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

Fisica

Dal 2020 la Stazione spaziale internazionale sarà anche una meta turistica

Secondo i piani della Nasa, dal 2020 le aziende private potranno trasportare i turisti sulla Stazione spaziale internazionale. In questo modo l’agenzia spaziale spera di ridurre le enormi spese di gestione

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foto NASA

La prossima vacanza che farete? Pensateci bene, e soprattutto guardate bene il vostro portafogli, perché dal prossimo anno, nel ventaglio delle mete turistiche ci potrebbe essere anche una sorpresa spaziale. Nei giorni scorsi, infatti, la Nasa ha annunciato che dal 2020 aprirà le porte della Stazione spaziale internazionale (Iss) per attività commerciali e missioni private, ovvero ai turisti. Il costo del biglietto? Si aggirerà intorno ai 50 milioni di dollari, a cui se ne devono aggiungere altro 35mila a notte. Un prezzo astronomico, che non considera inoltre le spese per cibo, acqua e utilizzo di altre strutture della stazione spaziale, durante il soggiorno.

“La Nasa sta aprendo la Stazione Spaziale Internazionale a opportunità commerciali come mai prima”, ha riferito Jeff DeWi, il Chief Financial Officer della Nasa, in una dichiarazione fatta durante una conferenza a New York. Infatti, ci saranno, secondo i piani della Nasa, due brevi missioni private all’anno della durata di massimo 30 giorni, ha dichiarato Robyn Gatens, vice direttore della Iss, durante le quali un totale di 12 astronauti potranno visitare la parte della stazione spaziale che compete alla Nasa. Mentre le attività di ricerca scientifica dell’agenzia spaziale russa Roscosmos, europea Esa, giapponese Jaxa e canadese Csa-Asc continueranno indisturbate.

Ricordiamo che in passato l’agenzia spaziale russa aveva già dato inizio a qualche attività commerciale: per esempio, a salire sulla Iss come primo turista spaziale fu l’imprenditore statunitense Dennis Tito, che partì nel 2001 verso la stazione spaziale con un biglietto del costo di 20 milioni di dollari. Questa volta, i turisti saranno traghettati verso la stazione esclusivamente dalle due aziende statunitensi che attualmente stanno sviluppando dei “taxi spaziali”: SpaceX, con la sua capsula Crew Dragon e Boeing, con il veicolo Starliner (che dovrebbero essere pronti entro la fine di quest’anno). A entrambe le aziende, poi, sarà dato anche il compito di scegliere gli astronauti. Solamente il viaggio verso la Iss, precisiamo, costerà circa 58 milioni di dollari per un biglietto di andata e ritorno.

L’idea della Nasa è di sviluppare e incentivare il turismo spaziale nella speranza di vedere il settore privato conquistare la Iss. “Vogliamo essere presenti come inquilini, non come proprietari”, ha dichiarato l’amministratore della Nasa Jim Bridenstine ad aprile scorso. Come vi avevamo raccontato lo scorso anno, infatti, l’amministrazione di Trump sta cercando di privatizzare la parte statunitense della Iss, mettendo fine ai finanziamenti federali per la stazione dal 2024, anno in cui finirà teoricamente il piano di sovvenzione pubblica alla Iss. Da quell’anno, il governo statunitense potrebbe avviare un piano per vendere la stazione a privati. “La decisione di mettere fine al sostegno federale alla Iss nel 2024non significa che la piattaforma stessa sarà messa fuori orbita in quel momento, è possibile che l’industria possa continuare a gestire determinati elementi o funzionalità dell’Iss come parte di una futura piattaforma commerciale, aveva riferito la Nasa.





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Una scoperta matematica grazie a The Big Bang Theory

Un’affermazione di Sheldon Cooper in un episodio della popolare serie televisiva ha dato da pensare ai teorici dei numeri… e li ha portati a scoprire una nuova proprietà dei numeri primi

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© Photomovie

Il 73° episodio della sitcom statunitense The Big Bang Theory è da tempo considerato speciale dai matematici. “Qual è il numero migliore?”, chiede a un certo punto Sheldon Cooper. “È il 73”, si risponde da solo il fisico, geniale ma inetto nella vita quotidiana.

Il ragionamento di Sheldon è un invito a nozze per gli appassionati di numeri: “Il 73 è il 21° dei numeri primi. Il suo speculare, il 37, è il 12°, e il suo speculare, il 21, è il prodotto – e qui vi consiglio di reggervi forte – di 7 per 3”. L’osservazione fa solo ridere gli altri personaggi della serie e molti spettatori, ma ha dato da pensare ai matematici professionisti: ci sono altri “numeri primi di Sheldon” che hanno le stesse proprietà?

Insieme al collega Christopher Spicer del Morningside College, in Iowa, il teorico dei numeri Carl Pomerance del Dartmouth College, nel New Hampshire, ora ha trovato una risposta: 73 è in realtà l’unico numero primo che soddisfi i criteri stabiliti da Sheldon, scrivono i ricercatori in un articolo uscito di recente su “American Mathematical Monthly”.

Nel 2015, qualche tempo dopo la trasmissione di quell’episodio di The Big Bang Theory, Spicer, insieme a due colleghi, ha dato una definizione formale: un numero pn è un numero primo di Sheldon se è l’n-esimo numero primo e se è il prodotto delle cifre di n e se il numero riflesso specularmente rev(pn) è il rev(n)-esimo numero primo prev(n). Per dirla in modo un po’ più comprensibile, vuol dire che per il xyz-esimo numero primo abcd deve valere che a · b · c · d = xyz e, inoltre, che dcba è lo zyx-esimo numero primo. Quando i tre ricercatori hanno esaminato se qualcuno dei primi dieci milioni di numeri primi soddisfacesse queste proprietà, hanno scoperto che l’unico era il 73. Hanno quindi formulato la congettura che ci fosse un unico primo di Sheldon.

La dimostrazione completa data da Pomerance e Spicer ha richiesto ancora qualche anno. In una prima fase i due matematici hanno dimostrato che non può esistere un primo di Sheldon maggiore di 1045. Sono giunti a questa conclusione grazie al noto teorema dei numeri primi risalente al 1896, che dà il minimo numero di numeri primi contenuti in un dato intervallo di numeri. La condizione che il prodotto di tutte le cifre di un primo di Sheldon pn dia il numero n non può valere per numeri che siano maggiori di 1045. In questo caso, infatti, per il il teorema dei numeri primi il numero n dei numeri primi contenuti nell’intervallo [2, pn], è sempre maggiore del prodotto delle cifre di pn.

Questo passaggio è il punto cruciale dell’articolo. Anche se 1045 è un numero di grandezza inimmaginabile grande, è comunque un numero finito e quindi in teoria è possibile passare in rassegna sistematicamente tutti i numeri primi tra 2 e 1045 con un computer per cercare altri numeri primi di Sheldon. Certo, anche qui serve qualche trucco: far girare un algoritmo su numeri con 45 cifre rappresenta una sfida anche per il miglior hardware. Quindi Pomerance e Spicer hanno limitato ancor più gli aspiranti primi di Sheldon facendo uso delle proprietà richieste e usando delle formule di approssimazione per trovare con un integrale un valore approssimato di numeri primi enormi; così facendo hanno progressivamente escluso i vari possibili primi di Sheldon, fino a far rimanere solo il 73.

David Saltzberg, consulente scientifico di The Big Bang Theory, venuto a sapere della dimostrazione trovata dai due matematici, ha deciso di render loro omaggio in un episodio andato in onda nell’aprile 2019: in una scena si vede sullo fondo una lavagna con dettagli dei calcoli dall’articolo di Pomerance e Spicer. Come riferisce un comunicato del Dartmouth College, Pomerance ha esclamato: “È come uno spettacolo nello spettacolo”. “Non ha nulla a che fare con la trama dell’episodio e si vede a malapena sullo sfondo. Ma se uno sa che cosa cercare, ecco il nostro articolo!”


L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Spektrum.de” il 17 maggio 2019





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Fisica

Com’è Space Rider, il prossimo “accessorio” a salire a bordo di un razzo Vega

Un laboratorio orbitante che, una volta esaurito il suo scopo, può rientrare a Terra senza inquinare il cosmo. Il suo funzionamento, spiegato in un’animazione

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Potremmo definirlo il coltellino svizzero delle prossime missioni di esplorazione spaziale. Si chiama Space Rider e consiste in un insieme di dispositivi fatti apposta per lavorare nelle basse orbite, e quindi attorno alla Terra, come un vero e proprio laboratorio multifunzione in condizioni di microgravità.

Montato sui razzi Vega, i lanciatori di ultimissima generazione che portano i orbita i satelliti, il sistema è progettato per tornare al suolo dopo ogni missione, ed è quindi riutilizzabile e non produce spazzatura spaziale. Nel video possiamo scoprire com’è fatto da vicino.





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