Un “cappello di Schroedinger” per l'invisibilità

È stato battezzato “cappello di Schroedinger” il dispositivo progettato da alcuni matematici dell'Università di Washington (UW) che teoricamente è in grado di amplificare la luce, le onde sonore e altri tipi di onde nascondendole al contempo all'interno di un contenitore invisibile. 

Il grafico mostra un'onda di materia che colpisce le pareti del "cappello di Schroendinger": all'interno l'onda è amplificata; all'esterno procede come se non avesse mai incontrato alcun ostacolo .

Un gruppo internazionale di matematici ha previsto per via teorica un nuovo dispositivo per produrre un “mantello dell’invisibilità” che consentirebbe di amplificare le onde elettromagnetiche, acustiche e quantistiche al suo interno rendendole non percepibili dall’esterno. Il risultato potrebbe aprire la strada alla costruzione di un microscopio quantistico, da utilizzare, per esempio per controllare i processi elettronici che si verificano sul chip di un computer.

I richiami del nome sono evidentemente due: il paradosso quantistico del “gatto di Schroedinger” (grazie all’assonanza tra i termini “cat” a “hat” in inglese) e il cilindro dei prestigiatori. 
"In un certo senso, il paragone è azzeccato, dal momento che all’interno del "cappello" si verifica qualcosa di magico, anche se assolutamente scientifico”, ha spiegato Gunther Uhlmann, professore di matematica dell'UW che firma con i colleghi l’articolo apparso sui “Proceedings of the National Academy of Sciences”.
La loro ricerca si inserisce nel fecondo ambito di studi sulla possibilità di deflettere in modo controllato le onde elettromagnetiche mediante l’ottica trasformativa e i metamateriali che prende il nome di “mantello dell'invisibilità” (o cloaking, in inglese) perché consente di produrre effetti di propagazione ondosa che non si possono osservare in natura e che riguardano un’ampia gamma di fenomeni: elettrostatici, elettromagnetici, acustici e quantomeccanici.
In termini teorici, il cloaking ideale produce un disaccoppiamento tra le parti dell’onda all’interno della regione schermata e l’esterno, determinando sia l’impossibilità di rilevare dall’esterno la presenza di un oggetto all’interno, sia l’impossibilità da parte delle onde che provengono dall’esterno di penetrare all’interno.
Nei dispositivi reali ciò che si può fare è ridurre al minimo l’accoppiamento tra interno ed esterno, anche se si verificano stati risonanti che distruggono sia l’invisibilità sia la schermatura. In prossimità di questi valori risonanti è possibile definire parametri di cloaking in modo che i flussi entrante e uscente siano bilanciati in modo preciso, permettendo un miglioramento dell’invisibilità pur pagando una certa penetrazione delle onde dall’esterno.

"E' possibile isolare o ingrandire ciò che si vuole vedere, rendendo il resto invisibile”, ha aggiunto Uhlmann. “L'amplificazione delle onde all’interno raggiunge valori incredibili, ma nonostante ciò è impossibile vedere ciò che succede all'interno del contenitore”.
La scelta del primo ambito di applicazione in questo caso ha ben poco di spettacolare: i ricercatori hanno infatti proposto di manipolare onde quantistiche di materia, una capacità che potrebbe aprire la strada alla costruzione di un microscopio quantistico, da utilizzare, per esempio per controllare i processi elettronici che si verificano sul chip di un computer.
“Dal punto di vista sperimentale, ritengo che l'aspetto più affascinante sia l'incredibile capacità di realizzare materiali per l'invisibilità acustica”, ha concluso Uhlmann. "Le lunghezze d'onda per le microonde, per i suoni e per le onde quantistiche di materia sono più ampie di quelle della luce e delle altre onde elettromagnetiche, il che rende più agevole rendere invisibili oggetti utilizzando questi fenomeni. Speriamo che si possa passare presto alle applicazioni, anche se è presto per dirlo”.

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Il primo network quantistico

Dei computer quantistici si è parlato tanto negli ultimi anni, ma nessuno finora era mai riuscito a mettere in comunicazione due macchine attraverso una rete sicura e affidabile. Infatti quando due persone scambiano tra loro informazioni in rete, spesso è necessario criptarle per evitare che qualcuno le possa manipolare a nostra insaputa. Un obiettivo irraggiungibile per i network fotonici, almeno fino a oggi.

 

Come dimostra uno studio pubblicato su Nature, anche le informazioni veicolate da reti di computer quantistici possono essere codificate. Tutto grazie a un sistema quasi infallibile che sfrutta le proprietà degli atomi di presentarsi in diversi stadi di energia. Non è una novità per la fisica quantistica ma, come spiega Stephan Ritter - fisico del Max-Planck-Institut für Quantenoptik e autore della ricerca - il passo fondamentale è stato integrare queste caratteristiche in un network chiuso.

Il team di ricerca ha steso un cavo in fibra ottica di 60 metri sotto la strada che separa due dei suoi laboratori, creando un mini-network dotato di due nodi principali (A e B). Ognuno dei due punti della rete ospita un atomo che può avere stadi di energia separati definiti come 0 e 1, proprio come accade per i bit dei normali computer.

L'unica differenza consiste nel fatto che applicando un laser all'atomo A, viene generato un fotone che viaggia attraverso il cavo fino al nodo B, dove viene assorbito dal secondo atomo. Questo passaggio di informazioni modifica lo stato quantistico dell'atomo B, sincronizzandolo su quello del primo. In pratica, è come se avvenisse uno scambio di password attraverso un network tradizionale. Infatti, le keyword di criptazione viaggiano come pacchetti di dati sul network in cui transita anche il resto delle informazioni.

Ma il fatto che la password quantistica dipenda dalla sollecitazione di un atomo fa sì che sia praticamente impossibile riprodurla agendo dall'esterno. Già, perché nel momento in cui un estraneo al network usa un laser per “leggere” lo stato di un atomo ottiene inevitabilmente una firma del tutto differente da quella iniziale. Come dimostra il paradosso di Schroedinger, è impossibile sapere se il gatto è vivo o morto fino a quando non apriamo la sua famosa scatola.

Inoltre, il network sviluppato da Ritter è perfettamente scalabile. Basta aggiungere un nodo C che riceva la keyword generata da A e B per allargare la protezione a qualsiasi utente faccia parte della rete fotonica. Tutto grazie al fenomeno dell'entanglement quantistico, che permette di trasferire lo stadio di energia di un singolo atomo a qualsiasi altro nodo.

Agli scienziati ora non resta che lavorare sodo per rendere commerciabile questo tipo di tecnologia: per generare il fotone A, infatti, sono necessarie apparecchiature da laboratorio molto sofisticate che occupano molto più spazio di un banale modem.
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L'universo Digitale

Nel corso degli ultimi vent'anni i fisici hanno capito molto di come l'universo immagazzina informazione, arrivando a ipotizzare che sia l'informazione, e non la materia e l'energia, a costituire l'unità fondamentale dell'esistenza. L'informazione si trasmette in frammenti minuscoli; da questi frammenti deriva lo spazio.

Siamo tutti degli ologrammi?

Il mondo potrebbe essere una gigantesca illusione. I volumi, le profondità dello spazio e anche la gravità potrebbero non essere proprietà così fondamentali come crediamo. La realtà ultima, la verità delle leggi della natura, sarebbe forse scritta su una superficie, come un'immensa pagina di un libro che contiene il cosmo.
O meglio, una pellicola dalla quale si può proiettare il mondo che percepiamo. Lo afferma un principio ipotizzato anni fa dal fisico olandese Gerard't Hooft docente all'università di Utrecht e premio Nobel per la fisica nel 1999. Un principio controverso, che recentemente è tornato ad animare le discussioni, perché è stato applicato alla Teoria delle stringhe e si spera che possa aprire nuove strade alla Teoria del Tutto, è il "Principio dell'ologramma" (principio olografico).
Le radici dell'idea risalgono agli anni 70 quando i fisici cominciarono a studiare i Buchi neri. Essi sono delimitati da una superficie (quasi) nera detta "orizzonte degli eventi" : tutto ciò che si trova all'interno, perfino la luce resta intrappolata nel campo gravitazionale e non può uscire.
Fin dall'inizio si sospettava che l'informazione contenuta nei buchi neri (sotto forma di atomi e radiazioni) si potesse interamente ritrovare e leggere sulla loro superficie. Strano!? Sì: sarebbe come "leggere" tutto l'interno del corpo umano su una superficie piana a due dimensioni. Più precisamente, la superficie del buco nero risulterebbe suddivisa in tante cellule invisibili dette "aree di Planck". Sarebbero piccolissime e sarebbero come i pixel (quadratini) di cui si compone un'immagine digitale o un'area di memoria di un computer: ogni area può, semplificando, contenere un bit d'informazione, cioè 0 o 1.

L'idea è che sulla superficie rimanga memoria "scritta" sotto forma di bit di tutto ciò che cade nel buco nero. Queste considerazioni portarono Gerard't Hooft a ipotizzare il "Principio olografico": è possibile cioè "proiettare" la superficie di un buco nero e ricostruire tutto ciò che vi cade dentro. Si chiama così perché è simile al principio sul quale si basano gli ologrammi tradizionali, che sono registrati su una pellicola 2D e, proiettati, generano un'immagine tridimensionale. Per spiegare come sia possibile, Hooft ricorre a un esempio, un esperimento mentale: immaginiamo un oggetto -per esempio una mela- che cada in un buco nero. Un osservatore lontano non vede la mela oltrepassare l'orizzonte degli eventi, ma la vede sempre fissa lì, perché (questo lo dicono le leggi della relatività ) all'orizzonte il tempo sembra fermarsi. Spiega Hooft "Accade una cosa strana: la mela che è un'oggetto 3D, a un certo punto diventa 2D all'orizzonte". L'informazione della mela, che era scritta nelle sue fibre e nelle sue molecole, si distribuisce su una superficie sferica ed è come se si trasformasse in bit.
“Forse i veri processi fisici dell’Universo si svolgono su una remota superficie che lo circonda tutto e noi ne vediamo solo le proiezioni. Forse l’Universo è in realtà un ologramma.”

Forse il mondo è sfuocato. E non è una metafora. Craig Hogan, fisico all'Università di Chicago e direttore del Fermilab Particle Astrophysics Center, ritiene che se potessimo scrutare le più minuscole suddivisioni dello spazio e del tempo scopriremmo un universo pervaso da un tremolio intrinseco, il ronzio sonnolento di una radio non sintonizzata. Questo non ronzio non deriva da particelle che appaiono e scompaiono (le particelle virtuali) o da qualche altro tipo di schiuma quantistica di cui hanno discusso i fisici in passato. Il rumore di Hogan si verificherebbe, invece, se lo spazio non fosse liscio e continuo, un fondale levigato per la danza di campi e particelle come lo immaginiamo da tempo. Il rumore di Hogan compare se lo spazio è fatto di pezzi. Blocchi. Frammenti. Il rumore di Hogan implicherebbe che l'universo sia digitale.

Nel film StarTrek: Il futuro ha inizio, Spock consegna l'equazione che consente di poter effettuare il teletrasporto su una nave che viaggia a velocità curvatura ad uno scienziato che, alla vista di ciò, esclama:

Non avrei mai pensato che fosse lo spazio a muoversi!

Questo articolo rappresenta il mio contributo al "Carnevale della Fisica #30".














Fonti:

• https://sites.google.com/site/gruppomizar/scienza-e-coscienza/prova
• LeScienze n°524, L'universo quantistico

Una luce diversa sull'Incertezza

Prima dell'indeterminazione, viene la fruibilità di un concetto
a seconda di come viene veicolato:
è peggio chi non sa difendersi da un male da chi deliberatamente lo fa?

Il principio di indeterminazione di Heisenberg è probabilmente il più famoso fra quelli su cui si fonda la fisica quantistica. Esso afferma che non tutte le proprietà di una particella quantistica possono essere misurate con precisione illimitata. Finora, questo è stato spesso giustificato dalla convinzione che ogni misura debba necessariamente disturbare la particella quantistica, distorcendo il risultato delle altre misurazioni, cosa che, tuttavia, risulta essere una semplificazione

L'arte della fisica quantistica messa bianco su nero (paradossalmente, non Nero su Bianco :) )

I fratelli Coen la pensano così

Tuttavia..
per la prima volta viene sperimentalmente confermato che è possibile distinguere due distinte fonti di indeterminazione delle particelle quantistiche, una legata al processo di misurazione, l'altra no. Inoltre, in una gamma di situazioni sperimentali viene violata la formulazione originale di Heisenberg del principio, che pure resta valido.

Come viene illustrato in un articolo pubblicato su "Nature Physics", l'influenza della misurazione sul sistema quantistico non è sempre la ragione dell'incertezza.
In esperimenti con i neutroni e Yuji Hasegawa e i suoi collaboratori al Politecnico di Vienna University e della Nagoya University, sono stati in grado di distinguere diverse fonti di incertezza quantistica, convalidando precedenti risultati teorici di alcuni ricercatori giapponesi.
E' noto che alcune grandezze fisiche non possono essere valutate simultaneamente: "Anche oggi si cita il famoso esperimento mentale di Heisenberg sull'utilizzo della radiazione luminosa per misurare la posizione di un elettrone", osserva Jacqueline Erhart, che ha preso parte alla ricerca. Per misurare la posizione di una particella con una precisione elevata bisogna ricorrere a una luce di lunghezza d'onda molto corta, e quindi altamente energetica. Ciò si traduce nel trasferimento di una certa quantità di moto alla particella e pertanto non è possibile misurare con esattezza sia la posizione sia il momento. E lo stesso vale per altre coppie di grandezze fisiche. In situazioni simili, un errore in una misura porta inevitabilmente a ripercuotersi su altre misurazione altri e Heisenberg aveva stabilito che il prodotto di errori e disturbi non puòessere inferiore a un certo valore.
Tuttavia, spiega Sponar Stephan, coautore dello studio, l'effetto della misura sul sistema quantistico non è il cuore del problema: "tali disturbi sono presenti anche nella fisica classica, mentre l'incertezza è radicata nella natura stessa delle particelle quantistiche, che non possono essere descritte come oggetti puntiformi con una ben definita velocità: si comportano come un'onda e per un'onda, la posizione e la quantità di moto non possono essere definite con precisione simultaneamente.
"Per descrivere l'incertezza fondamentale e il disturbo aggiuntivo dovuto al processo di misurazione, devono essere trattate nel quadro della teoria quantistica tanto le particelle quanto i dispositivi di misurazione", afferma un altro dei ricercatori, George Sulyok, richiamando il contributo portato nel 2003 dal giapponese Masanao Ozawa, che ha introdotto un principio di indeterminazione generalizzato. Le equazioni di Ozawa contengono diversi "tipi di incertezza", quella che deriva dalla misura, ma anche un'incertezza quantistica fondamentale, che è presente in ogni sistema quantistico, indipendentemente dalla misura.
Attraverso una sofisticata progettazione di un esperimento i fisici di Vienna sono ora riusciti a studiare questo secondo contributo all'incertezza. Invece di misurare posizione e momento di una particella, i ricercatori hanno misurato lo spin dei neutroni. Le componenti lungo l'asse x e l'asse y dello spin soddisfano peraltro anch'esse le condizioni della relazione di indeterminazione e non possono essere misurate con esattezza contemporaneamente.
In due esperimenti gli spin dei neutroni sono stati variamente ruotati realizzando un gran numero di misure correlate a piccoli, ben definiti cambiamenti nell'apparato di misura, che hanno permesso di studiare l'interazione tra diverse fonti di incertezza.
"La regola per cui quanto più piccolo è l'errore in una misura, tanto maggiore è l'imprecisione nelle altre, vale ancora. Ma il prodotto di errore e disturbo può essere reso arbitrariamente piccolo, anche più piccolo di quanto permetterebbe la formulazione originale di Heisenberg del principio di indeterminazione", ha detto Yuji Hasegawa.

"Il principio di indeterminazione è naturalmente ancora valido", confermano i ricercatori. "Però l'incertezza non sempre proviene dall'influenza perturbatrice della misura, ma dalla natura quantistica della particella stessa."

Fonte

Titolo originale: Ripensare il principio di indeterminazione di Heisenberg

Scoperti comportamenti classici nel mondo quantistico

Finora si riteneva che alle nanoscale i fenomeni quantistici prevalessero sempre su quelli classici, ponendo forti limiti alla miniaturizzazione dei circuiti elettronici. Ora si è scoperto che un particolare tipo di dopaggio dei semiconduttori permette di conservare il comportamento classico delle cariche elettriche a dimensioni molto inferiori di quelle attese.

Living in a Quantum World

Una delle leggi fondamentali che regola il comportamento dei conduttori al passaggio di corrente elettrica è la legge di Ohm, scoperta nel 1825 dal fisico tedesco Georg Simon Ohm. Si tratta di una regola empirica basata sull'osservazione che le proprietà di trasporto delle cariche elettriche dei materiali mostrano un comportamento lineare: la tensione che si sviluppa attraverso un materiale conduttore è direttamente proporzionale alla corrente che lo attraversa, e la costante di proporzionalità che interviene è appunto la resistenza.

A partire dagli anni venti del secolo scorso, ci si aspettava che questo comportamento classico operasse su scala macroscopica, ma che su scala microscopica fosse sostituito dalla nuova meccanica quantistica. Al posto del movimento degli elettroni puntiformi del mondo in cui vige la fisica classica, ci si troverebbe di fronte alla diffusione delle onde quantistiche, dal comportamento molto diverso, che dovrebbe portare a una limitazione delle prestazioni dei dispositivi elettronici che si avvicinano alla nanoscala.

Il trasporto nel mondo quantistico è infatti caratterizzato dalla coerenza, dove il comportamento di fase delle onde può rimanere indisturbato su distanze (relativamente) considerevoli e questo può determinare a sua volta fenomeni di interferenza fra le onde.

Per questo si riteneva che, considerate le scale a cui sta arrivando la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, la validità della cosiddetta "legge di Moore" - per la quale il numero di transistor per unità di superficie che possono contenere i processori, e quindi le loro prestazioni, raddoppia ogni 18 mesi - sarebbe stata prossima alla fine.

Quantum Electronics- Art

Come è illustrato in un articolo pubblicato su "Science", un gruppo di ricercatori dell'University of New South Wales, della Purdue University e dell'Università di Melbourne ha dimostrato che, contrariamente a quanto ritenuto, la legge di Ohm può invece restare valida anche a dimensioni nanoscopiche e a temperature molto basse.

I ricercatori hanno ottenuto questi nanofili depositando con un microscopio a effetto tunnel atomi di fosforo a distanza di un nanometro uno dall'altro su una superficie di silicio, realizzando quindi un dopaggio molto alto del materiale. In questo modo hanno ottenuto nanocavi dello spessore compreso fra gli 1,5 e gli 11 nanometri che conservavano le capacità di trasporto elettrico proprio dei cavi di rame.

La conservazione del comportamento classico, osservano i ricercatori, sarebbe dovuto proprio a questo tipo di dopaggio, che porterebbe alla decoerenza delle onde quantistiche e quindi al loro collasso a particelle grazie ai fenomeni dissipativi dovuti a processi collisionali che avvengono nel materiale: ciò si riflette sulla conducibilità.

Questa - osservano gli autori - è una buona notizia per l'industria dei semiconduttori, che a questo punto può sperare di contare ancora per molti anni sulla legge di Moore.

Fonte

Wipeout diventa realtà

Wipeout è un videogioco di corse futuristiche anti-gravità. Alcuni ricercatori del Japan Institute of Science and Technology hanno prodotto un circuito dove i veicoli riescono a gareggiare grazie alla superconduzione.

Here is a short footage on our recent work on quantum levitation. We were inspired by the game Wipe'out to do our work. With this new technology, we hope to revolutionize the world of motor transport; Maybe in a near future we could assist to a real Wipe'out race.

Ecco il loro video:

La Quantum Levitation è uno dei fenomeni più interessanti da osservare. Chissà se un giorno verrà impiegata per migliorare qualche aspetto della routine moderna..

Articolo correlato:

• http://erafutura.blogspot.com/2011/10/la-super-magia.html

Un esperimento mentale per il gatto di Schrödinger

Da uno studio svizzero-canadese arriva una proposta per risolvere la versione moderna del celebre paradosso ideato dal padre della meccanica quantistica per mettere in luce l’apparente assurdità del principio di sovrapposizione secondo cui un oggetto quantistico non osservato può trovarsi in più stati differenti. Ma l’attuale accuratezza degli apparati sperimentali non sarebbe ancora sufficiente a dare una risposta finalmente definitiva al rompicapo.

Un simpatico esemplare di felino

I paradossi della meccanica quantistica, tra cui il famoso "gatto di Schrödinger", continuano a far discutere la comunità dei fisici. E a quanto pare è ancora in voga l’esperimento mentale tanto caro ad Einstein e colleghi, almeno stando a quanto hanno postato su arXiv Christoph Simon, fisico dell’Università di Calgary, e colleghi.

Erwin Schrödinger, un dei padri della meccanica quantistica, formulò il suo paradosso nel 1935 per mettere il luce l’apparente assurdità del principio di sovrapposizione, secondo cui un oggetto quantistico non osservato può trovarsi in più stati differenti (più precisamente in una sovrapposizione di stati differenti).

Egli propose una situazione immaginaria in cui una scatola contiene un nucleo radioattivo, un contatore Geiger, una fiala di gas e un gatto. Il contatore Geiger è predisposto per rilasciare il gas velenoso, in grado di uccidere il gatto, se rivela una qualunque radiazione derivante da decadimento nucleare. Il sistema segue in definitiva le regole della meccanica quantistica, perché il decadimento nucleare è un processo quantistico.

Se l’apparato viene osservato dopo qualche tempo, il nucleo potrebbe essere decaduto o meno, e in definitiva il gatto può essere o meno morto. La meccanica quantistica ci dice però che, prima che l’osservazione venga fatta, il sistema è in una sovrapposizione di entrambi gli stati: il nucleo è decaduto e non decaduto, il veleno rilasciato e non rilasciato e il gatto è sia vivo sia morto.

Il paradosso di Schrödinger serve a esemplificare il fenomeno di "micro-macro entanglement", in cui la meccanica quantistica permette in linea di principio che un oggetto microscopico e uno macroscopico possano avere una relazione molto più stretta di quanto permesso dalla fisica classica.

La via più comune per evitare questo problema è fare appello al concetto di de-coerenza quantistica, per cui le interazioni multiple tra un oggetto e l’ambiente circostante distruggono la coerenza della sovrapposizione di stati e dell’entanglement. Il risultato è che l’oggetto appare obbedire alla fisica classica, anche se è in realtà soggetto alle regole quantistiche.

In quest’ultimo studio, Simon e colleghi si sono chiesti che cosa succederebbe se la decoerenza non influenzasse il gatto.

In un esperimento mentale e con l’aiuto di simulazioni al computer, i fisici hanno considerato coppie di fotoni (A e B) generate dalla stessa sorgente con polarizzazioni uguali e opposte. Che viaggiano in direzioni opposte.

Per ciascuna copia di fotoni, A è inviato direttamente verso il rivelatore mentre B viene duplicato molte volte da un amplificatore per generare un fascio di luce macroscopica che sostituisce il gatto. La polarizzazione dei fotoni in questo fascio di luce può essere così misurato.

I ricercatori hanno considerato due tipi di amplificatori differenti: il primo misura lo stato del fotone B, il che ha l’effetto di distruggere l’entanglement con A, prima di produrre ulteriori fotoni con la polarizzazione misurata del fotone B, qualunque essa sia (questo processo è l’analogo dell’osservazione del contatore Geiger per vedere se ha rivelato una qualunque radiazione e per decidere se il gatto è rimasto ucciso o meno).

Il secondo amplificatore semplicemente copia il fotone B senza misurarne lo stato, preservandone così l’entanglement con A.

La domanda a questo punto è la seguente: le polarizzazioni dei fotoni misurate possono differire a seconda dell’amplificatore utilizzato? Nell’esperimento si è riscontrato che i risultati sono assai differenti, purché si raggiunga una risoluzione adeguata. Purtroppo, però, con le attuali tecniche sperimentali la differenza non può essere osservata.

Fonte

Il gatto più famoso

Nello slogan di questo blog "La curiosità uccide i gatti, la curiosità crea gli scienziati" non vengono citati i gatti per puro caso o perchè George Gamow li detestava con tutte le forze. L'espressione I gatti rappresenta un solo gatto, protagonista più che mai nelle nostre vite.


Lo sapevate che Newton aveva un gatto? E lo sapevate ch'egli ha inventato il buco nella porta (gattaiola) che permette al felino di uscire ed entrare senza che arrechi danni psicologici al padrone?
Fonte

Ma il vero protagonista dell'articolo è proprio lui:

 Questa è l'ultima volta che mi faccio mettere dentro una scatola 
~ Gatto di Schrödinger poco prima di esser rimesso in una scatola
 Non rompere le scatole! 
~ Schrödinger in risposta al gatto.
 Utilizziamo i gatti perché hanno 7 vite! 
~ Schrödinger su esperimento del gatto

E ne parla il cinema quantistico dei fratelli Coen:

Pessimo audio

Il Dottor Cooper in The Big Bang Theory


Flash Forward nella puntata Questa casa è anche mia

MA

E' sbagliato.
Secondo Schroedinger la probabilità che il gatto sia vivo o morto deve dipendere da un evento di dimensioni subatomiche, descrivibile da una funzione d'onda (infatti nel paradosso si parla di atomo che decade etc...).
Se il gatto mangia o meno la sardina avvelenata, non ha affatto la stessa probabilità poichè dipende da svariati fattori ed è, comunque, osservabile.

Quelli di Flash Forward c'hanno provato, ma il gatto è morto.


"Il signore del male" ,di J.Carpenter

Ma che volto ha questo gatto? Due.

L'universo di tanto in tanto

Una disciplina che lega l'estremamente grande all'estremamente piccolo: la cosmologia quantistica.


La cosmologia è la scienza che si occupa dell’universo fisico considerato come un singolo oggetto di studio e cerca di conoscerne la sua struttura e la sua storia. Tale scienza include anche lo studio delle origini e dei tristi scenari terminali del cosmo: il Big Crunch e il Big Bounce. L’attuale cosmologia scientifica prende avvio nel 1917 quando Albert Einstein, dopo aver formulato nell’anno precedente, la Teoria della Relatività generale applicò le equazioni di campo gravitazionale ad un modello di universo curvo.
In base ad evidenze sperimentali, oggi, i cosmologi ci dicono che se ripercorriamo a ritroso il tragitto compiuto dal nostro universo, andando indietro nello spazio-tempo, incontreremo stati dell’universo sempre più densi e caldi.
Nel Big Bang i valori di densità e temperatura divergono all’infinito. È questa la singolarità iniziale alla quale i cosmologi assegnano il tempo t=0, ma che non va confuso con l’origine dell’universo.
Questo modello può essere raffigurato a mo’ di cono, come si vede dall'immagine sottostante (molto conosciuta).

Rappresentazione dello sviluppo dell'universo dal Big Bang ad oggi.

Prima Edward Tryon, nel 1973, e poi Stephen Hawking e James Hartle, nel 1983, hanno utilizzato i principi della meccanica quantistica per cercare di spiegare la nascita e lo sviluppo dell’universo. Secondo il modello quantistico la realtà fisica sarebbe potuta emergere spontaneamente dal vuoto (si parla di "Creazione senza Creazione"). In questo modello l’universo può sempre essere rappresentato come una sorta di cono in espansione, ma senza un vero e proprio vertice; la semisfera inferiore rappresenta la nascita del cosmo dal "nulla", per fluttuazione quantistica.

La nascita dell'universo dal "nulla" quantistico.

Le fluttuazioni quantistiche, dette anche "schiuma quantistica", sono il guazzabuglio che salta fuori osservando lo spazio di trama ultramicroscopica. Il concetto può essere riassunto in questa semplice immagine:

La bolla in primo piano rappresenta l'emergere di un universo con il suo kit di leggi fisiche

Quindi, l'universo è una fluttuazione quantistica?
Secondo le leggi della meccanica quantistica, particelle virtuali possono apparire nello spazio vuoto; e fin dalla metà del XX secolo ripetuti esperimenti hanno dimostrato che accada realmente. Tryon si chiese se l'universo potesse essere il risultato di una simile "esplosione quantistica". L'argomentazione diventa meno stravagante se si considera che nella teoria dei quanti tutto è questione di probabilità. Pertanto, tutto è possibile. Specifici eventi possono avere una probabilità irrisoria di avvenire: per esempio, la creazione di un universo dal nulla del vuoto. Ma non sono impossibili. E, nel corso dell'eternità, perchè non dovrebbe verificarsi un evento irrisoriamente improbabile? L'universo, scrisse, Tryon, "è semplicemente una di quelle cose che accadono di tanto in tanto". O, come diceva spesso Guth, "l'universo è il pranzo a sbaffo per antomasia" (tradotto: Universo del pranzo gratuito).*

Fonti:

• http://www.scienzenoetiche.it/forum/viewtopic.php?p=228#p228
• http://www.filosofia.unisal.it/nulla%20interventi/4.%20Rondinara,%20Cosmologia%20quantistica.pdf
• http://astrofili.altervista.org/astronomiateorica/mecc_quant.php
• http://it.wikipedia.org/wiki/Fluttuazione_quantistica

*: passaggio fondamentale tratto dal libro L'universo oscuro, di Richard Panek

Approfondimenti:

• Il mondo quantico: http://erafutura.blogspot.com/2011/09/il-mondo-quantico.html

Questo articolo rappresenta il mio contributo al "Carnevale della fisica #23".

Il mondo quantico

Un'indagine musicale nella natura degli atomi e delle particelle subatomiche, le cose tremolanti che compongono tutto ciò che vediamo.





Lyrics:

[Morgan Freeman]
So, what are we really made of?
Dig deep inside the atom
and you'll find tiny particles
Held together by invisible forces

Everything is made up
Of tiny packets of energy
Born in cosmic furnaces

[Frank Close]
The atoms that we're made of have
Negatively charged electrons
Whirling around a big bulky nucleus

[Michio Kaku]
The Quantum Theory
Offers a very different explanation
Of our world

[Brian Cox]The universe is made of
Twelve particles of matter
Four forces of nature

That's a wonderful and significant story

[Richard Feynman]
Suppose that little things
Behaved very differently
Than anything big

Nothing's really as it seems
It's so wonderfully different
Than anything big

The world is a dynamic mess
Of jiggling things
It's hard to believe

[Kaku]
The quantum theory
Is so strange and bizarre
Even Einstein couldn't get his head around it

[Cox]
In the quantum world
The world of particles
Nothing is certain
It's a world of probabilities

ritornello

[Feynman]
It's very hard to imagine
All the crazy things
That things really are like

Electrons act like waves
No they don't exactly
They act like particles
No they don't exactly

[Stephen Hawking]
We need a theory of everything
Which is still just beyond our grasp
We need a theory of everything, perhaps
The ultimate triumph of science

ritornello

La canzone è singolare: nessuno è mai riuscito a comporre una canzone (anche se qua è un remix) orecchiabile inserendo come tema la meccanica quantistica. Pur essendo il salsa Nerd, il filmato è abbastanza comprensibile e molto profondo. Ovviamente delle conoscenze discrete nella fisica quantistica aiuterebbero ad apprezzare maggiormente il tutto.

Articoli correlati:
La culla dell'umanità

Il DNA “capisce” la meccanica quantistica

Una collaborazione israeliana e tedesca sembra dimostrare che il DNA sia in grado di distinguere lo stato quantico conosciuto come “spin”. La biologia si avvicina sempre più alla fisica dell’estremaente piccolo e forse può aiutarla nello studio della sua parte più complicata.

Se fino a poco tempo fa si fosse fatta la seguente domanda: “Possono I principi della meccanica quantistica essere applicati ai sistemi biologici?”, molti si sarebbero messi a ridere e avrebbero detto: “E’ come se volessimo confrontare le arance con le mele!”. Ed invece sembra che una molecola di notevoli dimensioni, proprio il DNA, sia in grado di districarsi tra i vari stati quantici chiamati “spin”. Non voglio certo andare nei dettagli della meccanica quantistica in questo articolo (lo farà tra non molto il nostro caro Red Hanuman), ma solo mostrare che la vita biologica può aiutare a penetrare i segreti di ciò che potrebbe spiegare le fasi iniziali dell’Universo dopo il Big Bang. Finiremo mai di stupirci davanti alle meraviglie che ci circondano sia all’esterno che al nostro interno?

E’ normalmente assodato che i fenomeni quantici possano avvenire in sistemi fisici di dimensioni limitatissime, come atomi singoli e al più piccole molecole. Per poter studiare questo microcosmo, gli scienziati sono costretti a raffreddare la materia fino a sfiorare lo zero assoluto. Se essa infatti cresce anche di poco, così come le dimensioni del sistema, le proprietà quantiche collassano e la fisica normale ne prende il posto. Le molecole biologiche sono piuttosto grandi e lavorano normalmente a temperature ben più alte di quelle a cui si devono compiere gli esperimenti della fisica dei quanti. Uno si aspetterebbe che alcuni fenomeni tipici dei quanti, come lo “spin”, che esiste in due stati opposti, vengano completamente mischiati nelle molecole biologiche e perdano di qualsiasi significato.

Tuttavia, alcune molecole biologiche hanno una proprietà particolare, sono “chirali”, ossia possiedono la proprietà di avere un’immagine speculare non sovrapponibile a sé come avviene, appunto, nel caso di una mano. In altre parole, queste molecole esistono sia in forma sinistrorsa che destrorsa e non possono mai sovrapporsi una all’altra. Le molecole di DNA a doppio filamento sono doppiamente chirali, sia nella disposizione dei filamenti, sia nella direzione di avvolgimento della spirale ad elica.

Da studi precedenti, il gruppo di ricercatori guidati dal prof. Naaman, avevano già notato che alcune molecole chirali interagivano in modo diverso con stati di spin diversi. Gli ultimi esperimenti sono andati ben oltre, dimostrando che il DNA ha addirittura la capacità di selezionare lo stato di spin che preferisce.

L’esperimento si basa sulla costruzione di uno strato unico di molecole di DNA, attaccato a un substrato di oro. Questa sottilissima pellicola è stata esposta a un gruppo misto di elettroni, con entrambe le direzioni di spin. Il risultato è stato stupefacente. Le molecole biologiche hanno reagito istantaneamente e con forza con gli elettroni di un certo spin, mentre hanno evitato in tutti i modi il “contatto” con quelli di spin opposto. In particolare, le più lunghe sono state anche le più efficienti nell’operare questa rapidissima selezione. La proprietà selettiva decadeva drasticamente per DNA a singolo filamento o che presentava qualche danneggiamento nella catena.

Se ne è derivato che questa capacità eccezionale di scelta deriva dalla natura chirale delle molecole, veri e propri selezionatori di elettroni da un punto di vista quantistico. In altre parole, esse agiscono come “filtri” straordinari per particolari elettroni.

Le prime ricadute sono ovvie ed enormi nel campo della spintronica (elettronica degli spin) che unirebbe sia la parte elettronica che quella magnetica dell’elettrone. I più avanzati calcolatori elettronici cercano attraverso le nanotecnologie di poter sfruttare le proprietà quantistiche degli elettroni. La natura ci fornisce un discriminatore già costruito e funzionante.

Non parliamo poi delle ricadute in campo medico, sia in fase di diagnosi che di cura, in cui si potrebbero sfruttare le capacità delle molecole di interagire con elettroni di un certo carattere quantico.

E chissà che non possano insegnarci qualcosa anche sulle prime fasi dell’Universo… mai dire mai!

Fonte: Astronomia.com

La vita è tutta un’onda?

L'onda "più conosciuta"

A tutti noi sarà capitato, almeno una volta nella vita, di rimanere incantati ad osservare il movimento delle onde del mare, ma che cos’è davvero un’onda?
La risposta, tutt’altro che banale, ci apre le porte di un universo inaspettatamente variegato. Dalla descrizione delle onde che tutti possiamo vedere, come quelle del mare o dei laghi e dei fiumi, alle onde meno evidenti, ma fondamentali per noi perché attraversano il nostro corpo: si pensi alla circolazione sanguigna o alla digestione. E ancora: quando ascoltiamo la musica, cuciniamo al microonde o semplicemente ammiriamo i colori della natura in una bella giornata di sole, abbiamo sempre a che fare con onde sonore, elettromagnetiche e luminose. Ma ci sono anche onde violente, dalle conseguenze terribili: le onde d’urto delle esplosioni e quelle sprigionate da terremoti e tsunami. Se accendiamo il televisore ci accorgiamo che spesso “va in onda un'onda“. E a proposito di ciò che va in onda in televisione, una parte della “neve” che vediamo sullo schermo quando non è sintonizzato su nessuna stazione tv, non è forse un effetto dovuto alla radiazione cosmica di fondo, che ci arriva dai primi momenti dell’universo, prodotta dal big bang?
Tutti i tipi di radiazione sono onde e differiscono tra loro per la lunghezza. Ad un estremo, delle onde corte, ci sono anzitutto i raggi gamma, impiegati ad esempio per la tomografia assiale a emissione di positroni (pet). Seguono i raggi X, che si usano invece per le fotografie. E i raggi ultravioletti, che ci ustionano quando ci esponiamo non protetti al sole in montagna o in spiaggia. All’altro estremo, quello delle onde lunghe, ci sono invece i raggi infrarossi, usati nei telecomandi e per le comunicazioni senza fili tra apparecchi elettronici. Seguono le microonde, che fanno funzionare i forni moderni. Per finire con le onde radio (corte, medie, lunghe), che come dice il nome, sono usate per i programmi radiofonici. Fra i due estremi dello spettro elettromagnetico sta la banda della luce visibile, alla quale reagiscono i nostri occhi, percependo le varie lunghezza d’onda come la tavolozza dei colori, dal violetto al rosso.

Spettro delle onde

Il nostro apparato uditivo reagisce alle onde acustiche, che sono più simili a quelle marine: come queste si trasmettono nell’acqua, quelle si trasmettono infatti nell’atmosfera. E sono prodotte dalle vibrazioni degli strumenti piu’ vari: le corde di una chitarra o di un violino, le membrane di un tamburo, le ali di un moscone, lo schiocco di una frusta. L’acqua e l’aria non sono comunque gli unici elementi che trasmettono vibrazioni e onde: anche la terra lo fa. Quelle che percepiamo in superficie come le scosse telluriche sono prodotte dalle onde sismiche superficiali, alcune delle quali scuotono la crosta terrestre orizzontalmente ed altre verticalmente. Ma in profondità ci sono ben altri sommovimenti che provocano onde primarie e secondarie: di compressione e rarefazione longitudinali le prime e, di vibrazione trasversale le seconde. Neppure “terra, mare e cielo” esauriscono i campi d’azione delle forze ondose, che possono interessare i materiali piu’ disparati, compresi i corpi degli animali. In quelli provvisti di un sistema cardiocircolatorio, ad esempio, la circolazione sanguigna avviene attraverso un moto ondulatorio stimolato dal battito cardiaco. In quelli come i vermi o i serpenti, invece, lo spostamento è prodotto da movimenti ondulatori, rispettivamente longitudinali o trasversali.

Elettroni e fenditure

Ma l’apparizione più sorprendente e misteriosa delle onde è quella scoperta dalla meccanica quantistica all’inizio del novecento. Prima di allora si supponeva che la luce fosse un fenomeno puramente ondulatorio: nel 1807 Thomas Young aveva infatti scoperto che, se un raggio di luce passa attraverso due fenditure, produce fenomeni di interferenza analoghi a quello prodotti dalle onde del mare che passano attraverso due aperture di uno stesso molo. Un secolo dopo, nel 1905, Albert Einstein aveva pero’ scoperto che se un raggio di luce illumina una piastra carica elettricamente, si comporta invece come una scarica di proiettili sparati da un mitragliatore. Dunque, stranamente, in determinate condizioni, un’onda elettromagnetica si comporta come una particella, rivelando di avere quella che in seguito venne riconosciuta e accettata come una natura duale: cioè, non si tratta solo di un’onda, né solo di una particella, ma di entrambe le cose insieme. Nel 1924 un giovane principe di nome Luois De Broglie, suppose che, per simmetria, la cosa dovesse essere vera anche al contrario. Anche le particelle avrebbero dovuto quindi manifestare una natura duale, manifestandosi in determinate condizioni come onde. Tre anni più tardi un esperimento confermò che, quando una scarica di particelle viene sparata contro due fenditure, si comporta come se fosse un’onda e manifesta gli stessi fenomeni di interferenza. Nel 1929 De Broglie ricevette il Nobel per la fisica per aver capito che tutto va in onda! Perché ad essere onda non è solo ciò che sembra esserlo, ma anche tutto ciò che a prima vista non sembra esserlo per nulla. Dunque osservare le onde è un po’ come dire “osservare il mondo intero” e gli osservatori di onde non sono altro che i veri osservatori del mondo, e i veri conoscitori dell’essenza delle cose.

Fonte: Sciencegate

Il gatto di Schrödinger e il teletrasporto

Il teletrasporto non sembra essere più fantascienza. La data fissata in Star Trek, il 2139, come data della scoperta del teletrasporto, pare sia più vicina del previsto.

Teletrasporto in Star Trek

In passato era già successo che alcuni scienziati fossero riusciti ateletrasportare semplici particelle di luce, ma stavolta, nel dipartimento di Fisica applicata dell’Università di Tokyo e nel Center for Quantum Computation and Communication Technology di Canberra, sono riusciti a fare anche di più: hanno creato un dispositivo capace di teletrasportare particelle più complesse, che si trovano in stati quantistici chiamati stati del gatto di Schrödinger. Lo studio si è guadagnato la pubblicazione su Science.

Il gatto di Schrödinger è il protagonista di un famoso esperimento mentale che l’omonimo scienziato austriaco usò nel 1935 per spiegare uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica, ovvero che le proprietà della materia non sono fissate finché non le si misura. Schrödinger chiedeva di immaginare un felino chiuso in una scatola di acciaio nella quale fosse inserita una sostanza radioattiva. In un qualsiasi momento, quest’ultima poteva decadere e rilasciare un veleno mortale per il gatto o meno, con identica probabilità. Dunque, dopo un dato periodo di tempo, vi era il 50 per cento di probabilità che l’animale fosse venuto a contatto con la sostanza tossica e che fosse morto, e il 50 per cento che il veleno non si fosse mai prodotto, e che quindi il felino fosse ancora vivo e vegeto. Secondo la meccanica quantistica, finché non si apre la scatola, il felino si trova in due stati sovrapposti, cioè non è né vivo né morto: è solo l’osservazione diretta che gli attribuisce uno stato determinato.

Allo stesso modo, la luce che si trova in uno “stato del gatto di Schrödinger” è descritta da funzioni d’onda che possono avere fasi opposte nello stesso istante. Fasci di luce di questo tipo sono stati costruiti in laboratorio attraverso vere e proprie procedure di ingegneria quantistica, lavorando ad alte energie e usando tecniche dai nomi complicatissimi (photon subtraction, homodyne detection, squeezing). I fisici giapponesi e australiani hanno sottratto singoli fotoni da raggi di luce, rilevato e modulato frequenze, minimizzato l’incertezza su posizione e impulso delle radiazioni. Hanno poi collegato i piccoli pacchetti di luce così ottenuti a coppie di particelle quantistiche dette entangled, legate tra loro in modo così stretto che anche quando vengono separate e poste a grande distanza riescono a comunicare tra loro istantaneamente. In queste coppie di particelle, qualsiasi sia il valore di una data proprietà assunto da una delle due, viene influenzato immediatamente anche il valore corrispondente dell’altra (comprese le informazioni relative ai pacchetti di radiazione luminosa).

Gli scienziati, dopo aver distrutto una delle due particelle e la luce a essa collegata, riuscivano dunque a dedurre dall’altra le informazioni necessarie per ricostruire, a distanza, la radiazione nella configurazione esatta. In questo modo i gruppi di ricerca hanno potuto trasferire informazione quantistica da una parte all’altra dell’oceano: in altre parole, la luce è stata distrutta in un laboratorio e ricreata nell’altro, senza essere modificata nel procedimento.

Ovviamente il momento in cui si potrà teletrasportare da una struttura a un’altra un vero gatto, o meglio ancora un essere umano, è ancora molto lontano, ma questo tipo di studio è già oggi utile per la costruzione di computer quantistici, molto più potenti e dunque veloci dei Pc attualmente disponibili.



Fonte: DOI: 10.1126/science.1201034

I fratelli Coen e il cinema quantistico

In ogni film della coppia di registi c'è una bella storia ma di belle storie ce ne sono dappertutto: nella Bibbia, nella cronaca nera, nei videogiochi e persino nei manuali di fisica teorica.

"A Serious Man"

Nel film del 2001 "L'uomo che non c'era" il cuore della narrazione era basata sul principio di Heisenberg: in fisica indica un limite alla precisione con cui è possibile sapere velocità e posizione di una particella.
Rendendolo breve, se conosco la velocità, non potrò mai sapere la posizione, se conosco la posizione non potrò sapere la velocità.

Per i registi americani il principio è trasformato in una metafora sull'impossibilità di sapere tutta la verità su un delitto. Quindi se so quando è stato commesso non potrò sapere con precisione da chi è stato attuato, se so il perchè non saprò mai bene il come e viceversa.
Nel film "A serious man" (uscito nel 2009) fanno leva sul paradosso del gatto di Schrodinger: il protagonista (Giobbe) è un uomo che pur non capendo le ragione di una serie infinita di sventure (ad esempio viene tradito dalla moglie) mantiene la fede in Dio e la propria bontà. Il paradosso di Schrodinger tratta di un corpo (il gatto) a contatto con un sistema quantistico "velenoso" e la povera bestiola resterebbe sospesa fra vita e morte finchè un'osservazione non determinasse lo stato del sistema (gatto vivo e gatto morto). Infatti nel film Giobbe si trova sospeso fra la bontà e la meschinità, fra una buona e una cattiva notizia, fra una buona o una cattiva azione, pronto o a vivere o a morire.
E sarà appunto un piccolissimo gesto ma pieno di conseguenze a determinare il destino del protagonista (o come direbbero i fisici, a far collassare il sistema).

La Bibbia, la cronaca nera e persino i videogiochi hanno inspirato molti più film della meccanica quantistica, ma nel cinema dei Coen, Bibbia e fisica quantistica hanno entrambe un ruolo fondamentale.

Qualche film diffonde cultura scientifica narrando di scienziati vissuti davvero o inventati (Piovono polpette) e spesso queste figure sono rappresentate come persone intelligenti e un po' sbadate.

Per i Coen invece le teorie fisiche diventano invece una sfida narrativa, un percorso tracciato per guidare i movimenti dei personaggi all'interno di trame sempre sorprendenti e al limite del paradosso, come la fisica quantistica, appunto.

Approfondimenti:
Film dei fratelli Coen: Arizona Junior, Il grande Lebowski, Fratello dove sei?, Fargo, Non è un paese per vecchi (che ho visto personalmente), A serious man.