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Fisica

Che cosa dice veramente sulla realtà la teoria quantistica?

A quasi un secolo dalla formulazione della teoria quantistica, fisici e filosofi non sanno ancora dare una risposta a questa domanda. Ma si continuano a condurre esperimenti per capire qualcosa di più sulle sue leggi spesso paradossali e sul confine tra il mondo microscopico e quello macroscopico

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Per essere una dimostrazione in grado di ribaltare le grandi idee di Isaac Newton sulla natura della luce, era incredibilmente semplice. “Può essere ripetuto con grande facilità, ovunque splenda il Sole”, disse il fisico inglese Thomas Young ai membri della Royal Society di Londra nel novembre del 1803, descrivendo l’esperimento oggi noto come esperimento della doppia fenditura.
Young non era melodrammatico. Aveva ideato un esperimento elegante e relativamente semplice per mostrare la natura ondulatoria della luce, e così facendo aveva confutato la teoria di Newton che la luce fosse fatta di corpuscoli, o particelle.

Ma la nascita della fisica quantistica nei primi anni del 1900 chiarì che la luce è composta da unità minuscole, indivisibili, o quanti, di energia, che noi chiamiamo fotoni.

L’esperimento di Young, quando viene effettuato con singoli fotoni o anche singole particelle di materia, come elettroni e neutroni, è un enigma su cui riflettere, poiché solleva domande fondamentali sulla natura stessa della realtà. Alcuni l’hanno perfino usato per sostenere che il mondo quantistico è influenzato dalla coscienza umana, dando alle nostre menti un ruolo e una collocazione nell’ontologia dell’universo. Ma quel semplice esperimento fa davvero una cosa del genere?

Nella moderna forma quantistica, l’esperimento di Young consiste nell’inviare singole particelle di luce o materia verso due fessure o aperture praticate in una barriera per il resto opaca. Dall’altro lato della barriera c’è uno schermo che registra l’arrivo delle particelle (per esempio, una lastra fotografica nel caso dei fotoni).

Il buon senso porta ad aspettarci che i fotoni passino attraverso una o l’altra delle fenditure, accumulandosi dietro ciascuna di esse.

Invece non lo fanno.

Al contrario, vanno verso alcune parti dello schermo e ne evitano altre, creando bande alternate di luce e di buio. Queste cosiddette frange di interferenza sono del tipo che si ottiene quando due insiemi di onde si sovrappongono. Quando le creste di un’onda si allineano con le creste di un’altra, si ottiene un’interferenza costruttiva (bande luminose), e quando si allineano con gli avvallamenti si ottiene un’interferenza distruttiva (buio).

Ma c’è solo un fotone che attraversa l’apparecchiatura in ogni dato momento. È come se il fotone stesse attraversando entrambe le fessure contemporaneamente, interferendo con se stesso. E questo non ha senso nella fisica classica.

Dal punto di vista matematico, tuttavia, ciò che attraversa entrambe le fessure non è una particella fisica o un’onda fisica, ma una cosa chiamata funzione d’onda, una funzione matematica astratta che rappresenta lo stato del fotone (in questo caso la sua posizione).

La funzione d’onda si comporta come un’onda che investe le due fenditure; nuove onde generate da ogni fenditura sul lato opposto si propagano e alla fine interferiscono l’una con l’altra. La funzione d’onda combinata può essere usata per calcolare le probabilità di dove potrebbe trovarsi il fotone.

Il fotone ha un’alta probabilità di trovarsi dove le due funzioni d’onda interferiscono costruttivamente e una bassa probabilità di trovarsi in regioni d’interferenza distruttiva. Si dice che la misurazione – questo caso l’interazione della funzione d’onda con la lastra fotografica – fa “collassare” la funzione d’onda, che passa dall’essere diffusa prima della misurazione all’essere concentrata in uno dei punti in cui il fotone si materializza dopo la misurazione.

Questo apparente collasso indotto dalla misurazione della funzione d’onda è la fonte di molte difficoltà concettuali nella meccanica quantistica. Prima del collasso, non c’è modo di dire con certezza dove inciderà il fotone: potrà apparire in uno qualsiasi dei punti di probabilità diversa da zero. Non c’è modo di seguire la traiettoria del fotone dalla sorgente al rivelatore. Il fotone non è reale nel senso in cui è reale un aereo che vola da San Francisco a New York.

Werner Heisenberg, tra gli altri, interpretò questa matematica sostenendo che la realtà non esiste fino a che non viene osservata. “L’idea di un mondo reale oggettivo le cui parti più piccole esistono oggettivamente nello stesso senso in cui esistono le pietre o gli alberi, indipendentemente dal fatto che le osserviamo o meno … è impossibile”, ha scritto.

Anche John Wheeler ha usato una variante dell’esperimento della doppia fenditura per sostenere che “nessun fenomeno quantistico elementare è un fenomeno fino a quando non si tratta di un fenomeno registrato (“osservato”, “registrato in modo indelebile”)”

Illustrazione dell'esperimento di Young

Illustrazione dell’esperimento di Young della doppia fenditura (Credit: Alexandre Gondran Wikimedia (CC BY-SA 4.0)

Ma la teoria quantistica non è del tutto chiara su che cosa costituisca una “misurazione”. Postula che il dispositivo di misurazione debba essere classico, senza definire dove sia il confine tra classico e quantistico, lasciando così la porta aperta a chi pensa che per il collasso debba essere invocata la coscienza umana.

Lo scorso maggio, Henry Stapp e colleghi hanno sostenuto  che l’esperimento della doppia fenditura e le sue varianti moderne forniscono la prova che “un osservatore consapevole potrebbe essere indispensabile” per dare un senso al regno quantistico e che una mente transpersonale è alla base del mondo materiale.

Ma quegli esperimenti non costituiscono una prova empirica di tali affermazioni. Nell’esperimento della doppia fenditura con singoli fotoni, tutto ciò che si può fare è verificare le previsioni probabilistiche della matematica. Se le probabilità sono confermate nel corso dell’invio di decine di migliaia di fotoni identici attraverso la doppia fenditura, la teoria afferma che la funzione d’onda di ciascun fotone è collassata, grazie a un processo mal definito chiamato misurazione. È tutto.

Ci sono anche altri modi d’interpretare l’esperimento della doppia fenditura.

Per esempio, la teoria di de Broglie-Bohm afferma che la realtà è sia ondulatoria sia particellare. Un fotone si dirige verso la doppia fenditura con una posizione definita in ogni momento e attraversa una fenditura o l’altra; quindi ogni fotone ha una traiettoria. Il fotone sta “cavalcando” un’onda pilota, che attraversa entrambe le fenditure e produce l’interferenza: viene quindi guidato in una posizione d’interferenza costruttiva.

Nel 1979, Chris Dewdney e colleghi del Birkbeck College di Londra simularono la previsione della teoria per le traiettorie di particelle che attraversavano la doppia fenditura.

Nell’ultimo decennio, i fisici sperimentali hanno verificato che tali traiettorie esistono, anche se hanno utilizzato una tecnica controversa chiamata misurazione debole. Nonostante le controversie, gli esperimenti mostrano che la teoria di de Broglie-Bohm è ancora in corsa come spiegazione del comportamento del mondo quantistico. Cruciale il fatto che la teoria non ha bisogno di osservatori né di misurazioni né di una coscienza non-materiale.

E nemmeno ne hanno bisogno le cosiddette teorie del collasso, che sostengono che le funzioni d’onda collassano in modo casuale: quanto più è elevato il numero di particelle nel sistema quantistico, tanto più è probabile il collasso. Gli osservatori si limitano a scoprire il risultato.

Il gruppo di Markus Arndt dell’Università di Vienna, in Austria, ha testato queste teorie inviando molecole sempre più grandi attraverso la doppia fenditura.

Le teorie del collasso prevedono che, quando hanno masse che superano una certa soglia, le particelle di materia non possano rimanere in una sovrapposizione quantistica e così attraversare entrambe le fenditure contemporaneamente: ciò distruggerà la figura d’interferenza. Il gruppo di Arndt ha inviato una molecola con oltre 800 atomi attraverso la doppia fenditura e ha continuato a vedere interferenze. La ricerca della soglia continua.

Werner Heisenberg (!901-1976) in un ritratto d’epoca (Wikimedia Commons)

Roger Penrose ha una sua versione di una teoria del collasso, nella quale quanto più è massiccio l’oggetto in sovrapposizione, tanto più velocemente collasserà in uno stato o nell’altro, a causa delle instabilità gravitazionali. Ancora una volta, si tratta di una teoria indipendente dall’osservatore. Non è necessaria alcuna consapevolezza. Dirk Bouwmeester dell’Università della California a Santa Barbara, sta testando l’idea di Penrose con una versione dell’esperimento a doppia fenditura.

Concettualmente, l’idea è non solo di mettere un fotone in una sovrapposizione di stati in modo che passi attraverso due fenditure contemporaneamente, ma anche di porre una delle fenditure in una sovrapposizione di due posizioni contemporanee.

Secondo Penrose, la fessura dislocata rimarrà in sovrapposizione o collasserà mentre il fotone è in volo, portando a diversi tipi di schemi di interferenza. Il collasso dipenderà dalla massa delle fenditure. Bouwmeester ha lavorato a questo esperimento per un decennio e potrebbe presto essere in grado di verificare o confutare le affermazioni di Penrose.

Se non altro, questi esperimenti stanno dimostrando che non possiamo ancora fare affermazioni sulla natura della realtà, anche se sono ben motivate matematicamente o filosoficamente. E dato che neuroscienziati e filosofi della mente non sono d’accordo sulla natura della coscienza, affermare che essa fa collassare le funzioni d’onda è prematuro, nella migliore delle ipotesi, e fuorviante e scorretto nel peggiore dei casi.

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le Scienze

Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Fisica

Open access, 800 scienziati protestano

Pur sostenendo l’importanza dell’open access, ben 800 scienziati sono contrari al piano S, da poco sottoscritto da 11 paesi, per rendere open tutti i paper. Ecco perché

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Open access sì o no? Se ci fosse un referendum, ben 800 scienziati, pur favorevoli all’apertura e alla gratuità dei paper scientifici per tutti, voterebbero no. Come mai? Perché contestano alcune linee di un piano, detto piano S da poco proposto e sottoscritto da diverse istituzioni scientifiche di 11 paesi europei. L’obiettivo del piano è quello di rendere open access tutte le pubblicazioni di ricerche finanziate da enti pubblici. Varato agli inizi di settembre 2018 da diverse nazioni, inclusa l’Italia, il piano S entrerebbe in vigore dal 1° gennaio 2020. Oggi, quasi mille scienziaticontrari a questo progetto hanno divulgato una lettera, o meglio una open letter, in cui spiegano le ragioni per cui secondo loro è estremo e troppo rischioso.

Dopo essere stato emanato, questo piano ha aperto un ampio dibattito e molti ricercatori sono scettici. Nella lettera aperta gli 800 firmatarisupportano l’idea di un mondo open access ma disapprovano il piano S perché troppo pericoloso.

Il focus centrale della lettera riguarda le riviste che seguono il modello ibrido di pubblicazione (che sono la maggior parte), ovvero per cui parte dei contenuti sono open access e parte a pagamento. Tali riviste guadagnano e si sostengono sia tramite gli abbonamenti dei lettori sia attraverso le tariffa per la pubblicazione, la cosiddetta pubblication fee, a carico dell’autore o dell’istituzione per cui lavora, per rendere l’articolo immediatamente accessibile.

Nell’ipotesi che il piano S entri in vigore, si legge nella lettera, potrebbe anche accadere che venga vietato l’accesso alle riviste non open access (e così la possibilità di pubblicarvi), che rappresentano più dell’85% dei giornali prestigiosi e accreditati, collegati a importanti società scientifiche.

Insomma, si perderebbe in qualità, dato che queste riviste si basano su sistemi di peer-review molto rigorosi.

Inoltre, il mondo si spaccherebbe in due, gli scienziati e le istituzioni che aderiscono e quelli che non aderiscono al piano: come comunicherebbero queste due comunità scientifiche? Senza dimenticare che gli autori hanno il diritto, si legge nella open letter, di scegliere dove pubblicare e le modalità con cui rendere i loro articoli open access, libertà che verrebbe a mancare col piano S. Altro aspetto da non sottovalutare, secondo gli 800 firmatari, riguarda il fatto che non tutte le discipline scientifiche sono uguali: ne verrebbe danneggiata soprattutto la chimica. Senza dimenticare che anche Nature e Science rientrano in un modello di pubblicazione che potrebbe essere vietato dal piano S.

In un articolo sulle pagine di ScienceRobert-Jan Smits, inviato per la Commissione europea a Bruxelles sul tema dell’open access e fra i creatori del piano S, ha affermato di avere enorme rispetto per il lavoro delle prestigiose società scientifiche ma di mostrare tolleranza zero rispetto ad alcune tariffe per la sottoscrizione, che ha definito “oltraggiose”. Secondo il piano S, al contrario, sono i finanziatori (autori e istituzioni) a dover sostenere i costi della pubblication fee: questo secondo gli 800 firmatari rappresenta un regalo alle pubblicazioni più che ai lettori. Sempre su Science, la biologa Lynn Kamerlin dell’Uppsala University in Sweden, una degli 800 firmatari contro il piano S, sottolinea che questa scelta può spingere le riviste ad aumentare la quantità delle pubblicazioni a discapito della qualità. La discussione rimane aperta e Smits non molla la presa, sottolineando che i dettagli dei 10 brevi punti del piano S verranno spiegati a breve e saranno consultabili da tutti.

Quello dell’open access è un tema molto sentito in Italia, non solo in termini di pubblicazioni ma anche in televisione: il Movimento 5 stelle hanno appena chiesto attraverso una proposta di legge di Luigi Gallo l’istituzione di una Commissione per un accesso aperto all’informazione scientifica nel servizio televisivo (non senza polemiche).

 
  

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Fisica

Conduttori di telegiornali dotati di intelligenza artificiale

Mosso da algoritmi di intelligenza artificiale, l’anchorman verrà impiegato per leggere le ultime notizie in arrivo dall’agenzia sui propri canali web

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C’è un nuovo reporter nell’agenzia di stampa di stato cinese Xinhua: un anchorman che potrebbe presto fare le scarpe a molti colleghi ma che nl contempo non è neppure reale: un avatar digitale sviluppato dal motore di ricerca Sogou e mosso da algoritmi di intelligenza artificiale scandirà le principali news del giorno. Lo ha annunciato la stessa Xinhua senza però rendere noto il nome assegnato al personaggio, che si occuperà insieme ad altri colleghi virtuali di leggere le notizie fornite dall’agenzia.

Il Mentana digitale e i suoi futuri colleghi non sono sicuramente i primi anchorman virtuali in rete, ma la tecnica con la quale sono stati realizzati è qualcosa di relativamente recente. L’agenzia ha infatti impiegato come base le registrazioni di annunciatori in carne e ossa, per poi realizzare in modo separato le animazioni necessarie ai movimenti della bocca e delle altre parti del viso, per donare al personaggio una mimica facciale credibile.  Il parlato arriva invece da un motore di sintesi vocale simile a quelli utilizzati per i comuni assistenti vocali come Alexa o l’Assistente Google, che legge un semplice copione scritto — almeno per il momento — da redattori umani.

Le due tecniche vengono usate in tandem, fuse insieme da un terzo sistema che si occupa di sincronizzare il parlato con il labiale e le espressioni facciali dell’annunciatore.

 

 

Il risultato è impressionante per il realismo visivo, ma molto meno sotto gli altri punti di vista. Al di là del fatto che il timbro e l’intonazione rimangono palesemente sintetici, gli avatar non possono improvvisare, approfondire, commentare e neppure variare di troppo le espressioni.

 
  

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Facebook mette al lavoro l’intelligenza artificiale contro gli abusi di minori sui social

Facebook introduce l’utilizzo di nuove tecnologie per garantire la sicurezza dei bambini sul social e per prevenirne l’abuso

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Facebook rafforza gli strumenti di controllo online per prevenire e impedire abusi sui minori e scovare e denunciare contenuti pedopornografici. “Una delle nostre più importanti responsabilità è mantenere i bambini al sicuro su Facebook. Non tolleriamo alcun comportamento o contenuto che li sfrutti online e sviluppiamo programmi di sicurezza e risorse educative con più di 400 organizzazioni in tutto il mondo per contribuire a rendere Internet un posto più sicuro per i bambini”, scrive la responsabile globale sicurezza, Antigone Davis, nel messaggio con cui fa il punto sul lavoro del social network nel campo della tutela dei minori.

Preventing Child Exploitation

Posted by Facebook on Tuesday, October 23, 2018

 

“Per anni il nostro lavoro ha incluso l’uso della tecnologia di abbinamento fotografico per impedire alle persone di condividere immagini di sfruttamento minorile, segnalando violazioni al Centro nazionale per bambini scomparsi e sfruttati (Ncmec), richiedendo minimo 13 anni di età per utilizzare i nostri servizi e limitando le persone con cui i ragazzi possono interagire dopo essersi registrati

”, aggiunge Davis.

Oltre alla tecnologia di abbinamento fotografico, Facebook sta utilizzando un’intelligenza artificiale con apprendimento automatico per rilevare in modo proattivo immagini di bambini nudi e contenuti che abusano dei minori, che prima non venivano scoperti. Questa tecnologia viene impiegata per identificare più rapidamente questi contenuti e segnalarli alle autorità. In aggiunge consente di trovare account che effettuano interazioni potenzialmente inappropriate con i bambini su Facebook, in modo da rimuoverli ed evitare forme di abuso o violenza.

La stretta di Facebook sui contenuti che coinvolgono i bambini si applica anche a contenuti che non hanno risvolti violenti ma che, se cadessero nelle mani sbagliate, potrebbero essere potenzialmente sensibili. La Davis, per esempio, cita le foto di un neonato durante il bagnetto. Con questo approccio nell’ultimo trimestre sono stati rimossi 8,7 milioni di contenuti da Facebook che hanno violato la nudità infantile.

Il mese prossimo, Facebook si unirà a Microsoft e ad altri partner del settore per iniziare a costruire strumenti per le aziende più piccole atti a prevenire l’abuso dei bambini online

 
  

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10/14/2013

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