Immagina una barra di metallo che è stata riscaldata a un'estremità. Invece del calore che si diffonde gradualmente su tutta la sua lunghezza, il bar alla fine diventa di nuovo caldo nel luogo in cui era originariamente. Il fatto che, paradossalmente, un sistema complesso ritorna al suo stato originale invece di evolvere verso l'equilibrio ha attirato l'attenzione dei fisici per più di 60 anni. Grazie a una serie di progressi nelle fibre ottiche, molto più ricco e completo di prima, il nostro team di ricercatori italo-francesi ha appena compiuto un passo cruciale per comprendere meglio questo fenomeno.
La nostra pubblicazione, che descrive i suoi progressi, è apparso sulla copertina di Fotonica della natura . Questi non sono solo i migliori risultati nella fisica fondamentale, ma anche di interesse primario per il pubblico in generale:il processo in questione è al centro di fenomeni come la formazione di onde oceaniche anomale o la progettazione di orologi ottici ad alta precisione.
Il progetto Manhattan all'origine del paradosso
Il paradosso fu scoperto per la prima volta nel 1954 da eminenti scienziati, alcuni dei quali erano coinvolti nel Progetto Manhattan, che fornirebbe agli Stati Uniti la bomba atomica. Erano Stanislaw Ulam, Giovanni Pasta, e Mary Tsingou, ed Enrico Fermi, vincitore del Premio Nobel 1938 per la fisica. Fermi ha l'idea di utilizzare uno dei primi computer in assoluto per esplorare nuovi fenomeni fisici complessi la cui risoluzione non era possibile mediante calcolo. Questo segna l'inizio di una rivoluzione – le simulazioni numeriche – che è diventata essenziale in tutte le aree della fisica.
Ma per Fermi e i suoi colleghi, i risultati del primo test al computer hanno rivelato un comportamento del tutto inaspettato:il sistema che stavano studiando è tornato allo stato iniziale.
Diffusione della luce in una fibra ottica.
Da allora, il problema è stato studiato e scritto ampiamente. I ripetuti sforzi dei fisici per risolverlo sono stati particolarmente fruttuosi per molti rami della fisica in cui può essere osservato. In particolare, hanno portato alla scoperta della teoria dei solitoni, impulsi che si propagano senza deformazioni osservabili negli oceani, fisica e ottica del plasma.
Alcuni modelli prevedevano che il Fermi, Il fenomeno Pasta e Ulam è stato in realtà ciclico:il sistema è tornato più volte allo stato iniziale. Ma gli esperimenti che lo avevano messo in luce non avevano mai rilevato altro che un ritorno allo stato originario:perdite intrinseche del sistema ne mitigavano troppo rapidamente le manifestazioni.
Le fibre ottiche osservano il paradosso
Il nostro gruppo di ricerca, con sede presso il Laboratorio PHLAM dell'Università di Lille e associato a un teorico italiano dell'Università di Ferrara, è riuscita a trovare un modo per compensare queste perdite su più di 8 chilometri di fibra ottica aggiungendo una sorgente luminosa di un colore molto diverso che fungeva da riserva di energia. Questo processo senza precedenti ci ha permesso di osservare per la prima volta un secondo ritorno allo stato iniziale. L'esperimento si è svolto presso lo stabilimento FiberTech di Lille, parte dell'ente di ricerca IRCICA.
Diverse ricorrenze Fermi-Pasta-Ulam, con alternanza di massimi (rosso) e minimi (azzurro)
Grazie a un ingegnoso dispositivo che ha osservato la diffusione della luce da parte delle impurità all'interno della fibra, noto come diffusione di Rayleigh, siamo stati in grado di misurare non solo l'intensità della luce ma anche quella che gli specialisti ottici chiamano la sua fase, e questo lungo tutta la lunghezza della fibra. Abbiamo poi osservato un comportamento senza precedenti:spostamenti ricorrenti da un ciclo all'altro, i massimi che prendono il posto dei minimi.
Questo risultato, previsto da alcuni modelli, apre una nuova via alla comprensione di questo fenomeno, che è alla base di molti altri processi complessi:i pettini di frequenza. Queste "regole laser", avanzando rapidamente negli ultimi anni, portare luce in un gran numero di nuove applicazioni, che vanno dalla misurazione della distanza per le auto autonome alla scoperta di esopianeti, per citarne solo alcuni.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale. 
