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Fisica

La corsa all’economia dello spazio. L’Europa punta 16 miliardi

La Commissione europea propone di aumentare il budget per l’economia dello spazio. Obiettivo: salvaguardare l’industria locale e la competitività nel campo dei satelliti

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Sedici miliardi di euro per la corsa allo spazio. A tanto ammonta la spesa iscritta dalla Commissione europea nella proposta di budget 2021-2027. Circa 5 miliardi in più rispetto agli investimenti 2014-2020, tre volte tanto quelli del precedente settennato. D’altronde, come si legge nella propostache la Commissione ha spedito a Europarlamento e Consiglio europeo per avviare le negoziazioni (il cosiddetto trilogo), “tecnologia, dati e servizi spaziali sono diventati indispensabili nella vita quotidiana degli europei e giocano un ruolo essenziale per preservare vari interessi strategici. L’industria spaziale dell’Unione è già una delle più competitive al mondo”. Il primato, però, non è per sempre. “L’emergere di nuovi concorrenti e lo sviluppo di nuove tecnologie stanno rivoluzionando i modelli industriali tradizionali”, prosegue il documento.

Per questo Bruxelles intende aumentare gli investimenti. I programmi Galileo e Egnos, per la navigazione satellitare globale e regionale, riceveranno 9,7 miliardi. L’obiettivo è arrivare a fornire servizi gratuiti sempre più accurati, con un margine di errore nel posizionamento di 20 centimetri. Egnos è adoperato in 350 aeroporti per coordinare gli atterraggi quando c’è maltempo. Ed entro il 2035 la Commissione si aspetta un aumento del 4% dei voli sull’Europa. Galileo da quest’anno è integrato in ogni auto venduta in Europa per supportare il sistema automatico di chiamate di emergenza, Ecall, mentre dal 2019 integrerà tachigrafi digitali per controllare chi sfora i limiti di velocità.

E in futuro potrebbe tornare utile per applicazioni come droni, auto a guida autonoma e robot.

Altri 5,8 miliardi incasserà il programma Copernicus. Consiste nell’osservazione satellitare della terra e viene adoperato per monitorare emergenze ambientali, per la sicurezza in mare e per il cambiamento climatico. In futuro i dati saranno resi aperti per consentire a imprese e startup di costruire il proprio modello di business anche sulla base delle informazioni raccolte dai satelliti Ue. Per l’agricoltura, per esempio.

Infine 500 milioni foraggeranno i programmi di sicurezza. Da un lato la sorveglianza dello spazio, dall’attività solare agli asteroidi fino al rientro dei satelliti. Oggi un satellite su tre è prodotto in Europa. Un secondo piano, chiamato Govsatcom, svilupperà canali di comunicazione via satellite blindati e dallo spazio servirà a monitorare le frontiere e a fornire dati alle forze dell’ordine.

La staffetta globale Quella dello spazio è un’industria che già oggi in Europa dà lavoro a 231mila persone. Nel 2017 la Commissione stima che il settore abbia fatturato ricavi tra 53 miliardi di euro e 62 miliardi, a seconda dei servizi inclusi nel censimento. Un volume di affari secondo solo agli Stati Uniti.

La corsa alle stelle, però, si sta facendo sempre più agguerrita. Cina e Indiasono entrate a gamba tesa nella competizione. “Nel breve periodo, la riduzione dei costi di accesso allo spazio e la competizione da parte di altre nazioni che vogliono avventurarsi nell’esplorazione spaziale stanno portando a un’evidente conseguenza: l’Europa rischia di essere messa da parte nel settore dei lanciatori”, si legge nel pamphlet L’economia dello spazio, scritto a quattro mani di Andrea Sommariva, economista dell’università Bocconi di Milano, e da Giovanni Bignami, presidente dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), deceduto nel maggio del 2017.

È un rischio che riconosce la stessa Commissione europea nel documento del trilogo: “In termini di competitività, l’industria spaziale europea sta affrontando una dura concorrenza da parte di tradizionali, emergenti e nuove potenze dello spazio e da attori industriali. In aggiunta l’ecosistema di business sta spostando il focus dall’infrastruttura ad applicazioni e servizi. Questo pone l’industria europea sotto pressione (dai lanciatori di satelliti fino ai fornitori di servizi nell’indotto)”. Nel 2014 il settore dei lanciatori valeva 2,4 miliardi di dollari e 36mila impiegati.

Per Sommariva e Bignami, “finora il continente è rimasto legato al vecchio modello, ovvero contratti statali all’interno di un mercato basato su un monopolio di fatto”. È Ariane, che costruisce lanciatori e missili medi e pesanti. Fa eccezione l’italiana Avio, che produce razzi medi e piccoli, i Vega. “Servirebbero nuove politiche europee che cerchino di aumentare la competizione, far nascere nuove “Avio” e così far avanzare l’Europa verso l’indipendenza del settore dei lanciatori”, si legge nel libro. Qualcosa si muove, anche in Italia. D-Orbit è una startup di Fino Mornasco, nel Comasco, specializzata in sistemi di trasporto di satelliti. Ha firmato accordi con Ariane, ma anche con privati, come l’olandese Hyperion. Persino la Cina è interessata ai suoi progetti.

 

satelliti

A Madrid, vista dalla cattedrale dell’Almudena (foto: Gerard Julien/AFP/Getty Images)

Dal pubblico al privato

Il neonato Space economy evolution lab (See lab), centro di ricerca presso la Scuola di direzione aziendale della Bocconi, diretto proprio da Sommariva, cita un fatturato globale del settore spazio di 350 miliardi di dollari. Spiega Sommariva: “Il 70% deriva dalla fornitura di servizi, mentre il 30% circa dal comparto manifatturiero”, ossia la costruzioni di razzi, satelliti e strutture a terra. Appannaggio dei governi, lo spazio sta diventando però sempre di più un’impresa privata.

Per il See lab il risultato di investimenti come la SpaceX dell’imprenditore Elon Musk, la Blue Origin del patron di Amazon, Jeff Bezos, o Spaceship One, fondata dal cofondatore di Microsoft Paul Allen, è che il costo medio di un chilo di materiale lanciato nello spazio costa circa le metà rispetto a vettori classici. Come l’europeo Ariane. In sostanza, il vecchio continente rischia di non avere più prezzi competitivi per andare in orbita.

“I governi sono i grandi clienti. Quello che cambia nell’economia dello spazio è come contrattano queste forniture”, spiega Ian Christensen, direttore programmi privati della Secure World Foundation, fondazione statunitense che promuove sostenibilità e cooperazione nella corsa allo spazio. Per lo stesso Sommariva occorre “cooperazione internazionale per i progetti più avanzati. Nessuno da solo ha i soldi”. È il caso del Lunar orbital platform gateway, uno stazione spaziale che orbita intorno alla Luna. Al progetto lavorano la Nasa, l’Agenzia spaziale europea, la russa Roscosmos, la giapponese Jaxa e la Csa dal Canada. “Si stima che i primi elementi saranno installati nel 2022. Sarà uno spazioporto che potrebbe favorire la ricerca di minerali sulla Luna”, osserva Sommariva.

Una delle frontiere dell’economia dello spazio è l’estrazione di minerali fondamentali per l’industria terrestre, come le terre rare. “Questa base potrebbe far nascere attività minerarie nello spazio, partendo dalla Luna”, suggerisce Sommariva.

Sull’esito di questa ricerca è scettico Ugo Bardi, docente di chimica all’università di Firenze e presidente dell’associazione per gli studi su peak oil e gas (Aspo). “Penso che trasportare minerali dallo spazio alla terra resterà molto costoso. Penso che funzionerà l’uso nello spazio di metalli leggeri per assemblare piccoli satelliti in orbita. Avrebbe un immediato risparmio”, evidenzia Bardi.

Gli obiettivi di Bruxelles

Se l’estrazione di minerali e metalli resta una frontiera più lontana, il primo campo per misurare le potenze spaziali è l’economia legata alle orbite intorno alla Terra in cui gravitano i satelliti. Da qui la spinta del budget europeo 2021-27. Come riconosce Bruxelles, il sistema dei 30 satelliti di Galileo, il cui lancio in orbita sarà concluso nel 2020, richiede investimenti in infrastrutture e lanciatori. L’agenzia europea per il sistema globale di navigazione satellitare (Gnss), calcola che entro il 2030 prodotti e servizi basati su questa tecnologia muoveranno un giro d’affari da 250 miliardi di euro. Perciò, avverte Bruxelles “il valore aggiunto del sistema europeo Gnss non risiede soltanto nell’assicurare l’indipendenza dell’Europa rispetto a una tecnologia critica, ma anche nell’assicurare importanti benefici macroeconomici”.

Oggi 100 milioni apparecchi si collegano a Egnos, ma entro il 2027 ci si aspetta che triplichino a 290 milioni. E i satelliti dovranno rafforzare la rete di comunicazioni 5G, per raggiungere “i nuovi traguardi della banda larga, 30 mbps (download) entro il 2020 ed entro il 2025 100 mbps per tutti, anche nelle aree più remote”.

Il budget aggiuntivo a Copernicus, per esempio, consentirà di concentrarsi sugli effetti del cambiamento climatico e sulla sorveglianza per stroncare traffici illegali. Nel precedente settennato il programma ha sottoscritto 1.100 contratti di fornitura per un valore di oltre 2,1 miliardi.

Bruxelles stima tra il 2017 e il 2035 un indotto che va dai 67 miliardi di euro ai 131 miliardi. Un raddoppio. Senza però specificare a quali condizioni si possa verificare il passaggio da un estremo all’altro della forbice. Questo vale anche per i posti di lavoro creati: 12mila diretti e tra 27mila e 37mila nell’indotto. Sempre con ampie oscillazioni e senza una spiegazione del come e perché.

Bruxelles intende rivedere anche la cinghia di trasmissione delle decisioni. Le strategie restano in capo alla Commissione, che si avvarrà di due superconsulenti. Una è l’Agenzia spaziale europea, Esa, alla quale sarà affiancata con un ruolo di primo piano l’Agenzia dell’Unione europea per il programma spaziale. È in realtà un nuovo nome per un ente già esistente, l’Agenzia nazionale del sistema globale di navigazione satellitare europeo. La Commissione punta a chiudere il trilogo con Europarlamento e Consiglio in tempi stretti. Entro il 2019 vorrebbe ottenere il via libera al nuovo piano di spesa.

 
  

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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

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Fisica

Un lago sotto la superficie di Marte

Una scoperta tutta italiana. Acqua allo stato liquido grazie alla sua caratteristica salmastra

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Una ricerca tutta italiana ha scoperto un’enorme riserva di acqua liquida sotto la superficie marziana in corrispondenza del Polo Sud. Potrebbe trattarsi di acqua salmastra che rimane allo stato liquido, nonostante le bassissime temperature, anche per effetto della pressione del ghiaccio sovrastante, come avviene per i laghi sub-glaciali scoperti sulla Terra.

Marte

Illustrazione dello studio: la sonda Mars Express dell’Agenzia spaziale europea (in basso, al centro) ha effettuato misurazioni radar sulle coltri glaciali del Polo Sud di Marte. Dai dati è emerso il profilo stratigrafico rappresentato a sinistra nell’immagine: è evidente in azzurro la discontinuità, interpretata come la presenza di un lago sub-glaciale di acqua liquida. (Credit: ESA/INAF/Davide Coero Borga-Media INAF)

Si trova a un chilometro e mezzo di profondità, e si estende trasversalmente per 20 chilometri sotto la calotta polare meridionale di Marte. È un lago sub-glaciale rilevato dalla sonda Mars Express dell’Agenzia spaziale europea (ESA), che pone fine a un annoso dibattito. Lo annuncia su “Science” un articolo firmato da Roberto Orosei, dell’Istituto di radioastronomia dell’Istituto nazionale di astrofisica (INAF), e colleghi di un ampio gruppo di ricerca tutto italiano autore della scoperta, che ha coinvolto, oltre ad altri istituti INAF, anche le università di Roma “Sapienza”, Roma Tre, “Gabriele d’Annunzio” di Pescara, istituti del Consiglio nazionale delle ricerche e Agenzia spaziale italiana.

La presenza di acqua su Marte è oggetto di studio da decenni. Si sa che nell’atmosfera del pianeta sono presenti piccole concentrazioni di vapore acqueo, e che la superficie marziana è punteggiata da strati di ghiaccio. In corrispondenza dei poli, inoltre, si osservano spesse coltri glaciali, simili a quelle terrestri.

Proprio la similitudine cpn le condizioni osservate sulla Terra ha portato più di trent’anni fa alle prime ipotesi sulla presenza di acqua allo stato liquido sotto la superficie marziana. Il modello è quello dei laghi sub-glaciali antartici. Anche se le temperature scendono molto al di sotto di 0 °C, l’enorme pressione esercitata da strati di chilometri di ghiaccio modifica il punto di fusione dell’acqua. Ciò rende plausibile la presenza di laghi di acqua liquida alla base delle coltri glaciali, e permette anche di spiegare lo scivolamento dei ghiacciai con un basso coefficiente di attrito rispetto alla superficie su cui sono posati. E le misurazioni effettuate in Antartide hanno confermato sperimentalmente

questo modello.

 

 
  

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le Scienze

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Fisica

Superquark sui vaccini, Piero Angela: «Bisogna difendere la scienza»

«Sempre più persone non si fidano della scienza e della medicina e danno credito alle non competenze. Tutto ciò non è di buon senso, nè intelligente. E invita a riflettere»

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E’ autorevole come un Ministro della Sanità, forse di più. Piero Angela, classe 1928, ha un grande seguito tra il pubblico e una forte credibilità. Per quello la puntata di stasera, mercoledì 25 luglio, è più che mai importante. Perchè Angela torna sul tema dei vaccini da lui peraltro già trattato. Ma considerata l’attualità del tema, la vivacità del dibattito in corso e la deriva che certe teorie prive di fondamento scientifico stanno prendendo, un servizio all’interno di «Superquark» su Rai1 in prima serata, può fare molto.

Milioni di vite salvate

Angela, da quale punto di vista tratterà stasera i vaccini? «Dall’unico possibile, dal punto di vista della scienza. Come dimostra il servizio realizzato in Svizzera i vaccini hanno salvato e salvano milioni di persone. Quando non c’erano, c’erano i morti. Quando io ero piccolo se un compagno arrivava in ospedale con la difterite moriva con certezza, non c’era alcuna cura. Ho tanti ricordi di amici morti per queste malattie. La protezione gregge, cioè arrivare a percentuali alte di vaccinati è fondamentale». Sembrano concetti chiari, evidenti, eppure ogni giorno vengono messi in discussione. «Il fatto che — prosegue il grande divulgatore scientifico — sempre più persone non si fidino della scienza e diano credito alle non competenze, non è di buon senso nè intelligente. E invita a riflettere». Ora il governo parla di autocertificazione abolendo le regole rigide poste dal precedente Ministero della Salute. Angela si fa una risata. «L’autocertificazione? Un po’ come per le tasse. Se bastasse l’autocertificazione… Quello che ci deve far riflettere però è la poca fiducia dei cittadini nelle istituzioni, ma anche nella medicina. Perchè? Per i tanti casi di malasanità, di eccesso di farmaci, di questioni poco chiare legate ai grandi gruppi farmaceutici. Tutta questa serie di cose ha portato a una poca fiducia, che poi è degenerata fino al complottismo presente su Internet ».

Combattere teorie parascientifiche

Davvero da anni Piero Angela è in prima linea per affermare i valori della scienza, della ricerca, della medicina e per combattere teorie fantascientifiche pericolose. Nel 1989 fondò il Cicap, Comitato Italiano per il Controllo delle Affermazioni sulle Pseudoscienze, che oggi è una importante organizzazione di volontari che promuove un’indagine scientifica e critica nei confronti delle pseudoscienze, del paranormale, dei misteri. Ne hanno fatto parte Rita Levi Montalcini, Dulbecco, Eco, per citare solo alcuni nomi che hanno sostenuto il percorso di Angela che peraltro continua più convinto che mai. «Ho fatto studiare tanti ragazzi negli Usa e poi li ho fatti lavorare — racconta Angela — e Massimo Polidori è uno di questi. Spesso partecipa a “Superquark” per parlare delle fake news che girano su Internet. Ci sono i sostenitori della terra piatta, e anche i “respiriani” cioè quelli convinti che non occorra mangiare, perchè tanto l’energia arriva dal respiro. Capisce che la situazione è grave, forse anche più grave dei vaccini…».

Occorre spiegare e convincere

Però l’impatto delle «bufale» sui vaccini può essere dannosa e pericolosa. Come si può fare a reagire a tutto questo? «Bisogna sempre seguire la strada del convincimento e mai del disprezzo, nonostante certe presenze sul web. Bisogna portare dati e spiegare. Perchè in molti casi ci sono preoccupazioni dei genitori per i bambini da vaccinare. Ma certo non bisogna dimenticare l’obiettivo. Una volta sono stato ospite da Lucia Annunziato, insieme a Roberto Burioni, medico in prima linea nella lotta agli antivaccinisti. Lui ha ragione, ma alle volte è troppo aggressivo e può non funzionare. Certo purtroppo il vero problema è che ci sono anche politici che seguno l’onda pericolosa del web, gruppetti piccoli ma pericolosi». Cosa si sente di dire a tutti coloro che sono dubbiosi rispetto ai vaccini? «Di affidarsi alla scienza. Ho collaborato ad aprire Portali di informazione per il Ministero della Salute così che il cittadino possa trovare tutte le informazioni di cui ha bisogno. Questo è il compito delle Istituzioni: informare sempre e bene».

 
  

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il Corriere

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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».

fisica quantistica

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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