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Relatività e meccanica quantistica, l’incontro proibito che cambia l’ordine del tempo

Gli scienziati hanno rotto la struttura classica in cui gli istanti scorrono dal passato al futuro. Di fatto, non hanno viaggiato nel tempo ma hanno mostrato che mischiando la relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica si potrebbe ottenere una realtà temporale (a livello puramente teorico) del tutto diversa

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Sovvertire l’ordine del tempo, muovendosi nel passato o nel futuro, e potendo tornare nel presente, a piacimento. La possibilità di viaggiare nel tempo ispira da sempre l’immaginazione umana, dalla letteratura al cinema (basti ricordare Ritorno al futuro del 1985 e il più recente Interstellar) dove i protagonisti riescono a farlo attraverso vari artifici. Ma a farci sognare questa volta è lo studio di un gruppo di fisici dell’Università del Queensland che, seppure non ha viaggiato nel tempo, ha ottenuto, a livello teorico, una nuova concezione del tempo.

Gli scienziati hanno rotto la struttura classica in cui gli istanti scorrono dal passato al futuro. Di fatto, non hanno viaggiato nel tempo ma hanno mostrato che mischiando la relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica – da sempre incompatibili – si potrebbe ottenere una realtà temporale (a livello puramente teorico) del tutto diversa da quella che conosciamo, una condizione in cui non si sa cosa viene prima e cosa dopo. I risultati dello studio sono pubblicati su Nature Communications.

Ordine del tempo, partire dalla relatività

Per capire l’esperimento bisogna partire proprio dalla relatività di Einstein. Secondo il grande fisico, quanto più un corpo si trova vicino a un oggetto dalla massa molto grande, come un pianeta o un buco nero, tanto più lentamente scorrerà il tempo misurato nel punto dove si trova il corpo. Questo fenomeno è stato verificato con orologi atomici posti a diverse altitudini, che hanno dimostrato tempi differenti – anche se si tratta di nanosecondi, alterazioni impercettibili per noi esseri umani. Confermando così la dilatazione gravitazionale del tempo teorizzata da Einstein.

Mettere un pianeta in mezzo

Ma cosa c’entra questo con l’esperimento odierno? I ricercatori hanno supposto di avere due navicelle spaziali che nello stesso istante devono spararsi per distruggersi a vicenda. “Nella teoria di Einstein, un nemico potente potrebbe usare il principio della relatività generale mettendo un oggetto di grande massa, come un pianeta, vicino a una delle navicelle per rallentare il trascorrere del tempo”, sottolinea Magdalena Zych, prima autrice del paper, fisica all’Università del Queensland, in Australia. “A causa del rallentamento del tempo, la navicella più lontana dall’oggetto massivo sparerebbe prima, distruggendo l’altra”. Insomma, Einstein potrebbe venire in aiuto in situazioni in cui anche un istante è determinante.

Cambiare l’ordine del tempo, con la relatività e la quantistica

Ma ora aggiungiamo un nuovo tassello. Se oltre alla relatività chiamassimo in gioco la meccanica quantistica? In altre parole, se l’oggetto massivo (il pianeta) che “rallenta il tempo” della navicella fosse, come il gatto di Schrödinger, in uno stato di sovrapposizione quantistica? Ricordiamo che il gatto di Schrödinger è un esperimento mentale in cui un gatto posto in una scatola è sia vivo sia morto (in una sovrapposizione degli stati di vita e di morte) fino a quando l’osservatore compie la misura, ovvero apre la scatola. Nello studio, i fisici hanno immaginato di rallentare la navicella con un pianeta che è contemporaneamente vicino e lontano (oppure presente e assente). Cosa succederebbe in questo caso?

“Si ribalterebbe il concetto di tempo”, risponde il fisico Fabio Costa, coautore del paper. “La sovrapposizione di oggetti massivi può risultare in un ordine degli eventi non definito, una condizione, in cui tra due eventi, non si sa quale sia avvenuto prima e quale dopo”, dice il fisico intervistato da Galileo.

Come si cambia l’ordine del tempo

“Immaginiamo due laboratori, spiega Costa, “ciascuno dei quali deve compiere una certa azione a un’ora prefissata, diciamo a mezzogiorno, e mettiamo un pianeta vicino al primo laboratorio: qui gli orologi saranno rallentati e quindi il mezzogiorno arriverà dopo. Ma se mettiamo il pianeta più vicino al secondo sarà questo ad avere il tempo rallentato, di conseguenza, un evento che accade qui a mezzogiorno è nel passato per il primo laboratorio. “Ma se mettiamo il pianeta in sovrapposizione delle due posizioni – continua Costa – ovvero sia vicino sia lontano a uno dei due laboratori avremo che l’ordine temporale tra i due eventi è genuinamente non definito. In questo caso non sarebbe possibile stabilire quale evento (quale segnale mandato dai laboratori) venga prima e quale dopo”.

Questo è di fatto quello che hanno calcolato i ricercatori, utilizzando la meccanica quantistica e la relatività per cambiare l’ordine del tempo e creare una scala del tutto nuova.

Invertire l’ordine del tempo, le considerazioni

“È bene precisare – sottolinea il ricercatore – che quello dei pianeti è solo un esempio illustrativo. In realtà per la situazione da noi considerata è più rilevante la densità della massa. Quindi sarebbe ‘sufficiente’ usare oggetti piccoli, ma di densità molto elevata, per causare il rallentamento degli orologi”. Insomma, l’esperimento potrebbe valere non solo con i pianeti nello spazio ma – sempre a livello teorico – anche sulla Terra se si avessero oggetti piccoli ma estremamente densi.

Computer quantistici: più veloci con i salti nel tempo

“L’esperimento resta comunque fuori della portata della nostra tecnologia – aggiunge Costa – e una sovrapposizione di pianeti come descritta nel paper non sarà mai possibile, dato che le tecnologie consentono una simulazione di come funziona il tempo nel mondo quantistico senza utilizzare la gravità”. Tuttavia, osserva il ricercatore, il risultato è interessante per studiare questo effetto a scale molto diverse e per lo sviluppo di nuove tecnologie. “Attualmente”, conclude Costa, “stiamo lavorando per realizzare computer quantistici che – parlando in maniera molto semplice – possano effettivamente fare salti nel tempo per migliorare le loro prestazioni e svolgere le operazioni in maniera molto più efficiente rispetto ai dispositivi che lavorano con una sequenza di tempo fissato, quella che conosciamo e che è propria del mondo normale”.





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Nature, Galileo

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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Ecco la stella di neutroni più massiccia mai osservata

L’oggetto si chiama J0740+6620 e le sue caratteristiche sono state studiate da un’équipe di ricercatori del National Radio Astronomy Observatory alla University of Virginia e pubblicate sulla rivista Nature Astronomy.

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Credits immagine: X-ray (Nasa/Cxc/Eso/F.Vogt et al); Optical (Eso/Vlt/Muse & Nasa/STScI)

Più che stella di neutroni, è praticamente un buco neroche non ce l’ha fatta. Perché, stando a quanto dicono gli scienziati che l’hanno scoperta e caratterizzata, le sarebbe bastato un pizzico di massa in più per farla collassare su se stessa, schiacciata dalla sua stessa forza gravitazionale, e farle cominciare ad attirare tutta la materia circostante. Ma è comunque un oggetto da record: si tratta infatti della stella di neutroni più massiccia mai osservata finora. Contiene oltre due volte la massa del Sole, compressa in una sfera di appena 30 chilometri di diametro – si pensi, per confronto, che la nostra stella ha un diametro di quasi un milione e mezzo di chilometri.

L’oggetto si chiama J0740+6620 e le sue caratteristiche sono state studiate da un’équipe di ricercatori del National Radio Astronomy Observatory alla University of Virginia e pubblicate sulla rivista Nature Astronomy.

Stelle di neutroni e buchi neri

Le stelle di neutroni rappresentano l’ultima fase di vita di stelle molto grandi, che pesano tra 8 e 30 volte più del Sole. Quando esauriscono il carburante che innesca e mantiene attive le reazioni di fusione nucleare che avvengono al loro interno, queste stelle cominciano a espellere violentemente materiale nello spazio circostante. Infine, collassano sotto la propria forza gravitazionale, accorpando tutta la materia rimanente (generalmente dell’ordine di una o due volte la massa del Sole) in uno spazio piccolissimo. Ne risulta un oggetto ad altissima densità, pari a quella che si misura nei nuclei degli atomi: le stelle di neutroni, per l’appunto.

I buchi neri, come accennavamo, si formano più o meno allo stesso modo, anche se hanno bisogno di una massa di partenza ancora maggiore: al momento non è mai stato osservato un buco nero più leggero di cinque masse solari. Uno dei problemi ancora irrisolti riguarda, per l’appunto, la zona grigia tra stelle di neutroni e buchi neri, e in particolare il calcolo preciso della massa massima (ci si perdoni il gioco di parole) che porta alla formazione di una stella di neutroni e della massa minima necessaria alla formazione di un buco nero.

E poi riuscimmo a misurar le stelle

Il metodo usato per la misurazione della massa di una stella di neutroni. Credits: Yukterez/Wikimedia Commons
Misurando la massa di J0740+6620, gli astronomi hanno cercato per l’appunto di trovare una risposta a questa domanda. Riuscirci non è stato facile: la stella di neutroni si trova a oltre 4500 anni luce di distanza dalla Terra e ruota molto velocemente su se stessa. Analizzando le caratteristiche delle onde emesse dalla stella – e misurando in particolare un effetto chiamato ritardo temporale di Shapiro– per un arco temporale di cinque anni, gli scienziati sono riusciti a determinare la massa della stella stessa, pari a 2,14 masse solari, espressa in un intervallo di confidenza del 68,3%, il che la rende la stella di neutroni più massiccia mai osservata con questa precisione.

In passato sono state individuate altre due stelle di neutroni, PSR J2215+5135 e PSR B1957+20, con massa stimata di 2,27 e 2,4 masse solari rispettivamente, ma si tratta di misure meno attendibili rispetto a quelle condotte con il metodo usato dagli autori dello studio attuale. E dunque, fino a prova contraria, il record spetta a J0740+6620.





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Galileo

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Alzheimer, farmaco fa scomparire placche al cervello in un anno

Studio preliminare ma ‘incoraggiante’,rallenta declino cognitivo

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Research for new treatment of Alzheimer disease [ARCHIVE MATERIAL 20110831 ]

Un farmaco, nei test preliminari sull’uomo, ha mostrato la capacità di diminuire la quantità di placche amiloidi, l’accumulo di proteine nel cervello cheè considerata la causa dell’Alzheimer. Lo afferma uno studio pubblicato sulla rivista Nature, secondo cui ci sarebbero nei pazienti anche segni di rallentamento del declino cognitivo.

Alzheimer

Alzheimer, raffronto tra un cervello sano e uno malato


Il farmaco aducanumab, un anticorpo monoclonale che ‘insegna’ al sistema immunitario a riconoscere le placche, è stato testato su un gruppo di 165 persone con Alzheimer moderato, metà delle quali ha ricevuto una infusione settimanale, mentre gli altri hanno avuto un placebo. Chi ha ricevuto il principio attivo ha mostrato una progressiva riduzione delle placche, spiegano gli autori. “Dopo un anno – sottolinea Roger Nitsch dell’università di Zurigo, che definisce i risultati ‘incoraggianti’ – le placche sono quasi completamente scomparse”.





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Quando e come torneremo sulla Luna?

A 50 anni dallo storico sbarco, ecco cosa ci riserva il domani dei viaggi verso il nostro satellite

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“L’aquila è atterrata”. Questo è stato il codice che segnalava, il 20 luglio 1969, l’arrivo dell’Apollo 11, e dell’essere umano, per la prima volta sulla Luna. Una delle esperienze più intense e cariche di entusiasmo – scientifico, culturale, politico – che il mondo, incollato allo schermo del televisore o alla radio, abbia mai vissuto, tanto che a 50 anni esatti da quel giorno il sogno di rivivere in tempo reale quel momento è più che mai diffuso, e non solo per il grande pubblico.

Sono le stesse agenzie spaziali, negli ultimi anni, a manifestare una ritrovata spinta verso il nostro satellite, con progetti nuovi, tecnologie completamente rivoluzionate e ripensando gli obiettivi, (se possibile) ancor più in grande che in passato. “Torneremo presto sulla Luna“, rassicurano gli addetti ai lavori di tutto il globo. Ma quando succederà? In che modo? E a fare esattamente cosa? 

Non manca (forse) molto

A esporsi maggiormente negli ultimi mesi è sopratutto la Nasa, che ha annunciato come possibile data d’inaugurazione di una nuova generazione di allunaggi il 2024, tra meno di cinque anni – non senza un certo scetticismo da parte di chi pesa in dollari l’impresa e invita alla cautela. L’agenzia americana non è però sola e anzi, a differenza dei tempi delle navicelle Apollo, cuore pulsante della fatidica corsa allo Spazio e del testa a testa per la supremazia tra gli Stati Uniti e l’Unione Sovietica, ora la spinta verso la Luna sembra più un’opera collettiva, dove nessuno è davvero escluso.  

Dal 2013 è sopraggiunta la Cina, per esempio, l’unica oltre ai due sopraccitati finora ad aver già toccato il nostro satellite con le sonde, e a gennaio di quest’anno persino con un lander, un mezzo che per primo ha raggiunto persino il suo lato nascosto. Tra i protagonisti di questa nuova fase c’è poi Israele, che ha da poco messo in atto i suoi piani per orbitare ed esplorare la Luna, e per ultima l’India. E ci siamo naturalmente anche noi dall’Europa, con il contributo tecnologico dell’Esa, e il Giappone, con laJaxa, entrambe a stretto contatto con la Nasa.

Ma non solo. Come su altri fronti delle scienze spaziali, stanno prendendo parte alla scena anche volti nuovi e appartenenti al settore privatoJeff Bezos di Amazon con la sua Blue Origin, per esempio, Elon Musk di SpaceX, ma anche le storiche company dell’aeronautica Boeing e Lockheed Martin. Per la prossima aquila, insomma, non saranno presenti solo molti spettatori, ma anche molti, moltissimi attori. 

Ritorno sulla Luna: ma dove?

Da quando Neil Armstrong, Buzz Aldrin e Michael Collins sono entrati per la prima volta in contatto col nostro satellite, il nostro ruolo si è fatto decisamente più attivo all’interno del Sistema solare: ci siamo spinti con sonde robotiche attorno a pianeti diversi dalla Terra, abbiamo inviato rover su Marte, ci siamo installati in via permanente in orbita, con la Stazione spaziale internazionale. Grazie all’esperienza maturata sul fronte tecnologico possiamo non solo permetterci di ripensare il progetto-Luna in una versione nuova di zecca – più sicura, rapida e sostenibile di un tempo –  bensì anche immaginare di andare laddove nessuno è ancora riuscito.

Uno dei luoghi che suscita oggi più interesse, spiegano gli esperti dell’Esariferendosi in particolare alle missioni robotiche, è il bacino Polo sud-Aitken, un gigantesco cratere di origine meteorica localizzato sulla sua faccia nascosta, l’emisfero che non possiamo mai osservare direttamente dalla Terra. Perché proprio lì? Perché quest’area, che si estende per oltre 2.500 chilometri di diametro e che va anche molto in profondità (forse anche 200 chilometri), potrebbe consentire agli scienziati di ricavare informazioni sulla stratificazione della crosta del satellite, fino quasi al mantello: una vera e propria miniera a cielo aperto di informazioni geologiche. 

Lo studio dei luoghi e dei resti delle collisioni, nello Spazio, ha d’altronde un’importanza strategica per la conoscenza della storia evolutiva di un oggetto, così come di quelli circostanti. E, perché no, di quella della nostra specie e, più in generale, della vita. L’osservazione dei crateri sulla superficie della Terra è stata la “scatola nera” per le ipotesi sulla scomparsa dei dinosauri, per esempio, e senza le ricerche e i modelli costruiti grazie all’indagine sui crateri lunari non sarebbe, molto probabilmente, stata possibile. Tornare sulla Luna, insomma, potrebbe insegnarci ancora molto sul nostro passato, e aiutarci a fare previsioni anche sul nostro futuro 

Altro punto “caldo”, sempre nei pressi del Polo sud lunare, è il cratere Schrödinger: un’area che conterrebbe, stando ai rilevamenti a distanza, grossi quantitativi di acqua ghiacciata nel sottosuolo, acqua che potrebbe essere utilizzata in situ per produrre idrogeno e ossigeno da impiegare come propellente per gli stessi mezzi spaziali. Oltre che, naturalmente, per la sopravvivenza.

Un nuovo viaggio 

Al centro della scena, in termini di mezzi di trasporto, è sicuramente lo Space Launch System (o Sls), il lanciatore spaziale di ultima generazione che sta assorbendo la maggior parte delle energie dei cantieri Nasa: alto 65 metri (più della torre di Pisa, che ne misura 57) e con una potenza senza precedenti, dovrebbe riuscire a sollevare fuori dall’atmosfera oltre 70 tonnellate di peso – e ritorno. Puntando a diventare completamente  completamente sostenibile entro il 2028, prima nei viaggi in direzione Luna e poi, se tutto andrà come previsto, su Marte, Giove, Saturno, e persino fuori dal Sistema solare. È su di lui che si punta per accompagnare le navicelle passeggeri nei viaggi spaziali più lontani di sempre.

Concept dello Space Launch System (Credit immagine: Nasa)

E anche per quanto riguarda i veicoli per gli equipaggi si guarda a scala e performance aumentate. Per rifarsi gli occhi su quanto l’abitacolo del futuro sarà più confortevole del modulo di comando di Apollo 11, con i suoi soli sei metri cubi a disposizione per gli astronauti, basta uno sguardo alla capsula Orion, la navicella progettata dalla Nasa per i viaggi passeggeri a lunga gittata nello Spazio (Luna, altri pianeti, asteroidi, sempre in modalità andata e ritorno).

Gli interni per l’equipaggio della capsula Orion (Credit immagine: NASA Orion Spacecraft via Flickr)

Si tratta del sistema di trasporto per esseri umani più avanzato oggi a disposizione, e proprio i primi di luglio il suo sviluppo ha appena centrato un ultimo, forse il più importante, bersaglio: il superamento del test di sicurezza per antonomasia, il cosiddetto Ascent Abort-2. In pratica, la simulazione di un incidente in fase di lancio dove riuscire a preservare l’incolumità dei membri dell’equipaggio sbalzando in tempi rapidissimi la capsula via dal vettore. Eseguito per ora senza nessuno in carne e ossa a bordo, è riuscito però alla perfezione, come si vede in questo video.

Una finestra aperta sulla Luna

O meglio: una stazione cislunare, in orbita attorno al nostro satellite naturale, da impiegare come base permanente per il soggiorno degli equipaggi e punto di appoggio per i blitz sulla superficie della Luna. È quello che Nasa e Roscosmos, l’agenzia spaziale russa, hanno soprannominato Lunar Gateway, un piano congiunto per provare a rendere il futuro dell’esplorazione lunare più stabile e prolungata nel tempo, nonché più sicura. 

Come sarà il Lunar Gateway (Crediti immagine: Nasa)

In via concettuale il progetto, per ora ancora in fase di studio e assegnazione dei lavori, somiglia molto a quella che è per la Terra la Stazione spaziale internazionale, e stando alle dichiarazioni degli addetti ai lavori, potrebbe iniziare a prendere forma già nel 2024, con il lancio e l’assemblaggio dei primi moduli. Una volta assestato, il Gateway fornirebbe un appoggio fondamentale per Orion e per i materiali, i rifornimenti e gli esperimenti diretti sulla Luna, a partire dal 2028. Oltre che, naturalmente, una postazione assolutamente privilegiata per l’osservazione diretta e per pilotare mezzi a distanza sulla superficie. 

Ma non solo: anche un “modello” da replicare, se non addirittura un avamposto, per i viaggi alla scoperta di altri nostri vicini di casa. Primo tra tutti, Marte. 

Andare per restare

Due ore e un quarto di passeggiata sul suolo lunare, circa sei ore dopo aver parcheggiato il modulo di comando dell’Apollo 11: questa la durata totale del soggiorno di Armstrong e Aldrin durante lo sbarco sulla Luna prima del rientro e del tuffo nell’oceano Pacifico, quattro giorni dopo. 

Quella del futuro sarà invece tutt’altro che una toccata e fuga: se tutto va come previsto, andremo sulla Luna per restarci sempre più a lungo, sperimentare, analizzare, costruire vere colonie. Certo è tutto ancora più simile a un film di fantascienza che alla realtà, ma sono moltissime le idee in corso di valutazione per prepararci ad abitare in qualche modo il nostro satellite, in assenza di atmosfera ed esposti più che mai alle radiazioni solari. Tra le strategie possibili, trovare riparo in cavità naturali, motivo per cui gli scienziati portano avanti tuttora sulla Terra appositi esperimenti ed esercitazioni da poter esportare e mettere in pratica una volta lassù.

Un’altra possibilità è quella di mettere al lavoro una fitta schiera di robot controllabili a distanza capaci di confezionare al posto nostro un habitat confortevole e sicuro, sfruttando il più possibile i materiali naturalmente disponibili e le tecnologie più opportune. Tra queste non mancherà la stampa 3D, che potrebbe consentire di edificare nello Spazio sfruttando come materia prima nientemeno che la regolite, la polvere che ricopre il nostro satellite, con la quale formulare mattoni ben più solidi del cemento delle nostre abitazioni qui sul pianeta Terra.





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