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Fisica

Che cos’è la meccanica quantistica

La meccanica quantistica, o teoria dei quanti, è una teoria che i suoi stessi creatori non capivano pienamente, ma che si è rivelata l’unica capace di spiegare il comportamento della materia nel mondo microscopico.

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Nel cuore della materia c’è un mondo immenso, composto da miliardi e miliardi di particelle, che sfugge ai nostri sensi e alla nostra intuizione. Un mondo in cui non valgono le leggi fisiche usuali, ma quelle più complicate e “misteriose” della meccanica quantistica, una teoria così paradossale da stupire gli stessi scienziati che l’hanno inventata. «Nessuno la comprende davvero» ha detto nel 1965 Richard Feynman, uno dei fisici più brillanti della sua generazione.

AFFASCINANTE. Eppure questa teoria funziona, perché descrive il mondo degli atomi e delle molecole con precisione impeccabile. E ha moltissime applicazioni, dai laser alla risonanza magnetica. Anzi, si sospetta che siano alcuni fenomeni ad essa collegati, come l’effetto tunnel, a rendere possibile la fotosintesi e quindi la vita.

Non solo, la meccanica quantistica, per le sue caratteristiche quasi “magiche”, da sempre affascina filosofi e scienziati. E oggi sta entrando nella nostra cultura “quotidiana”, ispirando anche libri, film e opere d’arte. Ma che cos’è davvero questa teoria? E perché è così importante? Andiamo con ordine.

PARTICELLE MIRACOLO. Onde che si comportano come particelle, particelle che oltrepassano le barriere come fantasmi o che comunicano tra loro in modo “telepatico”… È questo lo strano mondo che gli scienziati si sono trovati di fronte quando hanno scoperto la meccanica quantistica.

Una delle caratteristiche principali di questa teoria è la quantizzazione. Cioè il fatto che, nel mondo microscopico, le quantità fisiche come l’energia non possono essere scambiate in modo “continuo”, come un flusso d’acqua del rubinetto che si può dosare a piacere, ma attraverso “pacchetti” detti “quanti”… come acqua contenuta in bicchieri o bottiglie dal volume prefissato. In virtù di questa proprietà, la luce è composta da corpuscoli di energia detti “fotoni”; e anche gli atomi possono assorbire questa energia soltanto a pacchetti: un atomo, per esempio, può assorbire o emettere 1 o 2 o 3 o più fotoni, ma non 2,7 fotoni o mezzo fotone.

È quello che avviene nell’effetto fotoelettrico, in base al quale un metallo colpito dal giusto tipo di luce produce elettricità: questo fenomeno, scoperto alla fine dell’800 e spiegato nel 1905 da Einstein, è alla base del funzionamento dei moderni pannelli fotovoltaici.

ONDA O PARTICELLA? La seconda “stranezza” della meccanica quantistica è il fatto che – come Giano Bifronte – tutte le particelle hanno una doppia natura: «In alcuni esperimenti si comportano come corpuscoli, in altri come onde» spiega Giancarlo Ghirardi, professore emerito di fisica all’Università di Trieste. «Un esperimento che mostra la natura ondulatoria degli elettroni è quello della doppia fenditura: si pone uno schermo sensibile di fronte a una doppia fenditura e si osserva che gli elettroni impressionano la lastra formando frange di interferenza, proprio come fa la luce (vedi disegno qui sotto). Altri esperimenti dimostrano invece che gli elettroni sono particelle».

fisica quantistica

Onda o particella? La luce passa da una fenditura, poi ne incontra altre due. Le onde interferiscono tra loro, creando chiazze alternate di luce e buio; se fossero particelle, ci sarebbe luce solo in A e in B. Con un fascio di elettroni accade la stessa identica cosa. Eppure, con altri esperimenti, si dimostra che gli elettroni sono particelle. Ecco perché si parla di “dualismo onda-particella”.

IMPREVEDIBILE. La fisica classica è “prevedibile”: permette di calcolare con precisione la traiettoria di un proiettile o di un pianeta. Nella meccanica quantistica, invece, quanto più precisamente si conosce la posizione di una particella, tanto più incerta diventa la sua velocità (e viceversa).

Lo dice il principio di indeterminazione, formulato nel 1927 dal fisico tedesco Werner Heisenberg. Quindi, se vogliamo descrivere il comportamento di un elettrone in un atomo, possiamo solo affermare che è localizzato in una nube intorno al nucleo, e la meccanica quantistica ci indica la probabilità che, effettuando una misura, l’elettrone si trovi in un certo punto. Prima della misura, lo stato dell’elettrone è descritto dall’insieme di tutti i possibili risultati: si parla quindi di sovrapposizione degli stati quantistici. Nel momento della misura, l’elettrone “collassa” in un singolo stato. Questo principio ha un risvolto concettuale importante: in un certo senso, con i loro strumenti di misura, gli scienziati intervengono nella creazione della realtà che stanno studiando.

COME FANTASMI. Un altro fenomeno quantistico bizzarro è l’effetto tunnel, cioè il fatto che le particelle possano superare una barriera come un fantasma passa attraverso un muro. «È così che si spiega il decadimento delle sostanze radioattive» dice Ghirardi. «La radiazione emessa da questi materiali, infatti, è costituita da particelle che superano una barriera energetica all’interno dei nuclei».

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Un esperimento di propagazione della luce a velocità 4,7 volte superiore rispetto a quella nel vuoto (ma senza violare la relatività di Einsein), un fenomeno reso possibile dalla propagazione attraverso una barriera energetica (effetto tunnel).

INTRECCI LUMINOSI. Tutto ciò è già abbastanza strano. Ma il fenomeno più curioso è l’entanglement (“intreccio”). Immaginiamo di prendere due fotoni in una “sovrapposizione di stati” – possiamo pensarli come monete che girano all’infinito, mostrando entrambe le facce (testa o croce) – e di sottoporli all’entanglement, per poi portarli ai lati opposti dell’universo.

Secondo la meccanica quantistica, se effettuiamo una misura su uno dei due, e otteniamo per esempio testa, anche l’altra moneta, istantaneamente, cessa di trovarsi in uno stato indeterminato: se la misuriamo (dopo un secondo o dopo un secolo) siamo sicuri che il risultato sarà testa. Le due particelle sono come in… contatto telepatico. Assurdo? No, entanglement!

COME STAR TREKQuesta caratteristica sorprendente si può usare per realizzare il teletrasporto quantistico (vedi gallery qui sotto). «Supponiamo di voler trasferire da un punto A a un punto B un fotone identificato dal suo stato di polarizzazione» dice Ghirardi. «Per farlo bisogna disporre, oltre al fotone da teletrasportare, di due fotoni entangled, uno in A e l’altro in B. Poi si fa interagire il fotone da teletrasportare con il primo fotone entangled (quello in A) e si comunica all’osservatore in B l’esito dell’operazione, e così facendo gli si indica come deve manipolare il secondo fotone entangled per ottenere una copia identica del fotone di partenza».

In pratica, le informazioni del fotone di partenza sono trasferite in B grazie all’intermediazione dei fotoni intrecciati: in realtà si tratta di un trasferimento di informazioni, più che di un trasferimento di materia come quello di Star Trek.

 

Galleria

 

È per questo che il teletrasporto interessa soprattutto agli scienziati che studiano i computer quantistici del futuro. Computer, cioè, in cui sono elaborati qubit  invece dei “bit” (sequenze di “0” e “1”) dell’informatica tradizionale: il vantaggio è che i qubit consentono di svolgere in breve tempo, “in parallelo”, operazioni che ai computer tradizionali richiederebbero anni. Così, con un numero “n” di qubit, la quantità di strade di calcolo che possono essere intraprese contemporaneamente è pari a 2N, cioè 2x2x2… x2, n volte: con meno di 300 qubit si supererebbe il numero di particelle dell’intero universo. Finora, però, si riescono a manipolare solo pochi qubit, e con grande difficoltà: il “magico” mondo dei computer quantistici è tutto da esplorare.

Più di recente, 2 fisici dell’Università del Queensland (Australia) hanno ideato perfino il teletrasporto “temporale”, applicando l’entanglement al tempo anziché allo spazio, sempre con l’obiettivo di rendere possibili calcoli complessi. Ma, se funzionasse, sarebbe il primo vero esempio di macchina del tempo, sebbene un po’ diversa da come la fantascienza l’ha sempre immaginata.

fisica quantistica
29 persone (una sola donna, Marie Curie), 17 erano o sarebbero diventati premi Nobel, per la fisica o la chimica. Sono i partecipanti alla V Conferenza Solvay, dedicata ufficialmente a elettroni e protoni, ma che in realtà ospitò il primo grande dibattito sulla fisica quantistica, mettendo a confronto i sostenitori dell’interpretazione della meccanica quantistica secondo la scuola di Copenhagen e un nutrito gruppo di scettici che non credeva nella sua natura intrinsecamente probabilistica. I primi avevano come leader indiscusso Bohr e i secondi erano rappresentati da Einstein. I due scienziati si contrapposero a colpi di esperimenti mentali (Gedankenexperimente). Sono entrate nella leggenda le animate discussioni che iniziavano già durante la colazione del mattino, quando Einstein proponeva un esperimento mentale all’attenzione di Bohr, il quale poi passava la giornata a trovare una spiegazione che rientrasse nei canoni della meccanica quantistica.

I QUANTI NELLA FILOSOFIA E NELLA CULTURA. La meccanica quantistica però non è soltanto strana e complicata. Ci costringe anche a rivedere gli schemi mentali ai quali siamo abituati, mettendo alla prova le nostre convinzioni e offrendo nuove risposte alle domande che i filosofi si pongono da millenni. Ecco alcuni esempi.

IL DESTINO È PREVEDIBILE?

Come dimenticare, per esempio, le punizioni di Maradona? Le traiettorie impresse al pallone erano un mirabile incontro di sport e fisica. Tuttavia, se un ipotetico “Pibe de oro” quantistico si trovasse tra i piedi un elettrone, non riuscirebbe a calciarlo con la stessa precisione. Quel “pallone”, infatti, non seguirebbe la logica deterministica di tiro-gol.

Grazie al principio della sovrapposizione di stati, infatti, potrebbe essere in qualunque punto del campo, diffondendosi come una nebbia in più luoghi contemporaneamente. E soltanto dopo essere stato osservato “collasserebbe” finalmente in un punto preciso, magari proprio in rete… il destino, insomma, non è prevedibile.

Tutto il contrario di quello che sostenevano nel V sec. a. C. i greci Leucippo e Democrito, secondo i quali il mondo era composto da atomi che si muovono nel vuoto in modo prevedibile. Anche se poi, un secolo dopo, un altro greco, Epicuro, ipotizzò che tra gli atomi ci fossero urti casuali con conseguenze imprevedibili. La fisica classica, nell’800, sembrava dar ragione ai primi due. La meccanica quantistica, invece, seppure su basi completamente diverse, è più vicina al pensiero di Epicuro.

L’UNIVERSO ESISTE INDIPENDENTEMENTE DA NOI?

Esse est percipi: le cose, per esistere, hanno bisogno di essere percepite. Lo sosteneva nel ’700 il filosofo britannico George Berkeley, secondo cui una palla o un albero non esistono in sé, indipendentemente da noi: quelli che percepiamo sono gli stimoli sensoriali che ci arrivano direttamente da Dio. E il filosofo tedesco Immanuel Kant, sempre nel ’700, aveva ribadito che non si può conoscere il mondo “così come è in sé” (da lui definito noumeno), ma solo “ciò che appare”. Qualcosa di simile, due secoli dopo, dice la meccanica quantistica: per determinare la posizione di una particella, per esempio bisogna illuminarla… e allora la particella, colpita dalla luce, schizza via. Sappiamo dov’è, ma non dove sarà dopo un istante.

Per osservare la realtà, insomma, bisogna “disturbarla”: «Secondo l’interpretazione di Copenhagen » spiega Giulio Giorello, docente di filosofia della scienza all’Università Statale di Milano «gli eventi quantistici dipendono dalla presenza dell’apparato di osservazione che li deve misurare».

Einstein non riusciva a digerire questo aspetto della teo­ria: era infatti convinto che la real­tà fosse ben determinata e indipendente da chi l’osserva. Ma oggi gli esperti sono a favore dell’interpretazione di Copenhagen.

fisica quantistica

 

Niels Bohr e Albert Einstein, due padri della teoria. Fu in una delle loro discussioni sul significato fisico della meccanica quantistica che Einstein pronunciò la nota frase: “Dio non gioca a dadi”. Bohr confutò brillantemente tutte le critiche di Einstein, che però non si convinse mai fino in fondo della natura probabilistica del mondo quantistico. | WIKIMEDIA COMMONS

E SE L’EFFETTO PRECEDESSE LA CAUSA?

Uno dei pilastri della scienza classica è la regola secondo cui, nel mondo in cui viviamo, a ogni causa segue necessariamente un effetto: se tiro un sasso verso una finestra la rompo, se tocco il fuoco mi brucio. Nel ’700, il filosofo scozzese David Hume mise in discussione questo principio: anche se tutti i giorni due avvenimenti si susseguono, non dobbiamo considerare questo legame una conseguenza logica, perché potrebbe trattarsi di una nostra associazione di idee determinata dall’abitudine.

La scienza tradizionale non ha mai messo in dubbio il principio di causa ed effetto. La meccanica quantistica sembrerebbe violarlo, ma non è così: la teoria permette di calcolare con certezza alcuni aspetti dell’evoluzione delle particelle, ma non tutto (per il resto bisogna accontentarsi di calcolare la probabilità che un certo fenomeno accada). Ma in nessun caso la teoria ammette situazioni in cui, per esempio, l’effetto preceda la causa o ne sia scollegato.

LA NOSTRA ESSENZA SI ESTENDE A TUTTO L’UNIVERSO?

Quando navighiamo in Internet, lo spazio sembra essere risucchiato da un click del mouse, all’interno di collegamenti ipertestuali fra sistemi che distano migliaia di km l’uno dall’altro. Nel mondo subatomico, in certe condizioni, può succedere la stessa cosa: ci sono particelle “gemelle”, legate tra loro dalla proprietà dell’entanglement, che pur trovandosi in punti opposti dell’universo riuscirebbero a comunicare istantaneamente fra loro, agendo come un tutt’uno.

Questo fenomeno, ormai dimostrato, demolisce uno dei pilastri della fisica tradizionale: il principio di località . Tanto da far sorgere un dubbio: viviamo forse in un tutto indivisibile, dinamico, le cui parti sono interconnesse come sosteneva nel ’600 il filosofo olandese Baruch Spinoza?

Secondo la sua visione “panteistica”, esiste una sostanza unica e infinita, un ordine geometrico in cui Dio e natura coincidono (Deus sive natura, “Dio, ovvero la natura”) come causa interna al tutto.

LA NATURA RIFIUTA IL VUOTO?

Natura abhorret a vacuo (“la natura rifiuta il vuoto”): la frase risale al Medioevo, ma il concetto è antico: già nel IV sec. a. C. Il greco Aristotele e i suoi discepoli negavano l’esistenza di “un luogo in cui non c’è nulla”, dove “non è possibile che neppure un solo oggetto si muova”.

Il tabù, in Occidente, è rimasto per millenni, assimilato persino dalla Chiesa, che non tollerava l’esistenza di un luogo senza Dio. Poi la fisica classica aveva dimostrato che il vuoto si poteva creare, per esempio eliminando l’aria da un contenitore. Sembrava possibile anche creare il “vuoto perfetto”, cioè una regione di spazio del tutto priva di atomi e di luce.

Ma la meccanica quantistica ha stabilito che questo non è possibile: anche il “vuoto perfetto” conterrebbe infinite fluttuazioni energetiche in grado di generare particelle virtuali che nascono dal nulla e spariscono continuamente in tempi brevissimi. Aristotele, insomma, in un certo senso aveva ragione.

LA REALTÀ È MATERIA O INFORMAZIONE?

Oggi assistiamo al trionfo dell’informatica: testi, immagini, suoni e filmati viaggiano in Internet da una parte del mondo all’altra sotto forma di sequenze di 0 e 1: i bit. Questi mattoncini digitali, parte essenziale della nostra vita, ci portano a una riflessione: la realtà è formata da materia o da bit? Forse, come racconta il film di fantascienza Matrix, viviamo in un grande cervello elettronico che simula il mondo. Con la differenza che i bit della meccanica quantistica sono diversi da quelli “classici”: si chiamano qubit e consentono combinazioni (e operazioni logiche) di una complessità senza paragoni nel mondo dell’informatica tradizionale

ESISTE UNA TEORIA CAPACE DI SPIEGARE OGNI COSA?

I fisici cercano una Teoria del tutto, in grado di unificare ogni cosa: uomo e stelle, piccolo e grande… ce la faranno? Non è detto, ma l’ambizione è antica. A suo modo, ci aveva già provato nel VI sec. a. C. il filosofo greco Pitagora, affidando ai numeri, costituenti ultimi della natura, il compito di tenere unito l’universo.

Oggi, invece, si punta soprattutto a un’evoluzione della Teoria delle stringhe detta “Teoria M”. Più che un’unica teoria, al momento è un sistema di 5 teorie distinte che si applicano in contesti diversi.

Potremmo paragonarla a una grande mappa del mondo: per rappresentare fedelmente l’intera superficie terrestre occorrono tante piccole carte geografiche che, sovrapponendosi parzialmente tra loro, mostrano aspetti diversi dello stesso paesaggio.





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Focus

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

2018, record del riscaldamento degli oceani

Gli oceani – che assorbono circa il 90 per cento del calore dovuto al riscaldamento globale – continuano a scaldarsi: fra il 2017 e il 2018 hanno assorbito l’equivalente del calore prodotto da 100 milioni di bombe di Hiroshima e la situazione tende a peggiorare. Se non verrà bloccata l’emissione di gas serra, entro la fine del secolo il livello del mare aumenterà di 30 centmetri per la sola espansione termica

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Gli oceani assorbono fino al 90 per cento del calore prodotto dal riscaldamento globale (Pubblico dominio)

Per gli oceani il 2018 è stato l’anno più caldo mai registrato, nel quale si è avuto un accumulo record di calore. Rispetto al 2017, l’aumento di calore (o anomalia termica) è stato circa 100 milioni di volte superiore a quello prodotto dalla bomba di Hiroshima e, espresso in joule, circa 388 volte superiore alla produzione totale di elettricità della Cina nel 2017.
Ma quel che è peggio è che la tendenza continuerà anche in futuro raggiungendo livelli dalle conseguenze estremamente allarmanti se non sarà posto un freno all’accumulo dei gas serra in atmosfera.

A stabilirlo è uno studio condotto da un gruppo internazionale di ricercatori diretti da Lijing Cheng dell’Accademia cinese delle scienze e Kevin E. Trenberth del National Center for Atmospheric Research a Boulder, in Colorado, che firmano un articolo su “Advances in Atmospheric Sciences”.

Subito dopo il 2018, gli anni con il massimo accumulo di calore oceanico sono stati, nell’ordine, 2017, 2015, 2016 e 2014, con una significativa progressione lineare, L’unica eccezione – quella del 2015 che ha superato il 2016, nonostante in quest’ultimo la temperatura superficiale media globale fosse superiore – è imputabile a un forte evento di El Niño e al rimescolamento delle acque profonde e superficiali che lo caratterizza.

I dati sono stati raccolti con il sistema di monitoraggio oceanico Argo (in funzione da 13 anni), formato da una flotta di circa 4000 robot galleggianti alla deriva negli oceani di tutto il mondo, che ogni pochi giorni si immergono fino a una profondità di 2000 metri per poi misurare lungo tutto il percorso di risalita la temperatura, il pH, la salinità e altri parametri delle acque.

La misurazione del calore oceanico è particolarmente importante per valutare il riscaldamento globale perché oltre il 90 per cento del calore del riscaldamento globale si deposita negli oceani ed è meno influenzato dalle fluttuazioni naturali, tanto da rappresentare uno dei più robusti indicatori dei cambiamenti climatici. L’aumento delle temperature oceaniche ha molte conseguenze, a partire dall’aumento del livello del mare per espansione termica, che a sua volta può contaminare con acqua salata le falde d’acqua dolce costiere, e compromettere infrastrutture portuali e strade litoranee.

Inoltre, la maggiore disponibilità di calore si traduce in tempeste più intense e fenomeni meteorologici estremi, come piogge torrenziali in alcune aree e ondate di calore e siccità in altre.

In un secondo articolo pubblicato su “Science”, Cheng, Trenberth e colleghi usano i dati raccolti e quelli di precedenti ricerche – che hanno permesso di ricostruire, sia pure con minore precisione, le temperature dei mari a partire dal 1960 – per valutare l’andamento e la velocità di cambiamento del calore oceanico.

In uno scenario business-as-usual, in cui non viene fatto alcuno sforzo reale per ridurre le emissioni di gas serra, fra il 2081 e il 2100 i 2000 metri più superficiali degli oceani subiranno un riscaldamento di 0,78 °C, con un innalzamento del mare per espansione termica di 30 centimetri, sei volte maggiore di quello che si è avuto negli ultimi 60 anni. Se invece l’obiettivo dell’accordo di Parigi fosse raggiunto, il riscaldamento totale degli oceani potrebbe essere dimezzato.





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le Scienze

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Fisica

Sta per cominciare una nuova corsa allo Spazio?

La Cina è riuscita a portare un rover sulla faccia nascosta della Luna, e ha in serbo piani ancora più ambiziosi. La Nasa sta approntando lo Space Launch System. Le aziende private lavorano a regime. Sembra stia per cominciare una nuova, seconda, corsa allo Spazio

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Stati Uniti. Cina. Unione europea. Russia, India, Giappone e (ultimamente) Etiopia. E ancora: SpaceX, Virgin Galactic, Blue Origin, Stratolaunch. Segnatevi bene questi nomi, perché saranno i protagonisti di una competizione senza esclusione di colpi, che si giocherà tutta nei cieli. Molto in alto, per la verità: a cinquant’anni (complottisti permettendo) dallo sbarco statunitense sulla Luna, momento culmine della corsa allo Spazio che impegnò Stati Uniti e Unione sovietica nel periodo della guerra fredda, potrebbe presto cominciare, secondo alcuni tra i più autorevoli esperti di politiche spaziali, una nuova battaglia (pacifica, si spera) per l’esplorazione e la conquista dello Spazio. Con conseguenze al momento del tutto imprevedibili: è vero che la prima corsa allo Spazio ebbe ricadute scientifiche e tecnologiche di ampissima portata, ma bisogna considerare il rischio che la competizione passi oggi dal campo della scienza a quello militare. Uno scenario solo apparentemente distopico: le attuali posizioni dell’amministrazione Trump e il segreto impenetrabile sulle reali capacità tecnologiche della Cina in ambito spaziale lasciano aperte le porte a tutte le possibilità.

Ecco il nostro recap della situazione attuale.

Lo stolto guarda il dito, la Cina indica la Luna

 

Non possiamo che cominciare dalla Cina, se non altro per questioni di attualità. Pochi giorni fa, come vi abbiamo raccontato, la sonda cinese Chang’e-4 è atterrata sulla faccia nascosta del nostro satellite, stabilendo un primato storico: mentre la parte visibile della Luna, infatti, è stata esplorata in più occasioni, nessuno finora – né gli Stati Uniti, né l’Unione Europea, né la Russia, aveva tentato lo sbarco, ben più difficile, sul lato opposto.

La missione era stata lanciata il 7 dicembre scorso dalla base spaziale di Xichang, nella provincia del Sichuan, e dopo poco meno di un mese di viaggio il lander e il rover sono allunati nel cratere von Karman, un buco di dimensioni enormi – circa 2500 chilometri di diametro – ovviamente non visibile dalla Terra. Obiettivi della missione: lo studio della superficie lunare e di ciò che c’è immediatamente sotto e la rilevazione delle onde radio provenienti dallo Spazio.

L’impresa di Chang’-e 4, comunque, non è che la punta dell’iceberg. Il programma spaziale cinese iniziò ufficialmente negli anni cinquanta, quando, assistiti dall’Unione Sovietica, gli scienziati asiatici si concentrarono sullo sviluppo di missili balistici; successivamente, con il consolidamento del potere di Mao e il suo cosiddetto grande balzo in avanti (il piano di trasformazione dell’economia cinese da sistema agricolo a società industriale), il programma subì una battuta d’arresto. Bisognerà infatti aspettare al 1970 per il lancio in orbita del primo satellite cinese; otto anni più tardi, Deng Xiaoping dichiarò esplicitamente che la Cina non avrebbe preso parte alla corsa allo Spazio, almeno per quanto riguardava l’esplorazione in senso stretto, e si sarebbe piuttosto concentrata sullo sviluppo di veicoli e satelliti per le telecomunicazioni e la meteorologia.

Nel ’92, altro cambio di programma: i cinesi si resero conto, come ha ricostruito su The Conversation Wendy Whitman-Cobb, docente di scienze politiche della Cameron Unviersity, esperta in politiche spaziali, che possedere una stazione spaziale orbitante avrebbe significato guadagnare un significativo aumento di prestigio presso la comunità internazionale. Detto, fatto: fu inaugurato un nuovo programma spaziale, che portò allo sviluppo della navicella Shenzou. Successivamente iniziarono i voli con equipaggio, fu costruita la prima stazione spaziale, Tiangong-1, e poi, in tempi più recenti, fu avviata la missione Chang’e, con obiettivo la Luna. Il successo di Chang’e 4 è solo l’inizio: la Cina ha infatti in mente piani ancora più ambiziosi, tra cui la costruzione di una nuova stazione, il recupero di campioni dal suolo marziano e la fondazione di una base permanente sulla Luna. La Cina non va troppo per il sottile: stando alla road map messa a punto da China Aerospace Science and Technology Corp, la repubblica del dragone si è prepotentemente candidata a diventare leader mondiale nella tecnologia spaziale entro il 2045.

Stati Uniti: arriva lo Space Launch System, ma…https://www.youtube.com/watch?v=AOj3n0HfobU
Come rispondono (se rispondono) gli Stati Uniti. Così e così. Il Washington Post racconta che oltreoceano “non è stato ancora possibile mettere a punto una controproposta credibile ai piani di sviluppo a lungo termine della Cina. Né il popolo americano né il comando delle forze armate sembrano percepire l’importanza strategica delle operazioni della Cina nello spazio tra la Terra e la Luna. Vedono tutto attraverso le lenti dell’esperienza passata durante la guerra fredda, assumendo che le motivazioni che spingono la Cina siano le stesse di quelle che spingevano l’Unione sovietica – sostanzialmente prestigio e ‘spunta di caselle’ – ma non è così”.

Il programma su cui più di ogni altro si sta concentrando l’agenzia spaziale statunitense è lo sviluppo e la costruzione dello Space Launch System, “il razzo più grosso e potente mai realizzato nella storia”, che nelle intenzioni dovrebbe aprire una nuova era per l’esplorazione dello Spazio aperto, al di là della bassa orbita terrestre. Sostanzialmente, lo Sls è un vettore che la Nasa impiegherà per il lancio delle nuove particelle, con o senza equipaggio, come per esempio la capsula Orion, con destinazione Marte.

Poi ci sono, naturalmente, altre questioni sul tavolo: il mantenimento in vita della Stazione spaziale internazionale, il recupero di campioni dagli asteroidi, l’esplorazione di Venere. Ma la strada americana per lo Spazio rischia di essere più complicata del previsto. “Al momento”, ci ha raccontato Whitman-Cobb“non vedo alcuna risposta significativa degli Stati Uniti alle mosse cinesi, almeno in termini di esplorazione spaziale pacifica. Date le attuali restrizioni di budget, è molto improbabile che la Nasa riesca ad avere le risorse necessarie ad accelerare lo sviluppo dello Sls; per quanto riguarda la Stazione spaziale internazionale, è interessante notare che l’amministrazione Trump, inizialmente, aveva intenzione di terminare la partecipazione statunitense all’inizio del decennio 2020-2030, ma i partner internazionali del progetto, insieme ad alcuni membri influenti del Congresso americano, vorrebbero prolungarla almeno fino al 2030, per evitare che la Cina, che nel frattempo sta sviluppando la sua seconda stazione spaziale, rimanga l’unica nazione con presenza umana permanente nello Spazio”.

I privati, dal canto loro, non stanno certo a guardare. Dei piani di SpaceXabbiamo parlato in più occasioni; progetti simili, anche se meno ambiziosi, sono sulle scrivanie degli ingegneri di Blue OriginVirgin Galactic Stratolaunch. L’ascesa dei privati nel campo dell’esplorazione spaziale ha dato già i suoi primi significativi risultati: fino a non molto tempo fa, portare in orbita un chilo di materiale costava all’incirca 20mila euro; oggi SpaceX ha ridotto la spesa a un quarto della cifra, rendendo di fatto lo Spazio molto più accessibile a privati, scuole, nazioni in via di sviluppo e altre aziende.

Dove si colloca tutto ciò in una possibile nuova corsa allo Spazio? Secondo Whitman-Cobb, la conseguenza è lo spostamento degli obiettivi delle agenzie pubbliche: “La Nasa, per esempio, ha essenzialmente modificato la destinazione delle sue missioni, spostandola al di là della bassa orbita terrestre e lasciando quest’ultima alle aziende private”.

Guerra nello Spazio?
Torniamo alla questione iniziale. Ci sono davvero gli estremi per l’inizio di una corsa allo Spazio? E cosa potrebbe accadere se gli intenti di questa corsa non dovessero essere così pacifici? La risposta, come accennavamo, non è semplice. In linea di massima, ci dice Whitman-Cobb, “le corse allo Spazio non sono negative, di per sé. La rivalità tra Stati Uniti e Unione Sovietica durante la guerra fredda ha portato allo sviluppo di tecnologie e spin-off che hanno aiutato l’economia globale: satelliti meteorologici, Gps, comunicazioni più efficienti, computer più piccoli. Una nuova corsa allo Spazio potrebbe avere anche conseguenze positive in termini di esplorazione, spingendo più in là i limiti dell’attuale conoscenza”. Il rovescio della medaglia: “Se ci dovesse essere una corsa allo Spazio”, continua l’esperta, “temo però che si potrebbe gareggiare in campo militare. Il che sarebbe naturalmente più pericoloso. La maggior parte della tecnologia spaziale ha un doppio utilizzo: può essere usata per scopi sia pacifici che bellici. Quindi, nonostante le nazioni continuino ad affermare che i propri satelliti (o altri strumenti) siano stati sviluppati per scopi pacifici, la paura è che possano essere usati anche in altro modo. L’amministrazione Trump, per esempio, si sta servendo dello spettro di una minaccia russa o cinese per perorare la necessità di una American Space Force. La Cina ha condotto un test anti-satelliti per distruggere (secondo la versione ufficiale) un satellite meteorologico guasto, il che ha creato una nuvola di detriti orbitanti che mettono in pericolo altre navicelle sulla stessa orbita, come nel film Gravity. E il Dipartimento della difesa cinese, nel suo report del 2018, ha dichiarato che il programma militare spaziale ‘continua a crescere rapidamente’”. Incrociamo le dita.





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Fisica

I computer piccolissimi che ci cambieranno la vita

Computer di dimensioni quasi microscopiche sono ormai alla portata della tecnologia elettronica. L’ultimo ostacolo da superare riguarda lo sviluppo di metodi per ottimizzarne l’efficienza energetica in modo da produrre batterie di dimensioni anch’esse minuscole ma a lunghissima durata di Stuart Biles / Scientific American

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Ricordate Salto nel buio, la commedia fantascientifica degli anni ottanta su una microscopica capsula con equipaggio iniettata in un essere umano?
Anche se siamo lontani anni dal lancio di sottomarini all’interno dei nostri corpi, i progressi dell’ingegneria hanno reso possibile la costruzione di computer così piccoli che l’idea di inserirli nel tessuto vivente non è più solo il parto dell’immaginazione di uno scrittore di fantascienza.

Sono già passati vent’anni da quando lo scienziato britannico Kevin Warwick impiantò per la prima volta un trasmettitore RFID al silicio nel suo braccio per controllare a distanza i computer di porte, luci e altri dispositivi. In seguito ha fatto un ulteriore passo avanti interfacciando il dispositivo con il proprio sistema nervoso in modo da controllare un braccio robotico, e guadagnarsi il soprannome di “Captain Cyborg”.
Anche se non è una notizia da strillare ogni giorno in prima pagina, il ritmo della tecnologia dei microcomputer non ha rallentato, e a volte resto ancora stupito dall’ingegnosità di alcuni nuovi sviluppi.

Per esempio, all’inizio di quest’anno, un team dell’Università del Michigan diretto da David Blaauw, docente di ingegneria elettronica e informatica, ha usato un processore ad alta efficienza energetica costruito dall’azienda per cui lavoro, la Arm, per costruire il computer più piccolo del mondo.

Il dispositivo, che misura appena 0,3 millimetri di lato, ha solo un decimo delle dimensioni del precedente detentore del record, un computer a energia solare non più grande di un granello di sale. Dato che è possibile integrare nel nuovo dispositivo dei sensori di temperatura e pressione, il team di Blaauw prevede che, tra le altre applicazioni, potrebbe essere impiantato nei tumori per determinare se si riducono dopo i trattamenti chemioterapici. (Gli studi dimostrano che i tumori possono avere temperature leggermente superiori a quelle dei tessuti sani).

Anche se lo sviluppo di minuscoli computer è entusiasmante, ci sono ostacoli che ne impediscono un’ampia diffusione nel settore sanitario e in altri settori. Uno dei problemi maggiori è la creazione di batterie sufficientemente piccole per alimentare i dispositivi.

Via via che le dimensioni delle batterie si riducono, anche la quantità di energia che immagazzinano diminuisce drasticamente. Le batterie necessarie per i computer minuscoli sono notevolmente più piccole delle piccole batterie convenzionali usate per alimentare dispositivi come i pacemaker e gli impianti cocleari, e la loro capacità – dice Blaauw – può essere mille volte inferiore.

Una possibile soluzione è trovare il modo per ricaricare frequentemente i dispositivi. Per esempio, i raggi infrarossi possono ricaricare a distanza i sensori impiantati in topi di laboratorio.

Gli scienziati stanno anche studiando come produrre elettricità per piccoli computer sfruttando una tecnica nota come recupero di energia termoelettrica, anche se finora non ci sono stati successi a una scala così piccola. Per far sì che questa tecnica funzioni, ci deve essere una differenza di temperatura tra due superfici di un dispositivo, ma i nuovi mini computer sono così piccoli che è difficile rendere una loro parte qualsiasi molto più calda di un’altra.

Altri metodi ancora allo studio prevedono il ricorso a molecole di glucosio come fonte di energia.

Una soluzione efficace potrebbe essere quella di risparmiare la piccola quantità di energia che può essere immagazzinata in una batteria minuscola. Blaauw e il suo team hanno visto che possono ridurre drasticamente il consumo di energia “svegliando” solo periodicamente i computer per fare calcoli e poi rimettendoli a riposo.

Oltre a massimizzare la quantità di tempo in cui i piccoli computer non sono attivi, si può abbattere il loro consumo energetico riducendo la quantità di elettricità che consumano quando sono attivi.

Blaauw e il suo gruppo sono riusciti a ridurre il consumo di energia a riposo del loro computer fino alla soglia infinitesimale di 30 picowatt, 300 trilionesimi di watt, grazie a una modificazione dei transistor usati, alla riduzione delle dimensioni di alcuni circuiti e ad alcune ottimizzazioni dei circuiti.

Le piccole dimensioni e il ridotto consumo energetico dei mini computer però servirebbero a poco se i dati che raccolgono non potessero essere comunicati correttamente. Per consumare meno elettricità possibile, Blaauw e il suo team hanno dovuto modificare anche questo processo.

Attivando l’antenna radio per le trasmissioni solo per pochi miliardesimi di secondo, i computer possono farsi riconoscere senza sprecare troppa energia. “Perché una radio possa essere sentita, deve ‘urlare’ piuttosto forte”, ha detto Blaauw. “In sostanza, abbiamo fatto sì che invece di urlare tutto il tempo, emetta solo un segnale forte ma breve.”

Se i gruppi di ricerca come quello di Blaauw riescono a superare gli ostacoli tecnologici, è verosimile che un giorno i computer minuscoli potranno rivoluzionare ben più del rilevamento dei tumori.

La CubeWorks, un’azienda nata dall’iniziativa Michigan Micro Mote (M3) dell’Università del Michigan, ha sviluppato un sistema di microsensori in rete che possono essere incorporati in oggetti di uso quotidiano – dai sistemi domotici ai parchi eolici fino ai dispositivi per monitorare i livelli di glucosio – e collegati all’Internet degli oggetti.

Alimentati dalla luce solare, questi computer possono raccogliere informazioni sulla temperatura e la pressione dell’ambiente, oltre a scattare immagini digitali e tracciare il movimento all’interno di una determinata area. Un giorno, sistemi come questi potranno trasformare il modo in cui interagiamo con tutto, dagli edifici in cui viviamo agli abiti che indossiamo.

Anche se non saremo ancora in grado di lanciare sottomarini all’interno del nostro corpo, i computer di dimensioni millimetriche probabilmente arriveranno sul mercato nel prossimo decennio e cominceranno ad avere un impatto significativo sul mondo.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 28 dicembre 2018





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5 star review  Difficile spiegare per me.Ho conosciuto i Bambini di Satana tramite mio figlio e ho trovato tanti argomenti interessanti,a volte scomodi,che i perbenisti non affrontano.Grazie ragazzi

thumb Susy Barini
12/30/2017

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