sabato, novembre 15, 2014

Un esperimento per telepatici (e particelle entangled)

Se volessimo mettere alla prova una coppia di sedicenti telepatici (che chiameremo Alice e Bob) potremmo eseguire questo esperimento, ideato da Bell negli anni '60:
prendiamo i due individui e li mettiamo in due stanze separate in modo che non possano comunicare in nessun modo e gli mostriamo, ad ognuno con sequenze casuali,  dei cartelli con le lettere A, B e C.
Ad ogni lettera Alice e Bob scriveranno SI oppure NO su di un foglio e successivamente andremo ad analizzare le risposte per verificare con quale grado di accordo queste si presentino.









In questo caso, per esempio, salterebbe subito all'occhio che sia Alice che Bob danno risposte Concordi proprio quando viene loro mostrata la stessa lettera, facendo vacillare la nostra convinzione che la telepatia sia solo una bufala! Infatti non può trattarsi di una casualità visto che provando e riprovando gli esiti continuano a dare gli stessi risultati coincidenti.
Supponiamo che Albert Einstein sia ancora vivo e chiediamo a lui di darci una spiegazione di tale fenomeno a prima vista soprannaturale: il vecchio Albert ci ragiona qualche minuto e poi ci da la sua spiegazione: Alice e Bob si sono messi d'accordo prima!!
Infatti basterebbe che prima dell'esperimento i due telepatici (ormai smascherati) avessero memorizzato le risposte secondo un preciso schema e i risultati ci apparirebbero quelli nella tabella sopra.

Prendiamo un possibile caso di accordo preliminare:


















Come si può vedere esistono nove possibilità di risposta in questo caso, ma si può ripetere la stessa prova con altri tipi di accordi preliminari (es. A=no B=si C=si) ed il risultato sarà sempre lo stesso: su nove possibilità ci saranno 5 casi di risposte concordi e solo 4 di risposte discordi. Questa differenza di 5 a 4 viene definita disuguaglianza di Bell, dal nome del teorizzatore di questo giochino.
In termini pratici ciò sta a significare che qualunque esperienza eseguita con tale procedura, se vi è un accordo preliminare, statisticamente ci sarà un maggior numero di risposte concordi nella misura di 5/9.

Ma Bell non aveva ideato tutto ciò per smascherare i finti telepatici ma per cercare di capire come fosse possibile che coppie di particelle particolari, definite entangled, potessero avere comportamenti "concordi" o "discordi" anche quando queste fossero state messe a distanze tali da non permettere alcuna comunicazione.

Come si crea l'entanglement di una coppia di particelle? La teoria ci dice che lo stato di un sistema chiuso si deve in qualche modo conservare e quindi le varie caratteristiche in esso contenute; quindi se riuscissimo a prelevare due particelle contenute in tale sistema, ognuna con caratteristiche proprie e le spedissimo in direzioni opposte ad una elevata distanza, gli stati di entrambe rimarrebbero correlati (entangled) visto che provengono dalla stessa origine e che il "totale" del sistema non può cambiare.

Se trasliamo l'esperimento precedente in uno equivalente di fisica delle particelle, potremmo immaginare un generatore di coppie di fotoni entangled che partono in direzioni opposte e che possono presentare entrambi tre diverse polarizzazioni (A,B,C); la polarizzazione corrisponde all'inclinazione che un onda elettromagnetica (luce) ha nello spazio. Dopo aver percorso una distanza quantisticamente enorme (cioè Alice e Bob non possono comunicare), i due rilevatori, Alice e Bob, "misurano" con un polarizzatore entrambe le particelle (si=fotone passa, no=fotone non passa).










In pratica quando i fotoni sono polarizzati allo stesso modo (entagled) se incontrano entrambe i polarizzatori girati con il loro stesso angolo (per esempio 0°) i fotoni li attraverseranno ed entrambe i rilevatori Alice e Bob faranno un click (corrisponde al si dell'esempio precedente); se i polarizzatori fossero entrambi girati a 120° rispetto l'angolo dei due fotoni, nessuno dei due rilevatori farebbe click (entrambi no). La cosa interessante è il comportamento dei fotoni quando incontrano il polarizzatore ad un angolo intermedio di 60°: per il 50% delle volte passano mentre il 50% dei casi non passano. E' come se nell'esperimento dei due telepatici non si fossero messi d'accordo sulla lettera B e quindi ci fossero risposte casuali in tale situazione.

Se usiamo la meccanica quantistica per fare previsioni sull'esperimento dei fotoni possiamo arrivare alle seguenti conclusioni:
- i fotoni correlati quantisticamente hanno la stessa polarizzazione e sono casualmente distribuiti con eguale probabilità orizzontali e verticali
- se Alice e Bob misurano la polarizzazione lungo la stessa direzione ottengono sempre lo stesso risultato (si/si , no/no)
- se misurano la polarizzazione su angoli diversi (es. Alice 120° e Bob 60°) la probabilità di accordo è pari ad 1/4










Facendo il calcolo delle probabilità di accordo o disaccordo vediamo che per i 3/9 dei casi la probabilità di accordo è 1 (cioè 100%) mentre per i 6/9 dei casi la probabilità è di 1/4 (cioè del 25%):

3/9 x 1+6/9 x 1/4 = 1/2

Quindi la previsione della meccanica quantistica viola la disuguaglianza di Bell che prevede, in caso di un accordo preliminare da parte di Alice e Bob (che per i fotoni significa avere già uno stato preordinato alla partenza),  una percentuale di casi concordi di 5/9.

In parole povere, per la teoria, i fotoni non possono avere degli stati che già nella loro creazione sono preventivamente definiti (il famoso accordo preliminare che Einstein ci ha suggerito), ma gli stati dei fotoni stessi dipendono dalla misura, cioè dal passaggio nel filtro polarizzatore di Alice e Bob.
Infatti proprio Einstein, assieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, trenta anni prima aveva immaginato tramite il paradosso EPR che l'unica correlazione che ci poteva essere tra due particelle entangled era quella di qualche variabile nascosta (l'accordo preliminare) e per 30 anni questa spiegazione sembrò in qualche modo fare luce sull'entaglement quantistico.
Poi arrivarono Bell e successivamente i primi esperimenti in laboratorio e fu un successo incredibile per la teoria dei quanti quando i risultati stabilirono che era effettivamente il 50% dei casi concordi che si presentavano durante le misure e non i 5/9 come il teorema di Bell annunciava.

Le implicazioni sono profonde perché significa che due particelle, indipendentemente dalla loro distanza, se sono correlate quantisticamente, continuano ad essere unite nel loro destino: cioè l'Universo ci sembra così vasto da apparire infinito, ma potrebbe essere minuscolo per due particelle entangled. 

Molti dei concetti che ho espresso sopra prendono spunto dal filmato che potete vedere qui

domenica, settembre 28, 2014

L'eco del vuoto

Uno dei ricordi più nitidi che ho delle prime gite in montagna è sicuramente quello degli urli a squarcia gola lanciati in direzione di qualche parete rocciosa, per sentire poi il rimbombo della mia voce tornare con qualche attimo di ritardo; sembrava incredibile che le urla potessero viaggiare per tutta la valle per poi rimbalzare e tornare indietro. Eppure se provassimo a rifare la stessa cosa nello spazio vuoto non sentiremmo ne la voce partire ne tanto meno ritornare indietro; l'assenza di aria sarebbe la fine dei suoni, che per propagarsi necessitano di un mezzo (solido, liquido o gassoso).

Nonostante questa consapevolezza, ascoltando una conferenza tenuta dal Prof. Michelangelo Mangano, fisico teorico al CERN, ho sentito una definizione che mi ha molto colpito:

il bosone di Higgs  è l'eco del vuoto.

Praticamente un ossimoro, questo aforisma scientifico nasconde una realtà fisica molto concreta ed ora quasi tangibile: se esiste il campo di Higgs (o meglio di François Englert - Robert Brout - Peter Higgs , per completezza bisogna citare tutti e tre i teorizzatori), cioè se lo spazio vuoto è permeato in modo uniforme da una forza invisibile (immaginate il campo magnetico che c'è ma non si vede) questo è la causa della formazione della massa cioè della caratteristica fondamentale che caratterizza le particelle, che attraversandolo perdono velocità ma acquisiscono corpo.
Per poter funzionare questo campo deve essere così denso che se riuscissimo a sbattergli qualcosa contro, alla giusta forza e frequenza, dovremmo rilevarne l'eco profondo, allo stesso modo in cui, quando colpiamo un coperchio di una pentola questo comincia a tremare producendo una vibrazione e quindi un suono.

Questo hanno fatto al CERN, hanno sbattuto così forte due protoni l'uno contro l'altro in modo che l'energia dell'impatto fosse quella necessaria a far vibrare il vuoto (e quello di cui è composto) ed il risultato è stato l'inafferrabile bosone (insieme alla solita pletora di particelle già conosciute), tanto sfuggente che tra miliardi di collisioni è apparso comunque pochissime volte, ma abbastanza da aver dato la certezza della sua esistenza.
Ormai ne siamo quasi sicuri, il vuoto è qualcosa di quantisticamente molto denso ed è molto lontano dall'essere il nulla: ma come è possibile che il vuoto ci appaia così vuoto se non lo è?

In realtà quasi tutte le forze ci risultano invisibili anche se il loro effetto a volte è così lampante da non lasciare dubbi sulla loro presenza, ma in ogni caso a partire dalla gravità ad arrivare al elettromagnetismo non è sempre stato facile accettare che le cose funzionassero in modo a prima vista imperscrutabile; questo accade anche per il campo di Higgs che permea il vuoto, e seppur invisibile permette alla materia di esistere come la vediamo. Se non ci circondasse perennemente una sorta di melma quantistica, gli atomi di cui siamo composti non solo non starebbero assieme ma neanche potrebbero esistere perché le particelle che li compongono (defraudate della loro massa) sfreccerebbero via alla velocità della luce!

Quindi ringraziamo l'invisibile campo che ci circonda, ci permette di esistere e di lanciare ancora qualche grida verso l'apparente nulla, rinnovando lo stupore per l'eco della nostra voce e per le leggi della natura.




domenica, settembre 21, 2014

Troll quantistici

Tutti gli esperimenti che hanno dato origine alle varie interpretazione della meccanica quantistica hanno qualcosa in comune; spingono le particelle nel loro micro universo a compiere strane evoluzioni che nel mondo fisico reale accadono raramente ed in alcuni casi mai.
Dall'entaglement quantistico all'esperimento delle due fenditure, i fisici hanno investigato la natura spingendosi ai confini della comprensione sfruttando le proprietà degli oggetti quantici che però nel mondo macroscopico non sono praticamente mai osservabili;
prendiamo ad esempio l'esperimento EPR che descrive la correlazione quantistica di una coppia di oggetti appositamente creata per avere qualità complementari: in laboratorio si potrebbe dar origine ad un elettrone ed un antielettrone per poi separarli prima che possano annichilirsi e spedirli a distanza l'uno dall'altro in modo che neanche la luce possa percorrere tale distanza in tempo utile (normalmente si usano degli economici fotoni ma l'immagine delle antiparticelle mi intriga di più).

Il problema è che tutto il procedimento da mettere in atto per testare la correlazione (entaglement) tra i due oggetti è qualcosa di assolutamente arbitrario e forzato, e che in natura non accadrebbe praticamente mai, e lasciate libere, a seguito di una creazione di particella ed antiparticella, queste si annichilirebbero in qualche nanosecondo: tra l'altro proprio la propensione della natura a non creare coppie correlate quantisticamente per poi separarle, sta alla base delle difficoltà che i ricercatori hanno incontrato prima nel realizzare l'esperimento EPR ed oggi stanno incontrando nella realizzazione del computer quantistico.

Ciò che vorrei dire è che gli esperimenti sono alla base della conoscenza in quanto permettono di capire, anche da stranezze ed anomalie, le caratteristiche di alcuni aspetti della natura, ma ciò non significa che la natura delle cose sia così strana ed anomala. Gli oggetti che vediamo e percepiamo attorno a noi sono reali e come diceva Einstein "la luna esiste anche quando non la vediamo"; questo non vuol dire che creare per esempio nuovi atomi artificiali per allungare la tabella periodica degli elementi sia una cosa sbagliata, ma rimane il fatto che quegli elementi non esistono sulla Terra e non saranno mai stabili e scompariranno in un attimo se lasciati liberi.


Facciamo riferimento ad un altro celebre esperimento, quello della doppia fenditura, che è alle fondamenta della interpretazione che le particelle siano degli oggetti che percepiscono lo sguardo indiscreto dell'osservatore, e si comportino di conseguenza ingannando gli studiosi che prima percepiscono la natura ondulatoria della particella ma dopo averla osservata ne rilevano la sua composizione corpuscolare; il fatto è che l'oggetto quantistico è il conseguente anello di congiunzione tra energia ondulatoria e pacchetto di materia, e se è vero che l'energia equivale in qualche modo alla massa, ci deve essere per forza un momento di transizione tra questi due aspetti della natura apparentemente così distanti. La particella è proprio l'anello di congiunzione, il punto di transizione di stato ed è per questo ci può apparire sia come onda che come corpuscolare.

Il mondo quantico è la terra di mezzo, non quella di confine: quello che troveremo al di là, che siano stringhe, membrane o minuscole dimensioni arrotolate, sarà in ogni caso un mondo fatto esclusivamente di energia, di vibrazione e di spazio; sempre meglio dei troll e dei folletti.

martedì, agosto 19, 2014

La dieta del fotone

Certo che la prova costume terrorizza, molte volte fondatamente, chi è in partenza per qualche località balneare ma tra le particelle del modello standard (i mattoncini che compongono l'universo) c'è ne una che non ha mai, ed intendo mai dall'inizio dei tempi, dovuto preoccuparsi del proprio peso: il fotone. Nonostante appartenga alla famiglia dei bosoni, il cui nome sembrerebbe ricordare elementi ben corposi, il fotone è completamente privo di massa, mentre in effetti gli altri membri del gruppo, tranne i gluoni, hanno qualche problema in più a mostrare la loro silhouette.

I bosoni non sono altro che le particelle che si occupano di scambiare le forze (portano l'energia da una particella ad un altra), ed i fotoni in particolare sono i messaggeri della forza elettromagnetica; ma perché alcune particelle avrebbero massa ed altre no? E' stato uno degli enigmi che ha spinto i fisici alla ricerca del bosone di Higgs, per confermare la teoria che lo stesso Higgs aveva sviluppato ben 50 anni or sono. Esisterebbe un "campo di forza" nel quale siamo immersi (immaginatevi il campo gravitazionale nel quale ci muoviamo) e tale campo interagisce con le particelle in modo diverso donando ad ognuna di esse una massa, ad esclusione di fotoni e gluoni che restano invisibili a tale interazione.

Se vogliamo usare la fantasia possiamo pensare all'universo come una mappa di pacman: le palline sono il campo di Higgs, i fantasmini sono i fotoni (che non raccolgono le palline), mentre pacman è una delle particelle del modello standard che interagisce muovendosi nel campo e mangiando le palline: unica variante è che man mano che raccoglie, pacman diventa più massiccio e quindi più lento, diventando facile preda dei fantasmi fotoni (che invece non rallentano mai).

Alcune riflessioni sull'esistenza del meccanismo di Higgs sono:
- le particelle che interagiscono con il campo acquistando massa non possono più muoversi alla velocità della luce, quindi solo i fotoni vagano indisturbati proprio a quella velocità 
- la massa che viene ceduta alle particelle deve provenire da una fonte di energia molto potente perché per creare anche pochissima massa ci vuole una enormità di energia e quindi o il campo è fortemente energetico (una specie di energia del vuoto) oppure le particelle possiedono già la loro energia ed il campo è solo il mezzo per la condensazione in massa
- più i bosoni sono leggeri e più hanno un campo d'azione ampio, ed infatti la forza elettromagnetica, mediata dallo snello fotone, ci permette di ricevere i raggi di luce dalle profondità dell'universo
- non possedendo massa il fotone è quindi energia pura, ma siccome trattasi anche di particella è una energia confinata (un pacchetto) che può essere assorbita ed emessa dalle particelle che interagiscono in modo elettromagnetico
- in assenza di massa potrebbe non esserci più la percezione del tempo, infatti i fotoni sono immortali e dal loro punto di vista il tempo sembra non scorrere: se così fosse si potrebbe considerare il campo di Higgs, creatore di massa e quindi anche di tempo?

Quante domande avremmo da fare al fotone, anche se la principale rimarrebbe quella per apprendere il segreto per rimanere così in forma e sempre giovane, anche se forse la risposta ovvia sarebbe che lui è perennemente a dieta.

giovedì, agosto 14, 2014

Il lenzuolo scrollato

Primo pomeriggio, cortile interno di un palazzo qualsiasi di una cittadina qualunque, silenzio surreale da fase digestiva rotto soltanto da qualche strillo catodico; dalle finestre e dai balconi, in modo apparentemente casuale, escono le massaie a sbattere con forza le tovaglie per liberarle dalle briciole del pranzo. Immagini di altri tempi ormai, abitudini che richiamavano le nostre recenti radici rurali, comportamenti tutti tesi ad eliminare ogni spreco, ed ecco che le briciole diventavano cibo per gli animali da cortile. Non importava che nel cortile condominiale non ci fossero polli e galline e le uniche bestie fossero qualche gatto e i soliti piccioni, la tovaglia andava scrollata fuori, un gesto che è improvvisamente diventato arcaico.

In quell'atto energico e deciso che si ripercuote sulla stoffa c'è però anche molta fisica, o meglio ci sono molti spunti per parlare di fisica (oltre che di sociologia)  a partire dalla teoria ondulatoria ad arrivare alle onde gravitazionali, passando per la il tessuto spazio-temporale e la relatività generale.
Quindi il lenzuolo si presta bene per analogie del mondo fisico reale ed io non posso che approfittarne.

La prima cosa stupefacente è l'onda, un concetto che ci pare familiare, soprattutto se osserviamo il mare ma che cela uno dei misteri più profondi dell'universo: l'onda non è spostamento di materia bensì è trasporto di energia, ed è proprio l'energia del movimento sul lenzuolo che lo attraversa completamente con movenza ondulatoria; però per propagarsi l'onda ha bisogno di un mezzo, il lenzuolo, senza il quale il gesto di scuoterlo non avrebbe alcun effetto. E le onde elettromagnetiche? La luce, le radiazioni, le onde radio? Su quale lenzuolo viaggiano? Evidentemente anche il vuoto che separa per esempio il Sole dalla Terra non è ciò che immaginiamo poter essere esattamente il nulla, visto che in esso l'energia si propaga sotto forma di onde. In passato si era pensato che lo spazio che ci circonda fosse intriso di una qualche sostanza invisibile chiamata etere ma gli esperimenti del secolo scorso ne hanno escluso l'esistenza.

La teoria oggi più accettata ci dice che lo spazio a livello microscopico (metri zero, seguito da 35 zeri) è simile ad una schiuma ribollente in cui le coppie di materia ed antimateria si creano e si annichiliscono in un tempo per noi impercettibile; ma i fotoni della meccanica quantistica (quelli immaginati di Einstein) non avrebbero più bisogno di un mezzo sul quale spostarsi in quanto essi stessi particelle, e quindi simili anche ad una minuscola biglia scagliata nel vuoto. Quindi il fotone è si un onda ma impacchettata, ed è anche il mezzo per trasportare l'onda stessa!


Poi il lenzuolo teso si presta ad immaginare il tessuto spaziale, immersi nel quale gli oggetti massivi creano una buca che rappresenta l'effetto gravitazionale che hanno i corpi sullo spazio-tempo deformandolo. Sono queste pieghe, più o meno profonde a secondo della massa, che risucchiano gli oggetti che passano nei paraggi, e sono queste deformazioni a deviare i raggi di luce che viaggiano per l'universo e che hanno permesso la prima verifica della teoria della relatività generale.





Infine possiamo pensare alle onde sul lenzuolo come alle increspature gravitazionali che dovrebbero propagarsi nell'universo a seguito di qualche fenomeno particolarmente violento; infatti una esplosione di supernova o lo stesso primordiale big bang dovrebbero aver creato l'effetto di scuotimento che riproduce il gesto sul lenzuolo ed alcune onde, minuscole e quasi impercettibili, potrebbero attraversare il nostro spazio-tempo anche in questo momento, anche se fino ad ora nessuno è riuscito a rilevarle.




Se è pur vero che il lenzuolo rappresenta una superficie bidimensionale e che solo le onde che lo attraversano gli impongono tridimensionalità, il nostro mondo che da tridimensionale diventa un "cronotopo" con l'aggiunta del tempo, può essere percepito proprio grazie all'analogia che permette al lenzuolo di diventare il nostro universo immaginario, nella speranza che il pranzo non finisca troppo presto e di non essere scrollati via.


domenica, luglio 13, 2014

La notte nera forse sarà meno scura

Classica domanda da bambino curioso: perché il cielo di notte è nero?
Un adulto risponderebbe senza dubbi che il motivo è la mancanza del Sole, che di giorno rischiara il cielo ma che di notte si nasconde dietro alla Terra facendo apparire tutto buio e scuro.

Certamente la luce solare è la ragione delle giornate luminose e calde ma il motivo per cui di giorno il cielo non è nero è che l'atmosfera che circonda la terra diffonde la luce facendo apparire il cielo azzurro; sulla Luna, per esempio, il cielo appare nero anche con il Sole sopra l'orizzonte. 

Quindi lo spazio è sempre nero nonostante sulla Terra a volte non ci appaia così. E perché dovrebbe stupirci la cosa? Lo spazio è pieno di stelle, si ipotizza 300.000 miliardi di miliardi, ed in un universo infinito ed eterno, la luce proveniente da questa pletora di soli incandescenti, qualunque direzione si scelga, sarebbe già giunta a rischiarare un pezzettino di cielo. Moltiplichiamo anche una flebile luce per il numero si stelle e capiamo che il cielo dovrebbe essere luminoso, giorno e notte.

Di conseguenza il fatto che il cielo di notte sia nero significa innanzi tutto che l'universo non è infinito ma che ha un limite, non un bordo spaziale, ma uno temporale, a circa 13,7 miliardi di anni. Dato che la luce viaggia attraverso l'universo, ed il viaggio dura parecchio, quando puntiamo il telescopio nel cielo, stiamo in realtà osservando indietro nel tempo. Quindi quando osserviamo la luce vecchia di 13,5 miliardi di anni, non è che non vediamo le stelle solo perché la loro luce non ci ha ancora raggiunti - non vediamo nessuna stella perché stiamo guardando l'universo nel periodo precedente alla formazione di qualsiasi stella.

In realtà i potenti telescopi quando puntato lo spazio profondo non vedono completamente nero, infatti è rilevabile una "luce" di fondo che ci arriva dagli attimi successivi al big bang.  E si rileva che questa “radiazione cosmica di fondo” arriva più o meno uniformemente da tutte le direzioni, creando un fondo oltre le stelle. Ma se i telescopi ci dicono che il cielo di notte non è nero, allora perché a noi appare nero? Le stelle e le galassie si stanno allontanando da noi perché l'universo è in espansione, quindi anche la luce del big bang si allontana velocemente, e come la sirena di un ambulanza cambia tono allontanandosi, per l'effetto doppler, la luce che si allontanano da noi diventa più rossa, e più velocemente si allontana e più rossa diventa, fino a diventare infrarossa e quindi invisibile ai nostri occhi.

Forse ora la notte vi apparirà meno buia.

FONTE: minutephysics

domenica, aprile 13, 2014

temporeggiando (l'elettrone che non cade mai sul protone)


L'immagine del fiume che scorre ci riporta spesso al trascorrere del tempo e ci immerge mentalmente nell'acqua che con il suo flusso incessante trasporta qualsiasi cosa in direzione della corrente. Come molti altri aspetti del mondo che ci circonda, anche il tempo è percepito nella scala in cui noi esseri umani assimiliamo i fenomeni, e non a caso i riferimenti che utilizziamo sono la naturale derivazione di questi ultimi: suddividere le nostre esistenze in anni, mesi e giorni è solo il modo più semplice di utilizzare il grande orologio universale che con le varie rotazioni e rivoluzioni celesti ci indica quante volte la Terra ha girato intorno al Sole, quante ha girato su se stessa e via dicendo.

Ma se fossimo una minuscola particella, un elettrone per esempio, quale riferimento potremmo utilizzare per organizzare il nostro tempo? Difficile a dirsi perché l'esplorazione dei fenomeni a scale così ridotte è appena iniziato (diciamo da un centinaio di anni) ed i risultati sono spesso incomprensibili o difficilmente interpretabili. Ed allora partiamo con il solito giochino mentale e cerchiamo di immaginare l'inimmaginabile.

Entriamo per semplicità in un mondo bidimensionale e visualizziamo lo spazio dell'universo come una ragnatela piatta e fittissima (il tessuto spaziale); prendiamo una briciola (un pezzo di materia) e poniamola al centro della tela, e poi lasciamo cadere tutto nel vuoto (tale caduta rappresenta l'inizio dello scorrere del tempo).
Durante la caduta (il tempo che passa) immaginiamo che la nostra ragnatela sia circondata da una specie di vapore che viene assorbito solo dal pezzettino di materia mentre il resto della tela lo lascia traspirare senza interagire (il vapore rappresenta il campo di Higgs responsabile dell'esistenza della massa). Ciò che accadrebbe è che la continua interazione tra la briciola ed il vapore originerebbe uno scuotimento in grado di provocare delle minuscole onde nella tela in caduta (invisibili per noi umani, ma non certo per un minuscolo elettrone).


Se tali movimenti sussultori rappresentassero qualcosa nel mondo reale come potremmo spiegarli?
Supponiamo quindi che il comportamento del tessuto spaziale sia proprio quello descritto in precedenza e che la nostra briciola fosse un protone con carica positiva.
Immaginiamo che alcuni elettroni si trovino in prossimità del protone in caduta: mentre quest'ultimo possiede una discreta massa che è indice di una forte interazione con il vapore (di Hisggs), gli elettroni hanno una massa infinitesimale, il che indica uno scarsissimo assorbimento e quindi quasi nessun effetto sulla ragnatela.



Essendo poi carichi negativamente gli elettroni verrebbero attirati dal polo protonico positivo al centro dell'onda e cercherebbero di avvicinarsi il più possibile, così come si attirano i poli opposti di una calamita; l'energia prodotta dall'onda però tenderebbe a mantenerli in equilibrio ad una certa distanza.


Un altro significato interessante dell'onda nello spazio-tempo è che la fluttuazione verso l'alto ed il basso rappresenterebbe un continuo pendolamento nel passato e nel futuro; in pratica se fissiamo la linea del presente al centro della massa del protone in caduta, osserviamo che il nostro universo bidimensionale, non più completamente piatto, oscilla in parte verso la direzione dalla quale la tela cade ed in parte nel verso dove è diretta.
Se a prima vista questa interpretazione può sembrare che utilizzi una visione classica in opposizione con la teoria quantistica del microcosmo, in realtà la fluttuazione ipotizzata, se riportata in una realtà quadridimensionale, apparirebbe come un continuo saltellare dell'elettrone nello spazio e nel tempo, in accordo con le osservazioni che hanno prodotto l'interpretazione quantistica.


Questo potrebbe significare che, mentre a livello macroscopico la netta distinzione tra passato presente e futuro e perfettamente comprensibile, nelle minuscole pieghe del mondo quantistico tale distinzione è meno marcata se non forse addirittura impercettibile, fino a poter immaginare che tale rappresentazione sia alla base stessa della percezione del tempo nel mondo macroscopico.

sabato, marzo 29, 2014

Una polaroid del big bang

E' comparsa come trafiletto su tutti i giornali ma si candida ad essere la scoperta scientifica dell'anno, e forse in ambito cosmologico anche del decennio: sono state osservate da un telescopio al polo sud, appositamente progettato, le prove che ci sia stata effettivamente l'inflazione al principio della storia dell'universo. 

Spiegata così sembrerebbe in effetti una scoperta tecnicissima, alle quali è difficile esultare o battere il cinque al nostro vicino sul bus, ma se accompagnato ad un concetto apparentemente complesso ci fosse uno sforzo nel trovare un immagine accattivante e più digeribile, forse quello scatto di entusiasmo potremmo averlo anche noi cosmo-ignoranti. Quindi partiamo alla ricerca di questa rappresentazione esaltante della notizia noiosa.

Fino dagli anni sessanta è stata rilevata la radiazione cosmica di fondo, un segnale debolissimo che ci giunge dalla spazio da ogni direzione, in qualsiasi punto rivolgiamo un radiotelescopio, e non è servito molto tempo per capire che quei fotoni (la luce e le onde radio sono semplicemente composte dalle stesse particelle) giungevano a noi direttamente dal big bang, o meglio da qualche istante successivo (questa si che sembrò essere una notizia spettacolare). 

Possiamo vedere una istantanea dei primi vagiti dell'universo, anche se preferirei dire che la radiazione cosmica di fondo assomiglia di più ad un parto, all'istante della nascita vera e propria (mentre il big bang è più simile al concepimento); eppure lo sanno tutti che l'universo è nato circa 13,7 miliardi di anni fa con il grande botto! Bene, probabilmente è avvenuto proprio questo, ma l'immagine della radiazione è una foto di come in un certo istante, la radiazione e l'energia si siano separate dalla materia, dando finalmente origine a tutto ciò che osserviamo nella forma attuale. Nella pratica, circa 400.000 anni dopo il big bang (il tempo di gestazione), mentre era in processo un lento raffreddamento, i fotoni sono riusciti a liberarsi dalla gabbia di plasma ed hanno iniziato a vagare liberi per lo spazio in espansione. 

Proprio questo spazio però ha avuto origine in un altro momento distinto e la sua formazione deve essere stata qualcosa di veramente particolare: osservando le variazioni di densità della bolla primordiale (una sorta di palla di lava minuscola e densissima scaturita appunto dal big bang), i teorici svilupparono il modello inflazionistico, che io ribattezzo in italiano della superespansione: infatti era impossibile spiegare come da una palla minuscola e quantisticamente ribollente si potesse arrivare, dopo miliardi di anni di allargamento continuo e costante, all'universo attuale che invece ci appare omogeneo e piatto in tutte le direzioni. 

Quindi partendo dalle due foto a disposizione, quella del cosmo omogeneo osservabile attualmente e quella estrapolata dalla radiazione di fondo dell'universo neonato, instabile e disomogeneo, gli scienziati hanno partorito la teoria inflazionistica o della superespansione, l'unico modo attualmente trovato per spiegare un cambiamento così radicale dalla prima situazione alla odierna, teorizzando una espansione improvvisa dello spazio, ad una velocità superiore a quella della luce (tanto lo spazio non è ne materia ne energia e non deve sottostare ai limiti della relatività). Una espansione inimmaginabile tanto che la definirei la nascita dello spazio vero e proprio, da una capocchia di spillo ad un miliardo di chilometri, in un tempo infinitesimale (un miliardesimo di secondo).

I modelli matematici ci dicono che i conti tornano molto bene e che prevedono anche altri fenomeni come la formazione di onde gravitazionali durante la superespansione dello spazio; queste onde che incresparono il tessuto spazio temporale, proprio come quando scuotiamo una tovaglia per ripulirla, impressero ai fotoni della radiazione primordiale delle particolari direzioni di propagazione, delle polarizzazioni, come se le briciole sulla precedente tovaglia volassero via in particolari direzioni  in base alla forza con la quale la scuotiamo. In realtà ai fotoni in fuga venne impressa una particolare polarizzazione, proprio come quando una lente polaroid filtra la luce facendo passare solo i fotoni che appartengono allo stesso piano di propagazione.

Ed arriviamo  alla notiziona: se il modello teorico predice tutte questi fenomeni, quelli osservati e quelli no, possiamo andare alla ricerca di questi ultimi per avere ulteriore conferma della teoria!
Quindi si è costruito appositamente un osservatorio al polo sud, il BICEP2, per misurare alcune caratteristiche dei fotoni della radiazione di fondo predette dalla teoria della superespansione e neanche a crederci i dati sulla polarizzazione dei fotoni sono perfettamente coerenti con le predizioni.

Un'altra polaroid della storia del nostro universo ed un altro grosso applauso agli scienziati paparazzi. 


domenica, marzo 09, 2014

La storia dell'Universo in 3 minuti

Nulla, nulla, nulla, niente, nulla, nulla, fluttuazione quantistica, materia e antimateria annichiliscono, nulla di fatto, nulla, nulla, niente, nulla, nulla, nulla, nulla, fluttuazione quantistica, materia e antimateria si separano, BIG BANG! L'orologio comincia a camminare...
(10^-10 sec = 0,0000000001 secondi!!!)

(10^-43 secondi) Tanta energia (in realtà tutta la materia e l'energia dell'Universo), no spazio, tantissimo caldo (miliardi di miliardi di miliardi di gradi)

(10^-35 secondi) Troppo allo stretto con sto caldo, improvvisa creazione dello spazio, tanto caldo (milioni di miliardi di miliardi di gradi)

(10^-32 secondi) Finalmente si sta al largo (un miliardo di chilometri), appaiono le forze in modo separato (nucleare,gravità) , meno caldo (milioni di miliardi di gradi)



(10^-6 secondi) Finalmente si sta al fresco (miliardi di gradi), i quark possono interagire per creare gli adroni (i mattoncini della materia), l'espansione dello spazio continua (100 miliardi di Km)

(100 secondi) Ora c'è spazio per tutti (1000 miliardi di Km), i mattoncini possono interagire per creare la materia come la vediamo oggi (elio), sempre più freddo (1 miliardo di gradi)

(3 minuti dal BIG BANG) Dalla accecante luce di plasma iniziale ora tutto sembra più opaco anche se la temperatura media è di 100 milioni di gradi, si creano i primi atomi di idrogeno

(300 000 anni) Ormai si è innescato il processo di creazione di atomi mentre la luce nata dalla improvvisa espansione continua a vagare nello spazio lasciando una radiazione di fondo

(200 milioni di anni) Nascono le Megastelle

(500 milioni di anni) Nasce la stella più antica che l'uomo sia riuscito ad osservare HE 1523-0901

(1 miliardo di anni) Nascono probabilmente le prime galassie

(3,7 miliardi di anni) Nasce la Via Lattea, la nostra galassia

(8,5 miliardi di anni) Si forma il nostro sistema solare

(9 miliardi di anni) Prende forma il nostro pianeta Terra

(10,5 miliardi di anni) Prime forme di vita compaiono sulla Terra

(13,699998 miliardi di anni) Compaiono i primi ominidi

(13,7 miliardi di anni) Ora attuale al meridiano di Greenwich


Fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/Storia_dell'universo

sabato, febbraio 15, 2014

Immersi in un mare limpido (e non annegare)


Uno dei concetti sui cui si fonda la fisica è quello dei campi: il più conosciuto, perché entrato prepotentemente nella vita quotidiana dell'uomo moderno, è quello magnetico, e comunque è stato necessario aspettare i primi decenni del 1800 perché Faraday riuscisse a rendere visibile ciò che era stato occultato fino ad allora.

Una manciata di limatura di ferro sparsa intorno ad una calamita ed ecco che le linee di forza del campo magnetico apparirono perfette nelle loro tracce curve che entravano ed uscivano dal dipolo; chissà se Herbert George Wells quando scrisse nel 1881 "l'uomo invisibile" aveva in mente l'esperimento della limatura, perché in fondo anche nella sua quasi intangibile sagoma, il protagonista del libro poteva essere reso visibile con una spruzzata di vernice. 

Quindi dalla presa di coscienza della possibile esistenza di un mondo invisibile, non spettrale ma fisico, che ci circonda continuamente, sono cresciute le scoperte fondamentali delle leggi che governano l'Universo: il campo magnetico, il campo gravitazionale, il campo elettrodebole, il campo di Higgs. Ma esiste un qualche tipo di limatura o di vernice che possa svelare ai nostri occhi tanta ingombrante presenza intorno a noi?

Ognuna di queste scoperte è stata caratterizzata da una intuizione simile a quella di Faraday: 
la mela in caduta è stata la limatura che ha permesso a Newton di intuire la gravitazione; i raggi di luce incurvati hanno reso visibile la struttura dello spazio-tempo per Einstein; la radioattività (chiamata l'energia nucleare debole) fu invece intuita grazie alle lastre fotografiche che venivano impressionate anche al buio a contatto con sostanze come l'uranio.

Storia diversa è invece quella del campo di Higgs, tra l'altro scoperta scientifica ancora fresca e da concludersi, perché l'intuizione della sua presenza è stata frutto della matematica e delle teorie fisiche preesistenti: in altre parole la limatura che ha reso possibile la visione del bosone di Higgs è stata tutta la teoria fisica sviluppata fino ad oggi, e la vernice spruzzata per rendere visibile agli occhi l'invisibile è stata tutto il meglio della tecnologia in possesso all'uomo e cioè l'LHC, il grande acceleratore di particelle del CERN.

Proviamo ad immaginarci come dei pesci, immersi in un liquido perfettamente trasparente ai nostri occhi ed impercettibile al nostro tatto: ci muoveremmo con naturalezza senza dover pensare al liquido, almeno fino a quando qualcosa non intorbidisse la sostanza rendendola visibile. Lo spazio ed i campi in esso contenuti ci circondano continuamente e forse ne esistono di più di quelli fino ad oggi scoperti, ma fino a quando non troveremo la limatura adatta, rimarranno nascosti, celati nel mare limpido che ci circonda.








venerdì, gennaio 24, 2014

Il "campo" saltellante

Alcune correlazioni come quelle tra tempo e gravitazione o tra moto dell'elettrone e spazio, sono state sondate con tenacia dai fisici ma molte domande rimangono prive di risposta.
Solo l'immaginazione ci può far volare sopra il muro, quello che la scoperta può abbattere, che per ora ci divide dalla piena conoscenza della natura; è quindi con un modello mentale che cercherò di immaginare i meccanismi che potrebbero lontanamente avvicinarsi a quelli reali - o forse nemmeno lontanamente - ma con lo scopo di dare una visione più vasta all'ignorante curioso, un quadro artefatto ma possibile tra i tanti, di come l'universo funzioni.

Una delle evidenze più sconvolgenti venute a galla lo scorso secolo è quella della quantizzazione della natura: tutto ciò che ci circonda è fatto di pacchetti, minuscoli, indivisibili e ben misurabili, dalla materia all'energia, e su questo principio - la meccanica quantistica - si è costruita una delle teorie fisiche più precise che gli scienziati abbiano mai partorito: solo lo spazio, la gravità  ed il tempo sono sfuggiti per ora a questa sorta di suddivisione in blocchetti.


Partiamo dall'immaginare un atomo di idrogeno, quello più semplice, il nucleo centrale con carica positiva e l'elettrone negativo che si "muove" nella nube di probabilità: sappiamo che il cosiddetto spostamento è più simile ad un saltellare e che non esiste una vera e propria traiettoria dell'elettrone, anche perché se così fosse, questo granello polarizzato, ruotando intorno al nucleo protonico, emetterebbe energia per poi, esausto, precipitare verso il centro annichilendosi (cosa mai osservata in natura).
Preso atto di ciò che vediamo e misuriamo, come è possibile spiegare un comportamento tanto singolare? Qual'è l'energia infinita che sposta gli elettroni intorno ai nuclei degli atomi dall'inizio dei tempi? 


La soluzione più semplice è quella di accettare il comportamento dell'elettrone per quello che è, un po' come si fa con una persona ribelle ed indomabile; una volta recepita l'idea si cerca di adattarsi alla situazione: così è nata la teoria della schiuma quantistica che in realtà spiegherebbe diversi fenomeni microscopici ma che nella pratica è difficile da sondare. Lo spazio sarebbe pullulante di una infinità  di coppie di materia ed antimateria che creandosi spontaneamente ed annichilendosi in tempi a noi impercettibili (ed anche ai nostri strumenti), comporrebbero lo strato, la pellicola, su cui tutto ciò che vediamo nell'universo esiste e si muove.

In alternativa, non avendo riscontri sperimentali della teoria della schiuma, si può spingere la fantasia un gradino più avanti: se fossero lo spazio ed il tempo a saltellare mentre l'elettrone è perfettamente fermo in balia dell'attrazione del nucleo? Ed inoltre cosa ci sarebbe di così scandaloso se anche lo spazio ed il tempo fossero quantizzati, visto che sappiamo esserlo il resto della natura?



Tutti abbiamo visto qualche vecchio film in cui alcuni fotogrammi danneggiati o bruciati non sono stati montati, avendo la sensazione che la scena si svolga a scatti; siccome gli avvenimenti che osserviamo nelle scene hanno una sequenza logica, il comportamento poco fluido delle immagini non influisce sulla nostra comprensione degli avvenimenti, ed una palla che cade da un terrazzo ci apparirà esattamente per quello che è, come se la sequenza fosse stata integra. Se invece stiamo osservando un fenomeno del quale non conosciamo in origine la sequenza, per esempio un palloncino che sgonfiandosi impazza velocemente per la stanza, sarà molto difficoltoso ricostruire la successione originale.
Se quindi lo spazio-tempo a livello microscopico avesse un comportamento non fluido, l'immagine dell'elettrone che si sposta apparentemente in modo probabilistico potrebbe avere origine da un mix di traiettoria elettromagnetica e continuo spostamento dei punti di riferimento.


Pensiamo ad una nave che beccheggia: il suo continuo oscillare in acqua crea una serie di onde che si susseguono con origine dallo scafo verso l'acqua circostante. Poi immaginiamo delle minuscole scialuppe magnetizzate attratte più o meno debolmente dallo scafo della nave principale; se la forza di attrazione si equivale a quella di trascinamento delle onde, le barchette calamitate staranno in equilibrio attorno alla nave senza poterla mai raggiungere. Aggiungiamo che la nave può essere in movimento, può ruotare su se stessa, e che le onde potrebbero comunque essere presenti in acqua naturalmente e potremmo avere una immagine della complessità delle interazioni tra nucleo (la nave), elettroni (le scialuppe) e lo spazio-tempo (l'acqua).


Ma perché solo l'elettrone dovrebbe apparire saltellante? In questa visione dovremmo supporre che la materia del nucleo, avendo una massa molto maggiore, non subisca una eccessiva distorsione dalla vibrazione dello spazio-tempo. Alle nostre misurazioni, forse proprio perché nella dimensione macroscopica iniziamo ad osservare comportamenti di cui conosciamo perfettamente le sequenze, percepiamo un comportamento classico, proprio come nel film incompleto di prima; d'altronde gli esperimenti ci dicono che il passaggio da comportamento quantistico a quello fisico classico, è graduale e riguarda non solo gli elettroni ma anche particelle ed atomi complessi, ma che più la massa aumenta è meno le caratteristiche "insolite" appaiono. D'altronde se pensiamo al nucleo atomico come ad un transatlantico capiamo subito che le sue dimensioni e la sua massa non subiscono interferenze dal leggero turbamento delle acque in cui è immerso ed anzi è la sua stessa stazza in movimento a perturbare il liquido circostante, cosa che crea non pochi problemi alle minuscole scialuppe elettroniche.

D'altronde che la massa abbia una influenza sullo spazio-tempo circostante ce lo ha insegnato Einstein con la teoria della Relatività Generale: infatti è sperimentalmente noto che il tessuto quadridimensionale dello spazio-tempo viene piegato dalla massa immersa in esso, anche se il meccanismo per cui ciò avvenga è ancora ignoto. E se non fosse l'unica interazione tra i due elementi? Se a livello atomico esistesse una influenza che ad oggi non comprendiamo?