L'effetto tunnel

Non è la reazione delle comunità locali alla costruzione di qualche galleria montana, bensì uno dei bizzarri comportamenti delle particelle che è alla base della elettronica moderna: è il cosiddetto "effetto tunnel". Una particella che non dovrebbe possedere l'energia necessaria per oltrepassare una barriera, finisce a volte per farcela e trovarsi dall'altra parte. La spiegazione quantistica è che la particella può prendere in prestito l'energia mancante dal vuoto, a patto che in un tempo infinitesimamente piccolo la restituisca. Difficile da immaginare vero?

L'analogia con la meccanica classica è quella di una palla che deve attraversare un muro, il che sembra al quanto improbabile, anche scagliando la palla milioni di volte contro lo stesso muro (vi assicuro che qualcuno deve sicuramente averci provato); il fatto però che nel mondo delle particelle non ci sono veri e propri muri ma piuttosto campi di energia e, come ripetuto più volte, le palle sono oggetti particolari, dei pacchetti che possono somigliare ad una biglia od a un onda, dipende da come li analizziamo.

Quindi se proprio dobbiamo cercare un immagine per visualizzare l'effetto tunnel nel nostro mondo macroscopico sceglierei qualcosa di più adeguato: un potente ma breve suono potrebbe rappresentare la nostra particella, mentre una parete isolata sarebbe la nostra barriera di energia; se spariamo il suono in direzione della parete sicuramente una buona parte dell'onda sonora verrà riflessa e sentiremo una sorta di echo. Una certa frequenza che compone l'onda però potrebbe avere energia necessaria per passare la barriera e quindi riusciremmo a rilevare il suono dall'altra parte; se pensiamo alle particelle come ad un pacchetto d'onda non è così incredibile pensare che alcune delle frequenze che compongono il pacchetto possiedano l'energia per oltrepassare l'ostacolo (anche se all'interno del pacchetto fanno a media con le altre energie).

Certo lo so, è la solita semplificazione di un fenomeno più imperscrutabile e misterioso che affonda la sua origine alla radice dei segreti della meccanica quantistica, ma sono sempre convinto che il potere delle immagini e la suggestione delle similitudini possa renderci meno ostica la comprensione di fenomeni che altrimenti sarebbero da classificare come inspiegabili.

Per fare ciò dobbiamo abbandonare la visione degli oggetti, tutti gli oggetti, come di pezzi rigidi di materia, e sostituirla con quella più impercettibile ma più realistica di ammassi di onde vibranti, che poi non sono altro che l'energia che costituisce e forma quello che noi percepiamo come massa.

Infatti, allo stesso modo con cui possiamo rilevare il suono del precedente esempio che attraversa il muro, tramite un microfono per poi riprodurre un click (o accendere una lampadina), così noi percepiamo gli ammassi di onde che ci circondano (gli oggetti) con un colore, una temperatura, una sensazione tattile, un click che ci dice che tali oggetti sono "materia": la realtà fisica è lontana dalla realtà percepita, e la distanza aumenta mano a mano che le dimensioni diminuiscono, fino ad arrivare alla inconfutabile oggettività di un mondo fatto di onde più o meno impacchettate a formare la materia che vediamo intorno a noi.

Ciò che proprio non sappiamo ancora è di che cosa è composta quella enorme fetta di universo che comunque ci sta intorno e che chiamiamo oscura, materia ed energia di cui percepiamo la presenza solo indirettamente: io non so voi ma potrei scommettere che si tratta sempre e comunque di onde.

vittime dell'inerzia

Proprio così, siamo tutti in balia dell'inerzia: seduti comodamente sul divano quante volte abbiamo pensato "ma chi me lo fa fare ad alzarmi". In generale l'inerzia è la caratteristica dei corpi a non voler cambiare il loro stato, ma perché esiste? Perché se vogliamo fermare un oggetto che ha una certa massa che si muove dobbiamo esercitare una forza, allo stesso modo in cui dobbiamo applicarla se vogliamo metterlo in movimento? E quindi qual'è il motivo per cui nessuno vuole cambiare il proprio stato che sia di quiete o movimento? Per ora, consideriamo quello che succede in un oggetto quando si esercita questa proprietà che chiamiamo massa; cerchiamo di ignorare l'effetto gravitazionale della massa per il momento, e consideriamo la massa come la misura in cui un oggetto resiste alla spinta di accelerazione e chiamiamo questa massa inerziale.

Come al solito partiamo con un esperimento mentale che battezzerò la "scatola invisibile".
Immaginate una scatola priva di massa con pareti invisibili: certo è impossibile ma è un'analogia per avvicinarci come vedremo lentamente alla realtà. Ora la riempiamo con moltissimi fotoni, che sappiamo essere particelle senza massa, che viaggiando alla velocità della luce, rimbalzano all'interno della scatola in tutte le direzioni; la somma delle masse è nulla e su tutte le pareti della scatola si sente la stessa pressione, quindi facendo la media non c'è nessuna forza complessiva dalla scatola verso l'esterno.

Diamo alla scatola una spinta per aumentare la sua velocità; ora la parete della scatola che spingiamo si muove verso i fotoni: si sente, rispetto a prima, un po' più di pressione per il loro impatto. Nel frattempo, nella parete opposta della scatola, allontanandosi dai fotoni, si sente meno pressione. C'è una forza diretta all'indietro che si percepisce come una resistenza alla variazione di velocità. I fotoni esercitano una forza sulla scatola, la scatola esercita anch'essa una forza sui fotoni e per la terza legge di Newton che ci dà la conservazione della quantità di moto, l'accelerazione esercitata sulla scatola viene trasferita ai fotoni.

Ora, se si ferma l'accelerazione sulla scatola, lo slancio  viene ripartito di nuovo equamente tra la scatola e fotoni. Ma finché l'accelerazione continua, il differenziale di pressione persiste. L'accelerazione subisce una resistenza e quindi ci sembra che la scatola  sia pesante, come piena di massa: in realtà è indistinguibile dalla massa, perché è proprio la massa! In pratica partendo dall'energia cinetica dei fotoni confinati in uno spazio, il totale del tutto senza l'ombra di un milligrammo, siamo arrivati a percepire un oggetto massivo: tutto ciò perché la massa non è altro che energia confinata (per la maggior parte) ed è questo che ci ha voluto dire Einstein con la celebre formula E=M*C^2 che in realtà lui scrisse per la prima volta come M=E/C^2

Quindi diamo un'occhiata a un altro esempio di energia confinata: una molla compressa contiene più energia di una molla rilassata. Si dice che detiene più energia potenziale. Quindi è una molla compressa più massiccia di una a riposo? E' proprio così! Anche in questo caso, siamo in grado di descrivere questo fenomeno in termini di un effetto fisico diretto. Una molla già compressa è più difficile da comprimere, rispetto ad una molla a riposo. Ma comprimerla è esattamente ciò che devi fare quando tenti di spostarla: in primo luogo, la parte che spingiamo si comprime un po' e poi la pressione diffonde la forza come un onda in avanti, fino a quando tutta la molla si mette in movimento. Quella spinta iniziale è più difficile sulla molla compressa che sulla molla rilassata. Si percepisce come se fosse più massiccia perché lo è.

Questi apparentemente diversi effetti fisici, la  scatola di fotoni e la molla compressa, danno lo stesso risultato di conversione tra massa ed energia, La materia che ci compone però è fatta per lo più da quark ed elettroni e sono le energie cinetiche e di legame tra questi piccoli componenti a farci percepire gli oggetti come "confinati e massivi". In realtà c'è ancora una minuscola componente della massa che non dipende dalle energie confinate ma ha origine molto più esotica: infatti al contrario dei fotoni del nostro primo esempio, gli elettroni ed i quark sarebbero dotati di una piccolissima massa anche se fossero immobili; è una loro caratteristica intrinseca fondamentale che gli viene ceduta attraversando il campo di Higgs che permea tutto lo spazio. Ma se le energie confinate creano l'illusione della massa non potrebbe essere l'interazione con il campo di Higgs a creare l'illusione della gravità?

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=gSKzgpt4HBU

scrutare l'universo

Sui bastioni dell'anima come antiche radici avvinghiati,
libriamo uno sguardo ventoso ai confini dell'orizzonte,
che la nebbia diradi e lo spettacolo del mondo appaia.
E che la vista rinata ci rapisca i pesanti pensieri,
ed anche i ceppi torpidi tra le mura lascino la presa,
così che lo spirito sia assolto e possa gettarsi nel baratro.

La ricetta per creare un universo

Prendiamo una manciata di nulla, innaffiamo con la legge di conservazione, mescoliamo fino a quando vediamo una fluttuazione quantistica; a questo punto velocemente (entro un tempo di Planck) separiamo materia ed antimateria prima che si annichiliscano completamente.

Se avete fatto tutto correttamente dovreste avere una zuppa di quark molto calda; fate raffreddare fino a quando non vedete combinarsi i quark in protoni e neutroni, mentre preparatevi ad indossare gli occhiali perché a breve viene liberata la radiazione elettromagnetica (lasciate pure che evapori lasciando l'impronta della radiazione di fondo).

Montate a frusta (simulando l'effetto gravitazionale) le nubi di gas leggeri che si creano in modo che si addensino fino a raggrumarsi in piccole polpette incandescenti (dette stelle): attendete ancora e noterete che raffreddandosi le polpette tenderanno ad esplodere rilasciando una serie di nuovi aromi molto pesanti (es. metalli) dando origine ad altre nubi. Continuate lo stesso processo fino ad ottenere degli ammassi di stelle non troppo grandi e più stabili.

Ora non vi resta che condire il tutto con qualche cometa carica di acqua e aminoacidi ed attendere che la vita spunti qua e la, prima di servire a temperatura ambiente. 

Livello di difficoltà: elevata

Tempo di preparazione: 14 miliardi di anni

Ingredienti: il nulla e qualche legge fisica

Due mondi separati

Ho lasciato appositamente sedimentare per qualche giorno la news del 11 febbraio: le onde gravitazionali esistono e sono esattamente quelle previste dalla teoria della Relatività Generale.

Il fiume di notizie è stato giustamente imponente, da un lato per cercare di spiegare l'importanza della scoperta, dall'altra per riuscire a descrivere in modo semplice ai non specialisti ed appassionati, di cosa effettivamente si stesse parlando. Io ve la spiego con una immagine.

Lo spazio è molto simile ad una rete a maglie: se tirate la rete in una direzione si allargheranno le maglie in quel senso e si restringeranno in quello perpendicolare. In pratica al passaggio di un onda gravitazionale lo spazio (ed il  tempo a lui connesso) si allungherà in una direzione ed automaticamente si accorcerà in quella perpendicolare.
Per tale motivo il rilevatore di onde gravitazionali è costruito come una enorme L, con i bracci lunghi quattro chilometri: così se passa l'onda un braccio si accorcerà mentre l'altro aumenterà di lunghezza.

Detta così forse può risultare troppo semplice ma vi basta un numero per farvi capire che non lo è affatto: lo stiramento del reticolo spaziale causato dall'onda gravitazionale intercettata è dell'ordine di 10^-21 metri (0,000000000000000000001) cioè l'ordine di grandezza di un nucleo atomico rispetto a 4 chilometri del rilevatore, quindi tutt'altro che facile da misurare. In ogni caso gli scienziati di LIGO ci sono riusciti e con una precisione straordinaria.

Quello però su cui vorrei far riflettere è che quest'ennesimo successo nel campo della fisica sperimentale va a collocarsi come potente colonna a sostegno della teoria di Einstein, così come la scoperta del bosone di Higgs di due anni fa è stato l'ultimo puntello al modello standard delle particelle e quindi alla Meccanica Quantistica; c'è solo un problema, queste due teorie, l'una che ci svela i segreti del cosmo e l'altra che ci descrive il mondo delle particelle, sono incompatibili tra loro.
Sono diversi anni che i fisici cercano una soluzione al dilemma ed alcune strade sono state tracciate, come la gravità quantistica a loop o la teoria delle stringhe, ma rimane un profondo solco che divide la visione di un universo simile ad un tessuto calmo che si piega ed ondeggia in balia del peso delle stelle e quello di uno spazio in cui ribollono infiniti pacchetti di energia.

Sicuramente studiare un'atomo d'acqua per comprendere le maree non è la strada migliore, ma siccome il mare è fatto d'acqua prima o poi troveremo il collegamento che ci manca, la visione d'insieme che ci permetterà di vedere l'universo come un unico grande disegno.

Video che spiega le onde gravitazionali

vetro quantistico

Uno degli esempi più chiari, o forse meglio dire trasparenti, del fatto che viviamo in un mondo quantizzato (cubettolandia), è il vetro. Infatti non ci chiediamo spesso del perché il vetro lasci passare la luce mentre gli altri materiali no, ma se ci pensate è davvero un bel mistero: inoltre è impossibile immaginare un mondo senza vetro e quindi senza finestre, senza occhiali, senza cannocchiali, e chissà quante altre tecnologie basate su di esso. In realtà se ci soffermiamo su come sono fatti gli atomi che ci compongono la domanda potrebbe avere facile risposta; infatti gli atomi sono per lo più fatti di vuoto, un nucleo grosso come un oliva al centro di uno stadio, dove gli elettroni sono dei moscerini che girano impazziti sugli spalti: insomma praticamente tutto completamente vuoto. A questo punto non sembra più molto strano che luce passi attraverso la materia, se non fosse che normalmente non lo fa!! Quindi la domanda dovrebbe diventare all'incirca questa: ma perché non siamo tutti trasparenti come il vetro visto che siamo praticamente fatti di vuoto?

La risposta sta proprio nel modo in cui l'universo funziona e cioè a piccoli pacchetti; la luce è composta da quanti di energia (dei minuscoli pacchi) e gli elettroni che girano attorno al nucleo possono assorbire solo i pacchi di una determinata "dimensione". Ciò che accade è che i normali materiali che ci circondano hanno elettroni sul loro confine esterno in grado di assorbire praticamente tutti i pacchetti di cui la luce visibile è composta (tranne quelli del colore di cui ci appaiono). Il vetro invece possiede degli elettroni esterni ad uno stato energetico che non gli permette di assorbire i fotoni (così si chiamano i pacchetti) e questi passano indisturbati rendendolo trasparente alla luce visibile (ma per esempio non ai fotoni ultravioletti che invece portano pacchi delle dimensioni adeguate per essere assorbiti). Quindi se non fossimo in un modo quantizzato non potremmo guardare dalla finestra, ingrandire le immagini, guardare la televisione, giocare a biglie, guardare bene ciò che stiamo per bere, smanettare lo smartphone, andare dall'ottico, raccontare di Cenerentola, etc,  etc...

Un mondo indeterminato?

Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg è uno trai concetti della fisica quantistica ad essersi diffuso nel immaginario comune; dice che non si possono mai conoscere simultaneamente la posizione esatta e la velocità precisa di un oggetto molto piccolo. L'indeterminazione è spesso spiegata come risultato di una perturbazione in cui l'atto di misurazione della posizione di un oggetto cambia la sua velocità, o viceversa (e questo comunque accade). Invece la vera origine dell'indeterminazione è più profonda e più strabiliante. Secondo la meccanica quantistica, il Principio di Indeterminazione esiste perché tutto nell'universo si comporta sia come una particella che come un'onda. In questo quadro la posizione esatta e la velocità precisa di un oggetto non hanno senso. Per capire ciò, dobbiamo pensare a cosa significa agire come una particella o come un'onda. 

Le particelle, per definizione, esistono in un unico punto in ogni istante nel tempo e la loro natura puntiforme viene osservata quando interagiscono con altri oggetti (compresi gli strumenti di misura). Le onde sono perturbazioni che si diffondono nello spazio come le increspature sulla superficie dell'acqua. Identifichiamo chiaramente elementi dello schema dell'onda nella sua interezza, soprattutto la sua lunghezza d'onda, che è la distanza tra due picchi adiacenti, o due valli adiacenti. Ma non possiamo assegnargli una sola posizione. Ha una buona probabilità di trovarsi in molti punti diversi. La lunghezza d'onda è essenziale per la fisica quantistica: la lunghezza d'onda di un oggetto è collegata alla sua quantità di moto (cioè massa per velocità). Un oggetto piccolo che si muove veloce ha una grande quantità di moto, il che corrisponde a una lunghezza d'onda molto breve. Un oggetto pesante ha una grande quantità di moto anche quando non si muove molto velocemente, il che implica, di nuovo, una lunghezza d'onda molto breve: ecco perché non notiamo la natura ondulatoria degli oggetti quotidiani. Se lanci una palla da calcio in aria, la sua lunghezza d'onda è un miliardesimo di trilionesimo di trilionesimo di metro, decisamente troppo breve per essere rilevata. 

Invece gli oggetti microscopici, come gli atomi o gli elettroni possono avere lunghezze d'onda abbastanza grandi da essere misurate in esperimenti di fisica. Quindi, se abbiamo un'onda pura, misuriamo la sua lunghezza d'onda, e dunque la sua quantità di moto (massa X velocità), ma senza la sua posizione. Possiamo conoscere esattamente la posizione di una particella nel momento in cui la intercettiamo, ma essa non ha più una lunghezza d'onda, quindi non possiamo conoscere la sua quantità di moto. Per avere sia la posizione sia la quantità di moto di una particella dobbiamo fondere le due nature, ondulatoria e particellare, per creare un oggetto che ha le onde ma confinate in una piccola porzione di spazio. Come possiamo realizzarlo? Combinando le onde con le diverse lunghezze d'onda, il che vuol dire dare al nostro oggetto quantistico la possibilità di avere diverse quantità di moto. 

Quando sommiamo due onde, scopriamo che ci sono dei luoghi dove i picchi si allineano, creando un'onda più grande, e altri luoghi dove i picchi di una riempiono le le valli di un'altra. Il risultato sono aree dove vediamo delle onde separate da aeree di vuoto assoluto. Se aggiungiamo una terza onda, le aree dove le onde si annullano diventano più grandi, con una quarta aumentano ancora, e le aree con le onde si fanno più strette. Se continuiamo ad aggiungere onde, possiamo creare un pacchetto di onde con una ben distinta lunghezza d'onda in una piccola area.  Questo è un oggetto quantistico con una natura sia di onda sia di particella, ma per ottenere ciò, dobbiamo perdere la certezza sia della posizione sia della quantità di moto. Le posizioni non sono riconducibili ad un singolo punto. C'è una buona probabilità di trovarle all'interno di un qualche intervallo dal centro del pacchetto d'onda ed otteniamo il pacchetto d'onda sommando molte onde, il che vuol dire che c'è la probabilità di trovarla con la quantità di moto corrispondente ad una di queste. 

Sia la posizione sia la quantità di moto sono ora indeterminate, e le indeterminazioni sono connesse Se si vuole ridurre l'indeterminazione della posizione creando un pacchetto d'onda più piccolo bisogna aggiungere più onde, il che vuol dire ingrandire l'indeterminazione della quantità di moto. Se si vuole conoscere meglio la quantità di moto si necessita di un pacchetto d'onda più grande che vuol dire aumentare l'indeterminazione della posizione. Questo è il Principio di Indeterminazione di Heisenberg formulato per la prima volta dal fisico tedesco Werner Heisenberg nel 1927. Tale indeterminazione non dipende da una buona o da una cattiva misurazione, ma è il risultato inevitabile derivante dalla combinazione della natura di particella e di onda. Il Principio di Indeterminazione non è solo un limite pratico in misurazione, è un limite sulle proprietà che un oggetto può avere, insito nella struttura fondamentale dell'universo stesso: od almeno è quello che la meccanica quantistica ci descrive nella sua interpretazione più ortodossa.

Estratto da https://www.youtube.com/watch?v=TQKELOE9eY4

Coscienza e Materia 2

La filosofia nei secoli ha già affrontato il problema di cosa siano la materia, il pensiero e la coscienza e che cosa li divida; oggi si potrebbe concepire una risposta che prenda in esame le scoperte in ambito scientifico dell'ultimo secolo, tralasciando gli aspetti più spirituali e cercando un approccio molto razionale.

La materia è quello che in realtà sappiamo essere equivalente ad energia condensata, e comunque sappiamo che energia e materia sono due facce della stessa medaglia; tutto ciò che possiede massa è sicuramente materia, ma se possiede massa possiede anche l'equivalente di energia e quindi la materia è sia massa che energia. Poi esistono "oggetti" che non hanno massa come i fotoni e che sono mediatori di una forza (per i fotoni quella elettromagnetica) ma che comunque possiedono energia: di conseguenza anche questi oggetti possono essere considerati materia.

La coscienza invece è associabile ad un qualche tipo di informazione: non è a prima vista tangibile perché rappresenta uno stato della materia nello spazio, una posizione, un livello energetico  (pattern). I neuroscienziati sono però riusciti con apposite strumentazioni a misurare queste configurazioni nel cervello umano ed hanno individuato ciò che sembra essere cosciente. Non è la massa di atomi a far emergere il pensiero bensì la loro posizione e stato nello spazio. Così come la caratteristica di "umidità" emerge dall'acqua, allo stesso modo può scomparire se invece abbiamo del ghiaccio, nonostante siano sempre gli stessi atomi: è la posizione nello spazio degli atomi che fa emergere la qualità "umidità". Allo stesso modo la coscienza può emergere a causa di un particolare pattern che si crea e molti studiosi credono che tale configurazione sia indipendente dal sottostrato di materia, proprio come un software può essere eseguito su un sistema operativo differente.

Le informazioni degli schemi di pensiero possono essere codificati (rappresentati) ed il bit è la base dell'informazione binaria, quella più semplice, e per questo utilizzata dai computer; con una sequenza di bit possiamo descrivere qualsiasi pattern (quantità di massa, di energia, posizione nello spazio, proprietà quantistiche, etc...). Il bit può quindi descrivere lo stato (acceso/spento, zero/uno, +/-) di un pezzetto di materia arbitrariamente piccolo, partendo da un interruttore della luce, passando ad un relè od un transistor fino ad arrivare allo spin di un elettrone; gli stati di tutte queste forme di materia sono descritte da una serie di parametri sempre descrivibili in una sequenza di bit (0,1).

Alla materia quindi è associabile un'informazione che possiamo pensare come la rappresentazione dello stato di quel pezzo di materia nello spazio: questa informazione che descrive la materia è, in assenza di interazione, statica e cioè non vi è variazione dello stato anche per un tempo lunghissimo; un esempio di materia statica è una memoria di un computer ma anche un immagine, un atomo, etc... Se permettiamo alla materia di interagire con altra materia (massa od energia che sia) lo stato dei bit cambia dando luogo ad una sequenza di informazioni dinamiche che varia durante tutta l'interazione. 

La coscienza quindi è qualcosa di dinamico e di unico, uno schema di informazioni distribuite in un spazio in continua evoluzione e chissà se un giorno saremo in grado di farla emergere da qualcosa che non sia un essere umano.

Cubettolandia

Supponiamo esista un universo simile al gioco dei Lego, in cui il mattoncino più piccolo sia un cubetto trasparente di un millimetro per lato; mettendo assieme i cubetti si possono formare strutture complesse a piacimento perché abbiamo a disposizione un numero enorme di cubetti, quasi infinito.

A questo universo aggiungiamo anche dei cubetti luminosi (al buio è un problema giocare coi mattoncini), anch'essi in numero illimitato. 

Ci vorrebbe molto tempo ma immaginiamo di costruire un intero universo fatto di cubetti, un po' trasparenti ed un po' luminosi, dando forma a piccoli atomi, molecole, e strutture sempre più complesse, fino ad assemblare interi cubettopianeti. Quale sarebbe la caratteristica peculiare di questo universo? La prima cosa che viene in mente a noi che lo abbiamo costruito sono i cubetti, tutti identici, ma a qualcuno che lo vedesse dall'interno certo non sarebbe subito comprensibile di che cosa sia fatto. 

Per capire meglio caliamoci nella parte di una abitante di cubettolandia; siamo anche noi composti di minuscoli cubetti e tutto ciò che ci circonda e di cui disponiamo è composta da cubetti: come fare a capire di cosa siamo fatti? Bisognerebbe prima prendere un pezzetto di "materia" e poi provare a farne brandelli sempre più piccoli fino ad arrivare ai cubetti primordiali; non sarebbe un impresa facile visto che siamo composti da miliardi di miliardi di miliardi di cubetti. Con qualche strategia ed ingegno riusciamo a fare pezzi sempre più piccoli fino ad arrivare ad isolare i due cubetti, uno trasparente ed uno luminoso: avendo però sviluppato come unità di misura più piccola il cubetto (la più piccola a nostra disposizione) è impossibile capirne la vera forma cubica. Anche sparando un cubetto contro l'altro e misurando i rimbalzi (sempre con la nostra unità di misura più piccola, il cubettometro) sarebbe impossibile ricostruire la forma cubica esatta.  Mettendo vicini un cubetto trasparente ed uno luminoso capiamo almeno che uno dei due è cristallino perché si illumina anch'esso e potremmo fare delle supposizioni sul suo contenuto: il problema rimane sempre il cubettometro che non ci permetterà mai di avere misure con approssimazioni migliori e di capire fino in fondo l'essenza dei cubetti.

Questa incertezza regna in ogni universo quantizzato, cioè fatto di quanti (i cubetti), e seppure il nostro Universo lo sia ed anche in maniera molto più complessa di cubettolandia, siamo riusciti ad arrivare a conoscere così bene i cubetti che ci compongono, che (seppure con la indeterminazione intrinseca) sappiamo governare la materia a tal punto da prevederne quasi ogni suo comportamento e sfruttarlo a nostro piacimento. Chissà se un giorno sarà possibile superare con qualche colpo di genio lo scoglio del cubettometro e dell'incertezza che per ora i fisici hanno dovuto assumere come postulato e fondamenta della teoria quantistica; la realtà è che il nostro universo non è solo composto da cubetti ma che tali mattoncini sono in realtà pacchetti di energia in continua interazione gli uni con gli altri, a volte simili ad onde ed altre a palline, e che tali onde possono emergere dal vuoto senza infrangere alcuna legge fisica di conservazione.

Immaginatevi se da bambini avessimo visto crearsi dal nulla nuovi mattoncini ad ogni nostra nuova costruzione!! Sarebbe stato veramente divertente.

Immagine: lampade fatte coi lego

Storia di una goccia e del suo mare

Clop..... clop..... clop..... nel silenzio della notte riecheggia un suono regolare: clop... clop... clop... Minuscole lacrime in fuga gridano la loro libertà tuffandosi nel vuoto, clop.... clop.... clop....

Confondersi nella pozza d'acqua che vibra accogliente sotto i battiti ritmati, questa è la ricompensa per il coraggioso salto. Ogni goccia vorrebbe tornare nel suo mare.

Sempre di acqua si parla ma è utile pensare a quanto possano essere diversi una goccia ed una distesa d'acqua, e non sempre la goccia torna da dove è venuta...  Tutto ciò per illustrarvi un fenomeno che io trovo incredibile ed affascinante:

Godetevi Morgan Freeman che ve lo spiega in pochi minuti

http://www.tubechop.com/watch/6538704

Oppure

https://www.youtube.com/watch?v=fnUBaBdl0Aw

https://www.youtube.com/watch?v=nmC0ygr08tE

borse da signora e gravità

La borsa di una donna solitamente è piena di ogni sorta di oggetto, ma nonostante il suo peso viene portata a spasso elegantemente come se nulla fosse.

Quindi leggiadria femminile batte forza di gravità!!

Normalmente non ci rendiamo conto che la gravità è, tra tutte le forze presenti in natura, la più debole ed anzi ogni qualvolta ci tocchi sollevare un peso o praticare qualche attività fisica in salita si percepisce come una forza preponderante, quella più presente nelle nostre vite quotidiane.

Si tratta però solo di una percezione perché la forza elettromagnetica è immensamente maggiore della gravità, nella misura di 1 a 1000000000000000000000000000000000000; non mi è rimasto il tasto dello zero incantato, è proprio un rapporto spropositato!!

Tra l'altro siamo fortunati che le cose stiano così perché se la forza elettromagnetica fosse più debole la gravità potrebbe spiaccicarci a terra, facendoci fondere con le molecole del nostro pianeta come se fossimo brodaglia; infatti ciò che ci mantiene nella forma in cui siamo, la forza che ci tiene insieme atomo per atomo è proprio quella elettromagnetica: fortuna quindi che sia così potente.

Ma torniamo alle borse. Non significa che essendo una forza debole, la gravità non abbia degli effetti visibili (oltre naturalmente quello che ha l'enorme pianeta su di noi minuscoli esserini):

più riempiamo la borsa di oggetti pesanti e maggiore sarà il potere di attrazione che questa esercita sugli oggetti circostanti (vedi filmato). Quindi attenzione signore con i borsoni, se esagerate nel riempire, potreste creare qualche scompenso gravitazionale e chissà, attirare qualche oggetto che a sua volta cadendo nella borsa ne aumenti il peso e così via....

Esperimento di Cavendish
https://www.youtube.com/watch?v=UgWaYng2eRg

Filmato Retrò sulla gravità

https://www.youtube.com/watch?v=81BPiSKRH6o

Siamo in tempo?

Il ticchettio di un orologio che scandisce il silenzio, la lancetta dei secondi che ipnoticamente compie la sua rivoluzione: un immagine rara nell'era del digitale, eppure quelle macchine del tempo che ora sembrano antiche, creano col loro modus operandi una visione forse più esplicita di che cosa possa significare lo scorrere del tempo.

L'abbiamo ormai ripetuto tante volte: il tempo è relativo cioè non è universale. Non esiste un orologio super partes che scandisce il tempo con la stessa frequenza per me e per il pilota di un aereo o tra un villeggiante al mare ed uno in montagna; ognuno ha un proprio tempo relativo a quello degli altri, più lento o più veloce, con differenze infinitesimali per noi che abitiamo questo pianeta. 

Così quella lancetta si muoverebbe più lenta se portassimo quel vecchio orologio in un viaggio ai limiti della velocità della luce, ed è così che la lancetta va più veloce se ci troviamo in orbita, lontano dal centro gravitazionale della Terra; ma lenta o veloce rispetto a cosa se non esiste un orologio universale di riferimento? Ed ecco che assume un senso il termine "relatività"!

Quando misuriamo una velocità od un tempo è sempre rispetto a qualcuno o qualcosa, perché non esiste uno spazio od un tempo assoluto. Il fatto che viviamo confinati su di un pianeta ha reso naturale utilizzare i punti di riferimento che l'uomo aveva comodamente a disposizione: abbiamo deciso cos'è il nord ed il sud, abbiamo misurato il tempo tra un tramonto e l'altro, abbiamo stabilito che andare ai 20 km/h significa muoversi rispetto al suolo a quella velocità.

L'universo però non funziona esattamente così: se fossimo nello spazio profondo non avremmo più alto e basso, nord e sud, e se vedessimo passarci accanto un satellite non potremmo dire se siamo noi che ci stiamo muovendo verso di esso od il contrario! La mancanza di punti di riferimento ci fa capire meglio il significato di "relatività".

Per il tempo la questione è esattamente la stessa: il mio tempo sta rallentando ma rispetto al tempo di chi? La lancetta si muove più veloce ma paragonata a quale altra lancetta?

La nostra percezione di esseri coscienti non ci permette di assorbire completamente il concetto di relatività temporale perché ci siamo evoluti in un piccolo angolo di universo in cui le cose funzionano in modo assolutistico rispetto ad esso: ma c'è qualcosa di più profondo che ci è difficile esplorare.

La relatività spaziale pur non appartenendoci appieno è in qualche modo assimilabile, (almeno fino a quando non discutiamo dell'espansione dello spazio ma qui aprirei un altro capitolo), perché nello spazio ci si muove liberamente: possiamo andare e tornare da un punto all'altro, indipendentemente da ciò che può fare qualcuno che ci osservi; il tempo invece ci permette una sola direzione, dal passato al futuro. Ecco perché è difficile immaginare tutti gli orologi paralleli che viaggiano ognuno a velocità diversa verso il futuro: qualcuno arriverà prima? Il futuro di qualcuno rappresenterà il passato di qualcun'altro? C'è un orologio che va più veloce di tutti? Esiste un orologio fermo nel tempo? Insomma sembrano scaturire infiniti paradossi ai quali non sembra possibile dare risposta.

Ma ci sono domande che possono aprire uno spiraglio alla nostra comprensione: esiste il tempo senza lo spazio? E lo spazio avrebbe significato se non contenesse energia o materia?

Il tempo è un illusione, rappresenta la conseguenza dell'evoluzione dell'energia nello spazio: non esisterebbe un tempo se non esistesse una materia che è in continua interazione con se stessa e lo spazio che la circonda. Difficile immaginare il contrario ma se pensiamo al nostro orologio, alla sua lancetta immobile, alla molla scarica ed ai meccanismi fermi, forse per un attimo possiamo percepire l'assenza del tempo e se riusciamo a farlo possiamo provare anche a cogliere la relatività di quel silenzio rispetto al caos dell'universo.

L'Universo allo specchio

Una palla che girando su se stessa cade dall'alto, il rimbalzo sul pavimento con la sfera che va in direzione sinistra, un altro rimbalzo nella stessa direzione e cosi via fino all'arresto completo; un breve filmato che potremmo utilizzare per spiegare come il disordine fisico, od entropia, aumenta in modo continuo in questo universo, ed anche con un pavimento elastico ed una palla leggera, l'energia dispersa da ogni rimbalzo avrà in qualche modo aumentato il disordine di questa realtà, tanto è che la palla e destinata a fermarsi.

Ci sono pero' altri fenomeni che potremmo osservare prendendo il filmato della palla come esempio ed uno di questi riguarda la simmetria;  se ribaltiamo la pellicola possiamo riprodurla come se fosse ripresa ad uno specchio, la sinistra prende il posto della destra ma tutto procede come prima: la stessa caduta con la palla che ruota in senso opposto, lo stesso rimbalzo ma questa volta in direzione destra, l'arresto nello stesso preciso istante. Non è solo un trucco da registi perché se vogliamo possiamo riprodurre realmente lo stesso fenomeno scambiando la destra con la sinistra ottenendo lo stesso risultato del filmato, due realtà identiche ma simmetricamente opposte; in fisica si dice che la parità è rispettata e quindi che le leggi fisiche sono invarianti rispetto a traslazioni nello spazio. Per esempio eseguire un esperimento in laboratorio con un laser rivolto verso est, verso ovest, ma anche verso nord o sud deve dare sempre lo stesso risultato, e fino al 1954 praticamente tutti gli scienziati erano convinti che questa regola di invarianza valesse per qualsiasi fenomeno.

Ma continuiamo a giocare con la palla: dovremmo ormai sapere, per lo meno avendo visto o letto "Angeli e Demoni" di Dan Brown, che esiste una forma speculare di materia che è identica a quella che ci compone ma che ha cariche elettriche opposte, l'antimateria appunto, e se potessimo girare un filmato con una palla uguale alla precedente ma composta di antiparticelle, guardando il video non potremmo distinguerlo da quello originale. I fisici in questo caso dicono che le leggi fisiche sono invarianti rispetto alla carica (intendendo quella elettrica), o almeno lo potevano dire fino al 1967.

Un ultimo giochino col filmato originale: proiettiamo il video dalla fine invertendo la sequenza degli avvenimenti; osserviamo la palla che da ferma inizia a compiere rimbalzi sempre più alti fino a schizzare verso l'alto negli istanti esatti in cui cio' accadeva nella direzione corretta. Niente di strano infatti, perché di moviole al contrario ne abbiamo viste molte, anche se nella realtà riprodurre un esperimento col tempo che scorre dal futuro al passato non è possibile: si possono pero' indirettamente misurare i tempi in cui fenomeni fisici invertibili rispetto al tempo avvengono e gli studiosi dicono che le leggi della fisica sono invarianti rispetto alla direzione del tempo. Od almeno lo dicevano fino agli anni 70 ed hanno osservato il contrario nel 1998.

Ma c'è qualcosa di cui ancora oggi i fisici sono convinti? Esiste un pilastro, un fulcro rispetto il quale la simmetria ci puo' dare informazioni credibili su di un universo che predilige la sinistra o la materia rispetto alla dritta ed alla antimateria, ed in cui i fenomeni cambiano rispetto alla direzione del tempo?

Precisiamo che queste asimmetrie sono minuscole e per quanto ne sappiamo coinvolgono solo alcuni fenomeni legati alle interazioni deboli (le radiazioni) e che quindi ai nostri occhi il mondo con le sue leggi risulta molto simmetrico; sono invece proprio le asimmetrie che potrebbero spiegare il perché l'universo esista in questa forma e come mai il tempo scorra nella direzione che osserviamo.

Se in un primo tempo gli studiosi avevano creduto che almeno la simmetria composta da CP (carica+parità) potesse essere conservata hanno dovuto poi ricredersi per prendere a baluardo la simmetria CPT (carica, parità, tempo).

Tornando alla palla, rispetto alla simmetria possiamo dire ad oggi che le leggi della fisica si conservano (rispetto al nostro filmato iniziale della palla che cade) in una situazione in cui una palla di antimateria che ruota in direzione opposta viene fatta rotolare all'indietro nel tempo: semplice no!!!

Le sfere del tempo

Fin dall'antichità filosofi e studiosi hanno rappresentato il cielo come una sfera; oggi i planetari sono delle cupole sulle quali viene proiettata la volta celeste in modo che gli spettatori possano contemplare il cielo notturno anche di giorno; i corpi celesti sono per lo più sferici ed anche uno stolto, osservando l'avvento di un plenilunio, si rende conto di osservare un oggetto sferico. La sfera è una "forma" speciale nel nostro mondo tridimensionale perché la superficie rappresenta il luogo delle equidistanze: ciò che osserviamo intorno a noi può essere sempre incluso in una sfera più o meno grande, e più spingiamo lo sguardo lontano e più è naturale pensare di essere al centro di una enorme palla: forse questo è stato anche l'equivoco che ha montato la testa ai primi uomini pensanti che hanno creduto per secoli di stare al centro dell'universo.

Le sfere intorno a noi rappresentano inaspettatamente non solo la distanza a cui può spingersi il nostro sguardo ma anche lo scorrere del tempo; essendo la velocità della luce finita, tutto ciò che osserviamo (proprio attraverso alla radiazione luminosa che ci raggiunge) rappresenta un tempo trascorso. Se osserviamo oggetti a 100 metri di distanza li stiamo osservando come erano 0,000000033 secondi prima, mentre se osserviamo il sole (non fatelo mai senza un filtro apposito perché reca danni permanenti alla vista!!) lo stiamo ammirando come era 500 secondi fa.

Ci si può spingere fino a quando la vista o gli strumenti ci supportano ed arrivare a misurare una radiazione che giunge a noi da una sfera di circa 13,7 miliardi di anni fa; il problema è che quando scrutiamo il cielo è molto difficile capire a quale sfera del tempo gli oggetti appartengano. Ad esempio se osserviamo una torre in lontananza sarà difficile valutarne l'esatta distanza, ma se tra la costruzione e noi si frappone una collina più vicina, e poi un altra ed infine una casa, conoscendo le distanze di questi oggetti intermedi, potrò cercare di stimare a quale sfera del tempo appartenga la torre. Nello spazio più si guarda lontano e più è difficile avere punti di riferimento ma nonostante la ardua sfida gli astronomi negli anni hanno misurato dei particolari fenomeni (supernova tipo Ia) per poter avere delle "candele" di riferimento che si potessero usare per calcolare a quale sfera del tempo appartengano gli oggetti e le radiazioni che ci giungono dalla profondità dello spazio.

Poi c'è la radiazione di fondo, il red shift, la materia oscura, ed altri stupefacenti fenomeni che hanno aiutato gli scienziati a ricostruire non solo la mappa dell'universo ma anche la sua storia, e chi lo sa, forse anche il suo futuro (anche se non mi fiderei troppo visto gli errori che fanno nelle previsioni meteo).

Una mappa 3d di un aporzione di universo

La gravità come nessuno ve l'ha mai spiegata

Anche chi non ha mai studiato fisica ha impressa nei ricordi di scuola, l'immagine di Newton sotto l'albero, colpito sulla testa dalla mela caduta da un ramo. L'evento che storicamente non è mai accaduto, è però sintetizzante: un colpo sul cranio e quello che tutti avevano sempre avuto sotto gli occhi si tramuta in una intuizione, subito tradotta in una mirabile formula. Nella realtà, come quasi sempre capita, la scoperta era si frutto, non d'albero ma dei suoi tempi, e parallelamente altri studiosi come Robert Hooke furono sul punto di arrivare alle stesse conclusioni di Newton. La gravità universale capace di spiegare e prevedere tutto, dal movimento dei pianeti alle traiettorie dei corpi scagliati in aria, fu il primo grande successo della fisica moderna, ed è rimasta insuperata dal 1686 fino ai primi del 1900, ed in ogni caso è valida tutt'oggi se si effettuano calcoli lontano da corpi giganteschi (nei pressi del Sole la legge di Newton inizia a scricchiolare).


Nella gravità universale la accuratezza predittiva era accompagnata dalla semplicità ed eleganza della formula: nonostante ciò, qualcosa teneva sveglio Newton la notte. Il suo capolavoro matematico non descriveva la causa ed il modo in cui i corpi potevano sapere l'uno dell'esistenza dell'altro ed attrarsi con effetto istantaneo, anche se li divideva lo spazio vuoto. La forza gravitazionale mette in relazione le masse dei pianeti e degli oggetti attraverso un legame invisibile che attira i corpi più vicini e pesanti, gli uni contro gli altri: se lanciamo una palla in aria prima o poi tornerà verso la Terra ma anche la Terra torna, anche se in modo impercettibile, verso la palla; diventa invece misurabile l'attrazione che la Luna, leggermente più pesante della palla, esercita sul nostro pianeta (le maree ne sono una prova). Il mistero della comunicazione invisibile ed immediata tra i corpi rimaneva. 

Un successo forzato invece quello di Einstein, che dopo aver introdotto nel 1905 la relatività ristretta, ha dovuto rimettere mano anche alla gravitazione universale, a causa dell'incompatibilità delle due teorie, e non è stato semplice far combaciare i calcoli visto che ci sono voluti più di 10 anni. La soluzione Einstein l'ha trovata ma non solo: ha reso i risultati più precisi e soprattutto ha spiegato come le masse dei corpi contribuiscono all'attrazione nello spazio vuoto. Sono i corpi stessi che piegano lo spazio intorno ad essi, tramutando le traiettorie rettilinee in percorsi curvi e costringendo le masse piccole a cadere su quelle più grandi od in alcuni casi, se le distanze e le velocità lo permettono, ad orbitarci intorno. Gli esperimenti hanno dimostrato che il tessuto dello spazio-tempo si piega intorno agli oggetti, e più sono pesanti e più il tessuto quadridimensionale si piega fino a creare condizioni limite come i buchi neri. 

Vige quindi un principio di minima azione per cui muoversi nello spazio significa assecondare le trattorie che i corpi imprimono allo spazio stesso, simile al modo in cui se vogliamo andare per la strada più breve da Torino a New York dobbiamo percorrere una traiettoria curva sulla sfera terrestre.

Quindi, ora che l'apparente forza è stata trasformata in una caratteristica geometrica dello spazio  e del tempo, sappiamo tutto sulla gravità? Potrebbe essere, se non fosse che rimangono oscure le cause dell'interazione tra massa e spazio e soprattutto rimane impossibile unificare la relatività generale e le sue caratteristiche con la meccanica quantistica, rendendo improbabile la formulazione della Teoria del Tutto (la cosiddetta TOE, un'unica formula che racchiuda tutte le leggi dell'universo).
Forse se potessimo comprendere meglio cos'è effettivamente lo spazio vuoto potremmo anche capire come può la massa di un oggetto piegarne il tessuto e quali forze entrano in gioco visto che più la massa è grande e più lo spazio (ed il tempo) viene spostato e quindi si tratti di forze repulsive e non attrattive.

Quello che sappiamo è che lo spazio-tempo in cui siamo immersi  non è affatto vuoto ma è simile ad un fluido, anzi un superfluido, in cui si sovrappongono i vari campi corrispondenti alle forze fondamentali e che soprattutto contiene in tutta la sua estensione il campo di Higgs, il quale è l'origine della massa delle particelle. Poi partiamo con le supposizioni: quando una particella, all'origine priva di peso, ottiene la propria massa interagendo con lo spazio (e quindi con il campo di Higgs), dovrebbe continuare ad interagire con esso visto che continua ad esservi immersa: una volta acquisita la massa corretta, la particella non può continuare ad assumere peso e ciò crea una reazione intorno all'oggetto massivo che costringe lo spazio-tempo a piegarsi come se il corpo diventasse repulsivo. A sua volta anche la massa acquisita risente dell'interazione e viene mano a mano rilasciata nuovamente al campo, in un ciclo continuo ed infinito. In questo modo si potrebbe pensare all'inerzia, la caratteristica dei corpi che li trattiene dal cambiare il proprio stato di moto, come al meccanismo di continua acquisizione e perdita di massa nella direzione del tempo. Ma forse mi sto spingendo troppo avanti con la fantasia.

Il gatto di Schrödinger (per newbie)

Alcune espressioni vengono citate per atteggiarsi a conoscitori di qualche argomento scientifico o letterario e diventano virali con l'aiuto dei media che utilizzano spesso riferimenti di tipo culturale per dare maggior credito ai contenuti che propongono: ho sentito negli ultimi anni utilizzare "il gatto di Schrödinger" per titoli di serie TV, in dibattiti, sui giornali e sulla rete, ma quanti hanno veramente inteso il senso del paradosso che lo scienziato aveva pensato ispirandosi forse al suo animale da compagnia?

La meccanica quantistica si basa su alcune ipotesi che ne determinano i meccanismi di calcolo ma che vanno accettate come fondamenta solide se si crede che la teoria sia completa e cioè che descriva tutti i parametri che la natura mette in gioco per far funzionare l'universo così come lo osserviamo; tra questi parametri però non ci sono le caratteristiche che normalmente utilizziamo per descrivere un oggetto macroscopico, come posizione e velocità. La conseguenza è che gli oggetti quantistici, per la teoria, non posseggono tali caratteristiche, almeno fino a quando non andiamo ad osservarli.

Provo a fare un parallelismo utilizzando come partenza una delle teorie più conosciute ed utilizzate ancora oggi: la gravitazione universale di Newton. La famosa formula, che ha funzionato alla perfezione fino al 1916 (anno della pubblicazione della relatività generale), dice che due corpi si attraggono proporzionalmente alla loro massa (più sono pesanti e più si attraggono) ed inversamente alla loro distanza (più sono lontani e meno si attraggono) ma non descrive in alcun modo i meccanismi che stanno dietro a tale attrazione; leggendo la formula si può soltanto immaginare una forza invisibile, la gravità, che agisce su tutti i corpi dotati di massa, ma non sapendo come tale forza si propaghi nello spazio ed a che velocità lo faccia. Ebbene, pur non conoscendo questi particolari, con quella formula l'uomo ha messo in orbita satelliti, sparato missili, calcolato e previsto i movimenti dei corpi celesti, etc...

Solo con Einstein e la sua relatività abbiamo compreso alcuni meccanismi di distorsione dello spazio-tempo e reso la teoria, oltre che infallibile nei calcoli, anche comprensibile nel funzionamento.

Tornando alla meccanica quantistica proprio la sua infallibilità predittiva ha fatto pensare che le ipotesi su cui fonda fossero una perfetta descrizione del funzionamento dell'universo e che i parametri in gioco fossero esaustivi, che non mancasse nulla, insomma che fosse una teoria completa, un po' come poteva sembrare a suoi tempi la teoria di Newton (sebbene molti fisici per anni non esitarono a criticare la gravità generale per la sua "superficialità").

Vorrei ribadire quali sono queste basi fondamentali così scandalose da aver innescato uno dei dibatti scientifici più aspri e profondi nella storia della fisica. Molto semplicemente una delle ipotesi di partenza della meccanica quantistica è che non ci possano essere informazioni inerenti ad un oggetto quantistico (es. un elettrone) fino a quando non si effettui una misura su di esso: detta così potrebbe sembrare una banalità perché anche nel mondo macroscopico per conoscere alcune informazioni dobbiamo eseguire delle misure. La differenza è che, se giochiamo con una palla, possiamo chiudere gli occhi (smettere di osservare equivale a smettere di misurare) ed essere certi che la palla, se tirata nella giusta direzione, ci colpirà in faccia, mentre  nel infinitesimamente piccolo le traiettorie delle particelle proprio non esistono e quindi la particella non avrà alcuna posizione (o velocità) fino a quando non andremo ad osservarla (e solo allora potrebbe colpirci in pieno)!! O almeno così la teoria quantistica ci racconta per poter funzionare bene.

Ed il paradosso? Il povero gatto viene chiuso in una scatola insieme ad un meccanismo che innesca la fuoriuscita di veleno nel momento in cui un atomo particolare decade (emette radiazione); siccome il decadimento è un meccanismo quantistico, nessuno potrà dire (seguendo i diktat della teoria) se l'atomo è decaduto o meno fino a quando qualcuno non aprirà la scatola. Fino ad allora l'atomo sarà in una sovrapposizione di stati (sia decaduto che non decaduto) e di conseguenza anche il malcapitato felino si troverebbe in uno stato latente di "morto" e "non morto" fino all'intervento del crudele scienziato che, aprendo la scatola ed osservando (cioè misurando), potrebbe dare notizie sulla salute del gatto e sul decadimento dell'atomo. Tutto ciò risulta incomprensibile per noi che viviamo in un mondo in cui, pur non osservando continuamente la luna, conosciamo bene la sua posizione ed anche possiamo prevederne l'influenza sulle maree (anche se è nuvoloso e non possiamo goderne la visione); nel mondo quantistico le cose sembrerebbero diverse ma è pur vero che queste sovrapposizioni di stati spariscono mano a mano che gli oggetti diventato più grandi e mi sento di rassicurare tutti i possessori di gatti: il vostro gatto probabilmente è vivo a casa che vi aspetta facendo le fusa!

Coscienza e materia

Gli ominidi esistono da due milioni di anni, la vita sulla terra forse da cinque milioni. Al di là della possibilità che esistano altre civiltà aliene nell'universo, sicuramente la vita è stata la conseguenza di un evoluzione lenta e faticosa che è sfociata nel culmine attuale, apparentemente in modo casuale, apice in cui esseri senzienti scrutano il mondo e se stessi, alimentando la propria curiosità con domande sempre più profonde sulla natura che li ha partoriti e li circonda.
Questa premessa che sembrerebbe scontata, è invece indispensabile per cercare di percepire quanto ininfluenti siano stati, fino ad oggi, l'uomo e la sua coscienza nei confronti dell'evoluzione del universo, in divenire da circa 14 miliardi di anni; quello che la storia cosmologica ci insegna (rinnegato soltanto da uno sparuto gruppo di incalliti creazionisti), viene messo in discussione da alcune dottrine, incrociando temi di fisica quantistica e di metafisica, sostenendo che al centro dei fenomeni della natura c'è la coscienza umana, che con il suo sguardo implacabile cambia il corso degli eventi od addirittura in grado di creare gli eventi stessi.

Al di là del fatto che ognuno è libero di credere nella parapsicologia o all'esistenza di eventi come la psicocinesi, ciò che bisogna puntualizzare è che questi "fenomeni" non hanno giustificazioni per ora in ambito scientifico e che appoggiare una discussione su temi legati al potere della mente umana, semplicemente facendo riferimento alla meccanica quantistica, è una falsificazione di ciò che in realtà sappiamo.

Eppure gli scienziati hanno discusso per quasi un secolo dei paradossi della fisica quantistica molte volte sconfinando nelle speculazioni più incredibili, partendo dai gatti zombi (sia vivi che morti allo stesso tempo), passando appunto per il collasso della funzione d'onda ed arrivando alle teorie più articolate come quella degli infiniti universi paralleli che si creerebbero ad ogni scelta dell'osservatore. I fisici però hanno il diritto di scomodare la fantascienza, perché è il loro ambito quello di lanciare lo sguardo oltre il conosciuto, discutendo delle teorie più bizzarre, ma sempre sapendo in quanto studiosi competenti, che queste possono essere verificate o meno, ed in ultima analisi sparire senza nemmeno arrivare alla pubblicazione; meno diritti dovrebbero arrogarsi quelli che di scienza capiscono poco e saccheggiano le teorie per trovare appoggio ai loro quesiti mistici, cercando di far confluire il linguaggio scientifico in una discussione metafisica che non ha nulla a che vedere con i metodi empirici di cui la realtà fisica esige.

Una giustificazione alla confusione che la teoria quantistica ha portato in ambito interpretativo è proprio la sua perfezione predittiva: i calcoli che ne scaturiscono descrivono così bene il mondo che ci circonda che sembrerebbero il frutto di un modello teorico molto vicino ai meccanismi reali dell'universo. Quindi anche le ipotesi su cui poggia la teoria acquistarono credibilità ed il gatto contemporaneamente vivo e morto, rinchiuso nella sua scatola, aspettò incredulo pure lui, di essere "osservato" per mettere fine a quello stato imbarazzante di sovrapposizione. Mentre Einstein passava gli ultimi anni della sua vita a cercare di confutare questa reputazione di teoria completa, i risultati che di esperimento in esperimento giungevano dai laboratori di tutto il mondo sembravano smentire il genio tedesco e supportare la solidità dei principi e delle ipotesi su cui poggia la meccanica quantistica. Non dobbiamo dimenticare però che il primo sguardo, quello più ingenuo, verso una nuova scoperta lascia un imprinting notevole nella conoscenza di chi verrà dopo e sebbene negli anni siano stati fatti molti passi in direzioni diverse, rimane ancora la pietra miliare di quella che fu battezzata "interpretazione di Copenaghen" risalente al 1930 circa.

E' celebre tra i fisici il titolo ironico di una pubblicazione scientifica che intitolava all'incirca così:

Would Bohr be born if Bohm were born before Born?

Tralasciando il gioco di parole, sono stati in molti a chiedersi se quella primordiale interpretazione a cui appunto diede un grande contributo Niels Bohr, sarebbe rimasta così a lungo la più accettata, se invece altri contributi come quelli di David Bohm fossero giunti prima od avessero avuto maggior eco. Nei prossimi post proverò a riassumere i principi che stanno alla base delle diverse interpretazioni per cercare poi di capire dove le più recenti idee aprano degli spiragli nella comprensione di questo fantastico mondo delle particelle.

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

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.

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.