OTTICA

Ci sono voluti dieci anni perché la sonda spaziale Rosetta raggiungesse il 12 novembre 2014 la cometa Churyumov-Gerasimenko, che dista 500 milioni di chilometri dalla Terra. Le comete sono famose soprattutto per la loro caratteristica coda. Stavolta gli scienziati sono però interessati in particolare al loro nucleo ghiacciato:

la cinepresa speciale sviluppata da ricercatori della Max-Planck-Gesellschaft, che è a bordo della sonda, invia immagini spettacolari alla Terra. Il volo dei dati attraverso l’universo dura appena 28 minuti e 20 secondi. Nessuno ha mai visto prima delle immagini così dettagliate. Neanche con i migliori telescopi sarebbe possibile vedere dalla Terra quei dettagli.

La sonda spaziale Rosetta davanti alla cometa Churyumov-Gerasimenko (fotomontaggio)

Dove sono i limiti della vista? Il fisico tedesco Ernst Abbe calcola nel 1873 che un microscopio ottico può mostrare soltanto dei dettagli distanti uno dall’altro come minimo mezza lunghezza d’onda della luce incidente. I fisici credono pertanto a lungo che la risoluzione di un microscopio ottico non possa essere migliore di 200 nanometri.

Ma nel 1999 questo limite viene superato: il microscopio a super risoluzione STED, sviluppato dal fisico di Gottinga Stefan Hell, mostra dettagli che misurano appena pochi nanometri. Il trucco: le microscopiche strutture vengono portate a emettere luce, poi una parte della luce che irradiano viene di nuovo spenta con un secondo raggio di luce speciale. Questo impedisce che strutture attaccate una all’altra si oscurino a vicenda.

Un nanometro corrisponde a 0,000000001 metri. Quindi il microscopio a super risoluzione STED ha una potenza superiore da dieci fino a cento volte quella di un microscopio ottico tradizionale.
» Video: „STED – Visioni del nanomondo“

Strutture proteiche in una cellula viste al microscopio a super risoluzione STED

Strutture proteiche in una cellula viste al microscopio tradizionale

Come pensiamo, percepiamo e apprendiamo? Si può rispondere a queste domande soltanto se si comprende perfettamente la struttura e la funzione del cervello. A questo scopo è necessario rendere visibili singole cellule nervose e la loro attività. Il biofisico Winfried Denk alla fine degli anni Ottanta fa evolvere il microscopio ottico sviluppando il microscopio a fluorescenza a due fotoni:

Un laser invia fotoni, cioè particelle di luce, dentro al campione in modo tale che essi si sovrappongono e rafforzano in un punto ben determinato. In questa maniera gli scienziati possono fra l’altro guardare dentro al tessuto cerebrale vivo a circa un millimetro di profondità e osservare così il cervello direttamente „all’opera“.

La nuova microscopia a fluorescenza apre grandi possibilità in particolare nel campo della ricerca sul cervello, perché a differenza della microscopia elettronica permette di studiare cellule e tessuti vivi.

Una cellula di retina viva sotto la lente di un microscopio a fluorescenza a due fotoni

Ebola, AIDS, vaiolo, morbillo, influenza – molte malattie pericolose vengono trasmesse da virus. Però passa molto tempo prima che gli scienziati riescano a individuare questi agenti patogeni. Il motivo è che i virus sono infinitamente piccoli, molto più minuscoli dei batteri, e non sono visibili sotto la lente di un tradizionale microscopio ottico.

È solo con il microscopio elettronico, un’invenzione del fisico tedesco Ernst Ruska, che nel 1931 diventa possibile vedere il nanomondo. Invece della luce Ruska utilizza un fascio di elettroni a onde corte. Insieme al fratello, il medico Helmut Ruska, il fisico riesce per primo a osservare attentamente i virus e a classificarli. Nel 1986 Ernst Ruska riceve per la sua invenzione il premio Nobel per la fisica.

I moderni microscopi elettronici raggiungono una risoluzione fino a 0,1 nanometri e permettono ad esempio agli scienziati di studiare attentamente le proteine.

Ernst Ruska accanto al microscopio elettronico, intorno al 1955

Moderno microscopio elettronico

Nel 1846 l’astronomo berlinese Johann Gottfried Galle scopre il pianeta Nettuno. Il telescopio che utilizza per fare questa scoperta è il non plus ultra del tempo. Proviene dal laboratorio dell’ottico bavarese Joseph von Fraunhofer, l’unico che all’inizio del XIX secolo sia in grado di produrre lenti d’altissima qualità senza strie né bolle.

I moderni telescopi sono infinitamente più efficienti: Il Very Large Telescope (VLT) ad esempio, che consiste di quattro grandi telescopi interconnessi, potrebbe distinguere ancora come punti luminosi separati persino i fari di una macchina sulla luna. Scienziati della Max-Planck-Gesellschaft stanno studiando attualmente con il VLT il buco nero al centro della nostra via lattea.

Sembra quasi di poter toccare con mano le stelle nel limpido cielo sopra il deserto

Il Very Large Telescope (VLT) nel deserto cileno di Atacama