraverso il bicchiere. Cosa cosa vedete? Che cosa sta accadendo?
Sottolineare ancora una volta che non è l’oggetto (in questo caso, i quadretti) a deformarsi, ma la deformazione dell’immagine è la conseguenza dell’inserimento di un oggetto tra l’osservatore e la sorgente.
Ora fate muovere il bicchiere sulla galassia e ripetete le stesse domande (invece dei quadretti, ora devono guardare cosa succede alla galassia disegnata).
Mostrate i casi a, b e c in Figura 3 e fate indicare dove vedono questi effetti nelle immagini di prima.
Come ultima cosa, far provare il bicchiere su altre immagini per vedere come queste vengono deformate.
Chiedete di guardare gli altri partecipanti e l’ambiente circostante attraverso il bicchiere.
Spiegazione del processo fisico
Lente Gravitazionale
Nella Figura 2 gli archi che si osservano attorno alle galassie non sono riflessi che compaiono sulla lente o errori della fotografia: sono l’immagine deformata dalla gravità di galassie che si trovano dietro quelle più luminose. Lo spazio, curvato dall’enorme massa dell’ammasso di galassie in primo piano, agisce da lente, deviando la luce proveniente dagli oggetti che stanno dietro: sono le cosiddette lenti gravitazionali.
L’esatta natura dell’effetto di lente gravitazionale dipende da tre fattori:
- Distanza e posizione reciproca tra osservatore, lente e sorgente luminosa;
- Dimensione della lente;
- Massa della lente.
Le lenti gravitazionali si possono manifestare in diverse forme. La più semplice e spettacolare è sicuramente il cosiddetto anello di Einstein che si osserva quando si verifica un perfetto allineamento tra sorgente, lente e osservatore. In questo caso, la luce proveniente dalla sorgente lontana viene piegata dalla lente formando una struttura circolare, come si può vedere dettagliatamente in figura 2. Un completo anello si osserva se la sorgente luminosa e la lente sono abbastanza compatte da apparire puntiformi. In genere è raro che tali configurazioni si concretizzino e dunque nella maggior parte dei casi la simmetria circolare dell’immagine viene persa. Invece di un anello, si potranno osservare immagini multiple della sorgente luminosa, spesso accompagnate dalla presenza di spettacolari archi colorati.
Esperimenti con la luce
Tutti gli esperimenti proposti nell’attività sono basati sulla rifrazione, il fenomeno fisico per cui la luce si “piega” nel passare da un mezzo all’altro. Ogni materiale utilizzato nell’esperienza (acqua, alcol, …) è caratterizzato da una grandezza, chiamata indice di rifrazione, che quantifica la deviazione della luce quando lo incontra. In particolare, quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro diverso dal primo, con diverso indice di rifrazione, esso viene deviato. Se il passaggio avviene da un mezzo meno denso ad un mezzo più denso, il raggio si avvicina alla perpendicolare; viceversa, se il passaggio avviene da un mezzo più denso ad un mezzo meno denso, il raggio si allontana dalla perpendicolare.
Nel primo esperimento la luce che arriva all’occhio segue due percorsi diversi. Quella che proviene dalla parte emersa della penna/cannuccia ha attraversato l’aria e la brocca; quella che viene dalla parte sommersa ha attraversato anche l’acqua. La luce che proviene dalla porzione di penna/cannuccia sommersa è “più piegata” rispetto a quella fuori dall’acqua e quindi sembra venire da una direzione diversa. Questo fa apparire la penna/cannuccia spezzata.
Analogamente, nel secondo esperimento la luce ha viaggiato dall’immagine attraverso l’aria, la brocca di vetro, l’acqua, e infine ha riattraversato la brocca e ha viaggiato nell’aria ancora una volta, prima di raggiungere i nostri occhi. In questo caso, la luce si piega quattro volte: quando attraversa la brocca, quando incontra l’acqua, quando passa dall’acqua al vetro e infine dal vetro all’aria. Utilizzando un contenitore cilindrico la luce passa attraverso una superficie curva che funziona come una lente. In questo caso i percorsi di luce si incrociano e l’immagine sembra essere capovolta orizzontalmente (sinistra/destra).
Nel terzo esperimento la separazione dei due mezzi (acqua-alcol, acqua-soluzione zuccherina) non è netta e la variazione di indice di rifrazione è graduale. In questo caso, il fascio di luce non forma un angolo, ma devia progressivamente e segue un percorso a curvatura dolce. L’acqua ha un indice di rifrazione 1.33, mentre sia l’alcol che la soluzione zuccherina hanno un indice di rifrazione maggiore (1.36 per l’alcool e 1.53 per lo zucchero solido). Però, poiché il primo stratifica sopra l’acqua e il secondo sotto, si creano due situazioni complementari.
Come anticipato, il protagonista di quest’ultimo esperimento è il fascio di luce emesso dal laser. Inventato quasi 60 anni fa, il laser (abbreviazione di “light amplification by stimulated emission of radiation”, in italiano “amplificazione della luce per mezzo dell’emissione stimolata di radiazioni”) è uno strumento che emette luce in grado di propagarsi lungo raggi paralleli, al contrario di quanto fanno ad esempio le lampadine.
Come suggerisce il nome, il principio di funzionamento del laser è basato sul fenomeno dell’emissione stimolata. Gli elettroni in un atomo non condividono la stessa energia, ma occupano diversi livelli energetici. In condizioni normali, gli elettroni si stabiliscono nel livello con energia più bassa (livello fondamentale) ma, opportunamente sollecitati da uno stimolo esterno, possono ‘saltare’ a uno con energia superiore (livello eccitato). Qui, tuttavia, non rimangono molto a lungo poiché tendono a tornare nel livello fondamentale, che è più stabile. Nel tornare indietro rilasciano l’energia che prima aveva permesso il ‘salto’ emettendo luce.
In un laser, gli elettroni, dopo aver ‘saltato’ in un livello eccitato grazie ad uno stimolo esterno, tornano tutti insieme al livello fondamentale. È proprio questo passaggio che permette l’emissione del fascio di luce che vediamo. Come anticipato, la luce prodotta si propaga lungo fasci paralleli, è monocromatica e la sua energia dipende dalla distanza tra il livello eccitato e quello fondamentale.
La sostanza dove si verifica l’emissione stimolata, il cosiddetto materiale attivo, è posta tra due specchi che formano una cavità risonante. Questa particolare configurazione permette di ottenere un fascio di luce molto intenso. Nella cavità, infatti, si verifica una serie di riflessioni tra i due specchi che amplifica il segnale luminoso di partenza prodotto dall’emissione stimolata.
Figura 5
