Seduto Scomposto

Teletrasporto è il nome che è stato dato dalle fiction scientifiche al processo attraverso cui si disintegra una persona in un posto e se ne fa comparire una replica esatta da qualche altra parte. Come questo possa avvenire solitamente non è spiegato nei dettagli, ma in generale l’idea sembra essere quella di scannerizzare l’oggetto originale in qualche maniera per estrarne tutte le informazioni, successivamente l’informazione è trasmessa al luogo di ricezione e viene usata per ricostruire la replica, non necessariamente dallo stesso materiale dell’originale. Una macchina del teletrasporto potrebbe essere sullo stile degli apparecchi per i fax, eccetto per il fatto che lavorerebbe su oggetti a tre dimensioni allo stesso modo dei documenti, che produce una copia esatta piuttosto che un facsimile approssimativo e distrugge l’originale durante il processo di scannerizzazione. Diversi autori di fiction scientifiche prendono in considerazione teletrasporti che preservano l’originale, e la trama diventa complicata quando l’originale e la versione teletrasportata della stessa persona si incontrano; ma il tipo più comune di teletrasporto distrugge l’originale, funzionando come una sorta di dispositivo di super trasporto, non come un perfetto replicante di anime e corpi.

Nel 1993 un gruppo internazionale di sei scienziati, che includeva l’IBM Fellow Charles H. Bennett, confermarono le intuizioni della maggioranza degli autori di fiction scientifiche mostrando che il teletrasporto perfetto è possibile per principio, ma solo se l’originale viene distrutto. Negli anni seguenti, altri scienziati hanno dimostrato il teletrasporto sperimentalmente in un’ampia varietà di sistemi, includendo singoli fotoni, campi di luce coerenti, spin nucleari e ioni intrappolati. Il teletrasporto promette di essere abbastanza utile come primitivo processore di informazioni, facilitando comunicazioni quantiche a lunga distanza (per esempio favorendo la creazione di un’”internet quantica”), e rendendo molto più semplice la realizzazione di un computer quantico. Ma i fan delle fiction scientifiche rimarranno delusi dal sapere che nessuno si aspetta di riuscire a teletrasportare persone o altri oggetti macroscopici nel prossimo futuro, per una varietà di ragioni ingegneristiche, nonostante non venga violata alcuna legge fondamentale nel farlo.

In passato, l’idea del teletrasporto non fu presa molto seriamente dagli scienziati, perché si pensava violasse il principio di indeterminazione della meccanica quantistica, che impedisce a qualsiasi processo di misurazione o scannerizzazione di estrarre tutte le informazioni in un atomo o altri oggetti. In accordo con il principio di indeterminazione, più a fondo viene scannerizzato un oggetto, più esso viene disturbato dal processo di scannerizzazione, fino a che si arriva al punto in cui lo stato originale dell’oggetto viene completamente cambiato, senza aver comunque estratto abbastanza informazioni per creare una copia perfetta. Questo suona come un argomento indistruttibile contro il teletrasporto: se non si possono estrarre abbastanza informazioni da un oggetto per crearne una copia perfetta, sembra che una copia perfetta non possa essere creata. Ma i sei scienziati trovarono una scappatoia a tale logica, utilizzando una caratteristica già celebrata e paradossale della meccanica quantistica conosciuta come effetto Einstein-Podolsky-Rosen. In breve, essi trovarono un modo per scannerizzare una parte dell’informazione da un oggetto A, che si desidera teletrasportare, facendo passare il materiale restante, non scannerizzato e parte dell’informazione, attraverso l’effetto Einstein-Podolsky-Rosen, in un altro oggetto C che non è mai stato in contatto con A. Più tardi, applicando a C un trattamento che dipende dalle informazioni scannerizzate, è possibile manovrare C fino a portarlo ad uno stato identico a quello di A prima che fosse scannerizzato. A questo punto A non è più nello stato iniziale, che è stato modificato durante la scannerizzazione, quindi ciò che è stato effettuato è un teletrasporto, non una replica.

Come suggerisce la figura a sinistra, la parte non scannerizzata dell’informazione è convogliata da A a C da un oggetto intermediario B, che interagisce prima con C e poi con A. Cosa? E’ davvero corretto dire “prima con C e poi con A”? Certamente, per poter convogliare qualcosa da A a C, il veicolo di trasporto deve visitare A prima di C, non il contrario. Ma c’è una sottile, insondabile parte di informazione che, qualunque sia il materiale di trasporto e qualunque sia l’informazione, può comunque essere trasportata all’indietro. Questo tipo di informazione, chiamata anche “correlazione Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)”, è stata parzialmente scoperta nel 1930 quando fu discussa in un famoso articolo da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen. Negli anni ’60, John Bell mostrò che un paio di particelle legate, che all’inizio erano in contatto ma che successivamente si allontanano troppo per interagire direttamente, mostrano individualmente una condotta casuale che è così fortemente correlata da non poter essere spiegata dalla statistica classica. Esperimenti sui fotoni a e altre particelle hanno ripetutamente confermato queste correlazioni, fornendo chiare evidenze sulla validità della meccanica quantistica, che le spiega chiaramente. Un altro fatto molto conosciuto sulle correlazioni EPR è che esse non possono recapitare da sole un messaggio coerente e controllabile. Si era detto che la loro unica utilità era nel fornire una prova di validità alla meccanica quantistica. Ma ora sappiamo che, attraverso il fenomeno del teletrasporto quantico, esse possono recapitare parti esatte di informazione di un oggetto troppo delicate per essere scannerizzate e recapitate attraverso i metodi convenzionali.

La figura compara trasmissioni facsimile convenzionali con il teletrasporto quantico. Nelle trasmissioni facsimile convenzionali l’originale è scannerizzato, estraendo informazioni parziali su di esso, ma rimane più o meno intatto a seguito del processo di scannerizzazione. L’informazione scannerizzata è inviata alla stazione ricevente, dove viene impressa su alcuni materiali grezzi (per esempio carta) per produrre una copia approssimativa dell’originale. In contrasto, nel teletrasporto quantico, due oggetti B e C vengono prima messi in contatto e poi separati. L’oggetto B viene portato sulla stazione di invio, mentre l’oggetto C viene portato alla stazione di ricezione. Alla stazione di invio l’oggetto B viene scannerizzato insieme all’originale dell’oggetto A che si desidera teletrasportare, cedendo così alcune informazioni e modificando completamente lo stato di A e B. L’informazione scannerizzata è inviata alla stazione di ricezione, dove viene usata per selezionare uno dei molti trattamenti da applicare all’oggetto C, risultando nel trasformare C in una replica esatta dello stato iniziale di A.

Questo è il terzo di una serie di articoli contenenti la mia traduzione di questa pagina. Ogni commento e/o critica è sempre bene accetto/a da chiunque. Buona lettura!

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1924

In risposta a questo problema il francese Louis deBroglie suggerì che la materia, come la luce, potesse avere proprietà sia delle onde, sia delle particelle. Questo dualismo particella-onda – derivato dal lavoro di Einstein e Planck – fu confermato sperimentalmente, per l’elettrone, nel 1927.

1925 – meccanica delle onde

Il fisico austriaco Erwin Schrodinger formulò un modello di un atomo completo come interazione di onde. Le particelle diventarono simili alle vibrazioni di una corda di violino, con la differenza di essere chiuse in un cerchio. La sua equazione differenziale parziale sembrava avvalorare una simile relazione con le meccaniche dell’atomo allo stesso modo di come le equazioni della dinamica di Newton si relazionavano all’astronomia planetaria. Una nuova teoria fisica, chiamata Meccanica Quantistica, presentava così un modello atomico ancora più radicale. Max Born sostenne che le onde di Schrodinger non avevano nulla a che fare con la realtà materiale. Attualmente, luce e materia esistono sotto forma di particelle; ciò che si comporta come un’onda è la probabilità sul dove tale particella si trova. La ragione per cui la luce a volte sembra agisca come un’onda, è il fatto che noi non notiamo l’accumulazione di molte particelle di luce distribuite sulla probabilità di dove ogni particella si potrebbe trovare.

1926

Il fisico tedesco Werner Heisenberg formulò il suo principio di indeterminazione che dice che noi non possiamo sapere attraverso misurazioni la posizione ed il momento di una particella simultaneamente. Meglio si conosce una, peggio conosciamo l’altra. Tali aspetti del mondo microscopico diventano sempre più incerti mano a mano che le scale di tempo e distanza considerate diventano più piccole. Particelle e campi ondulano e saltano tra tutti i valori possibili previsti dall’indeterminazione quantica. Ciò implica che il regno microscopico consiste in un furore continuo, inondato da un mare violento di fluttuazioni quantiche. Fluttuazione quantica: è il comportamento turbolento di un sistema su scale microscopiche dovuto al principio di indeterminazione.

1926

Paul Dirac progettò un modello di meccanica quantistica (sviluppato da Schrodinger e Heisenberg) che forniva le leggi della dinamica che governano le particelle atomiche. A questo punto egli applicò alla meccanica quantistica anche le idee di Einstein sulla teoria della relatività. L’elettrone poteva ora essere descritto da quattro funzioni d’onda, soddisfacendo quattro equazioni differenziali simultanee. Gli elettroni non potevano comunque essere definiti con esattezza ma esistevano come una sorta di nuvola di probabilità all’esterno del nucleo. Alle equazioni di Dirac seguì l’idea che l’elettrone dovesse ruotare, o avvitarsi, attorno al suo asse e che ci dovessero essere anche stati di energia negativa. Dirac suggerì che la deficienza di un elettrone in uno di questi stati potesse essere equivalente ad una particella carica positivamente di vita breve, o ad un positrone con la stessa massa dell’elettrone, ma intrinsecamente opposto in termini di carica elettrica. Nella materia ordinaria, un positrone si dovrebbe incontrare rapidamente con un elettrone e annichilirsi, risultando in una vita brevissima, ma in un vuoto perfetto il positrone può vivere per sempre. Questa nuvola – fotografia (1932) – mostra la traiettoria di una particella di massa elettronica carica positivamente rallentata mentre passa sopra ad una placca di piombo. Essa fu una delle prime evidenze dell’esistenza del positrone. L’introduzione della probabilità costituì una rottura radicale con la fisica tradizionale che conteneva come principio fondamentale il categorico collegamento tra causa ed effetto. La natura probabilistica della meccanica quantistica significò che alcune volte gli eventi accadono per ragioni non analizzabili. O, più correttamente, gli eventi si verificano per cause implicite comprensibili e prevedibili, ma con tempistiche non prevedibili. Non era più possibile collegare eventi conseguenti – gli effetti – ad alcuna causa che potesse permettere di prevedere cosa sarebbe accaduto successivamente. Nonostante gli eventi conseguenti potessero essere previsti in termini di interazioni conosciute tra forze, eventi specifici nel tempo, o eventi scelti specificatamente quando sussistono varie possibilità, non potevano più essere previsti eccetto che su base probabilistica. La realtà sarebbe ora stata descritta attraverso probabilità matematiche al posto di immagini che noi possiamo visualizzare. La durezza della meccanica quantistica portò Bohr a dire:“Chiunque non sia shockato dalla teoria quantistica non l’ha capita”. Malgrado la forte meccanica ondulatoria e le incertezze (in termini di misura), i blocchi fondamentali dell’edificio della conoscenza sulla materia erano ormai stati posti, o così sembrò per un certo periodo. Ma ora – nella seconda metà del ventesimo secolo – tutto divenne complicato un’altra volta. Dopo il 1945 gli scienziati scoprirono centinaia di nuove particelle con l’aiuto di nuove e più potenti macchine – gli acceleratori di particelle – capaci di bombardare il materiale sub-atomico con una forza molto maggiore a più alta velocità. I risultati furono assolutamente sbalorditivi: mentre all’inizio sembrava che ci fossero differenti tipi di particelle atomiche costituenti, successivamente si scoprì che ce n’erano circa un centinaio. Molte di queste particelle furono chiamate adroni. Questa è la famiglia di particelle che subisce la maggiore attrazione nucleare forte e include protoni e neutroni. (L’attrazione nucleare forte mantiene i protoni e i neutroni insieme nel nucleo) Ad ogni modo, esclusi i protoni ed i neutroni, tutti gli adroni sono molto instabili e decadono solitamente nel giro di un milionesimo di secondo, e non fanno parte della materia comune.

Dagli atomi alle stringhe – Parte prima

Dagli atomi alle stringhe – Parte seconda

Questo è il secondo di una serie di articoli contenenti la mia traduzione di questa pagina. Ogni commento e/o critica è sempre bene accetto/a da chiunque. Buona lettura!

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1897- l’elettrone

Il fisico Inglese J.J. Thompson scoprì una particella sub atomica comune a tutta la materia mentre eseguiva esperimenti sulle emissioni termiche ioniche. Queste emissioni si verificano quando un elemento metallico viene riscaldato e rilascia raggi invisibili. Questo raggio può essere illuminato su uno schermo fluorescente piazzando un piccolo elettrodo a pochi centimetri di distanza dall’elemento riscaldato e connettendo del voltaggio tra l’elemento e l’elettrodo. L’elettrodo deve essere positivo (anodo) e l’elemento negativo (catodo). * Il raggio invisibile produce un punto luminoso sullo schermo ed è conosciuto come raggio catodico. Siccome il raggio è attratto dall’anodo, Thomson dedusse che i raggi catodici fossero una banda di particelle cariche negativamente. Egli li chiamò elettroni. Questo ci suggerisce che gli elettroni sono rilasciati dagli atomi metallici. Più tardi, fu dimostrato che tutti gli atomi contengono elettroni, per esempio, l’elettrone è uno dei blocchi costruttivi di un atomo non fondamentale.

*La designazione positiva fu una scelta arbitraria che seguiva ricerche precedenti in cui si mostrava che c’erano due tipi di carica elettrica, come attrattiva e repulsiva l’altro tipo.

1911 – il nucleo

Ernest Rutherford bombardò una lamina d’oro con nuclei di elio (particelle alpha) e notò che molti di essi passavano attraverso l’oro non riflessi. Ma approssimativamente 1 su 8000 erano percepibilmente riflessi in tutte le direzioni e alcuni venivano addirittura rimbalzati indietro nella direzione da cui venivano. Egli concluse che queste riflessioni richiedessero che l’atomo dell’oro contenesse un piccolo centro carico positivamente circondato da particelle cariche negativamente e, conseguentemente, che la materia fosse per la maggior parte spazio vuoto. Rutherford scoprì che il diametro del nucleo è stimabile come 100,000 volte più piccolo dell’atomo. Possiamo immaginarcelo come uno spillo nel centro di uno stadio di calcio, dove lo spillo costituisce il nucleo. (Il lavoro di Rutherford diede la prima indicazione sul fatto che il centro di carica positiva occupa una frazione estremamente piccola del volume di un atomo.) Dopo la scoperta dell’elettrone, si realizzò che ci dovessero essere centri di carica positiva all’interno dell’atomo per bilanciare la negatività degli elettroni e creare atomi elettricamente neutri. Gli esperimenti di Rutherford lo convinsero che il nucleo dell’idrogeno (essendo il più leggero di tutti i nuclei) fosse una particella elementare. Egli lo chiamò protone, dalla parola Greca “protos”, che significa “primo”. Egli predisse anche l’esistenza del neutrone nel 1920. Vent’anni dopo, il suo assistente James Chadwick ne fece la scoperta. I neutroni possono essere immaginati agenti come una specie di colla che tiene insieme il nucleo. Questi protoni carichi positivamente si respingono uno con l’altro.

Ad ogni modo, protoni e neutroni sono attratti l’uno dall’altro come risultato di un’altra forza, l’attrazione nucleare forte. Questa, è una forza attrattiva che ha effetto solo su un raggio molto ristretto del nucleo. L’attrazione nucleare forte tiene uniti protoni e neutroni per formare il nucleo. I neutroni non contribuiscono ad alcun effetto repulsivo a causa della loro neutralità. In questo modo, avendo più neutroni intorno aiuta a tenere insieme il nucleo. A questo punto fu fatto osservare che ogni atomo con elettroni in orbita attorno ad un centro carico positivamente dovevano continuamente espellere onde elettromagnetiche ed ub questo modo continuare a perdere carica, causando il collasso a spirale dell’elettrone nel nucleo. Per evitare ciò Niels Bohr, dalla Danimarca, semplicemente postulò distinte orbite possibili come nuova regola.

1912

Niels Bohr suggerì che gli elettroni orbitanti attorno al nucleo degli atomi potessero avere solamente certe energie e che elemento avesse differenti energie degli elettroni. Egli assunse che le orbite fossero definite dal loro momento angolare. Ciò condusse al calcolo di possibili livelli energetici per queste orbite e al postulato che l’emissione di luce avviene quando un elettrone si muove in un’orbita con energia inferiore. Questo postulato rimase nella proposizione di Einstein che l’energia, nella forma della luce, consiste di distinte, continue particelle (o quanti), che egli chiamò fotoni. Nel modello di Bohr, gli elettroni potevano occupare solo particolari orbite attorno al nucleo e potevano saltare da un’orbita alla successiva – il famoso salto quantico. Per ciascuno di questi salti, essi avrebbero emesso o assorbito un fotone. Nonostante la teoria quantica della luce fosse provata sperimentalmente, altri esperimenti provarono che la luce aveva anche proprietà continue simili alle onde. Einstein suggerì che ci fossero “due immagini contraddittorie della realtà; separate nessuna delle due spiega pienamente il fenomeno della luce, ma insieme ci riescono”. Ciò significò che il fenomeno in natura condivide insieme l’onda e la particella, e che la luce è insieme continua e discreta.

Vedi anche:

Dagli atomi alle stringhe – Parte prima