Quante volte si può piegare un foglio di carta?

Qualche giorno fa mi sono imbattuto in un divertente articolo. Spinto dalla curiosità, sono finito a scoprire l’origine di una leggenda metropolitana e perfino ad esplorare il significato di essere un fisico.

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Come fa la luce ad arrivare subito alla velocità della luce?

Qualche tempo fa mi sono imbattuto in questa bella domanda su Quora: quando la luce viene emessa, come fa a raggiungere la sua fenomenale velocità? Accelera da 0 a 300mila chilometri al secondo? E quanto ci mette?

Siamo abituati a pensare che la luce sia uno sciame di fotoni, delle specie di microscopiche palline luminose. Se accendiamo una lampadina, succede qualcosa al suo interno che le fa sparare fuori miriadi di questi corpuscoli. Logica vuole che, partendo da una lampadina (solitamente) ferma, i fotoni debbano accelerare per arrivare alla velocità della luce.

I fotoni si comportano sia come particelle che come onde. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore, via phys.org

Però non è così: la luce viaggia sempre alla stessa velocità. Sempre. Il motivo è che, anche se si comporta come se fosse fatta di palline, la luce è anche un’onda (non per niente, spesso parliamo di lunghezze d’onda della luce), è una perturbazione del campo elettromagnetico. Come tale, può nascere già in viaggio ad una certa velocità.

Allo stesso modo, quando qualcosa cade nell’acqua, le increspature che crea sulla superficie nascono già in movimento, tutte alla stessa velocità, che è una caratteristica propria dell’acqua.
Lanciando un sasso in uno stagno di olio, alcool o catrame otterremmo onde di velocità diverse.

La luce è un’increspatura nello “stagno” elettromagnetico. La sua velocità è quella caratteristica dello spazio-tempo, ovvero la velocità della luce. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo stesso, e si spostano alla stessa velocità.

Il suo valore ci dice qualcosa di molto importante sul nostro universo, sulla sua struttura più intima, qualcosa di molto più profondo della semplice velocità a cui si spostano i fotoni.

Per una volta, la luce non ha niente di speciale, o almeno non più speciale di altre onde.

 

Foto copertina: accelerate, CC-BY Marcus Pink, via Flickr. Some rights reserved.

La teoria non serve

“Bravi, ma cosa me ne faccio?” Questa domanda assedia noi teorici (e magari ve la siete fatta anche voi ogni tanto leggendo qui), ed è rispuntata con le onde gravitazionali. Ma non siamo affatto bravi a rispondere.

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La meccanica quantistica è davvero così difficile?

Sì, lo è. Ma nuovi esperimenti mostrano che si potrebbe renderla più intuitiva, con l’aiuto di una vecchia teoria.

Semplificando tantissimo, la meccanica bohmiana è una versione della meccanica quantistica degli anni ’50 secondo cui le particelle microscopiche si comportano come oggetti macroscopici (palline, diciamo) ma spinte da una speciale forza quantomeccanica.

Le stranezze quantistiche—dal celebre gatto alle particelle che stanno in posti diversi contemporaneamente—verrebbero dalle particolarità di questa forza, invece che da regole completamente nuove.

La teoria, però, non sembrava descrivere bene il movimento di speciali coppie di particelle che si influenzano a vicenda (cosiddette “in entanglement“).

Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto e i suoi colleghi mostrano, con degli esperimenti pubblicati su Science Advances, che quei problemi della teoria erano dovuti a come erano fatte le misure. Se anziché le singole particelle si considerano le coppie, le previsioni della meccanica bohmiana funzionano!

Rivalutando questa teoria, Steinberg non vuole rivoluzionare la fisica, ma aggiungere un punto di vista: “Diverse rappresentazioni possono essere utili”, dice, “perché aiutano a formare intuizioni migliori”.

Finalmente potremo dare senso anche le magie quantistiche.

 

Foto copertina: CC0 Ryan McGuire, via gratisography.com

La porta del mondo microscopico

Alla Domenica Sportiva tedesca fanno un gioco in cui il concorrente deve fare goal tirando in una porta da calcio quasi interamente coperta. Farlo con un pallone è difficile, ma farlo con delle particelle ha rotto la fisica dell’Ottocento.

Rendiamo il gioco più semplice: diciamo che, invece dei due buchi, abbiamo due fenditure alte quanto lo schermo. Ora mettiamo un muro bianco dietro lo schermo, tiriamo un sacco di volte e guardiamo dove il pallone lascia le impronte sul muro. Chiaramente, disegneranno grosso modo la forma delle fenditure.

Il gioco ha senso solo se le aperture sono poco più grandi del pallone: troppo piccole e diventa impossibile, troppo grandi e son capaci tutti. Allo stesso modo, facendo le fenditure piccole abbastanza, possiamo farlo con delle particelle.

In un esperimento, per esempio, ogni secondo un elettrone veniva “calciato” verso uno schermo esattamente come quello che ho descritto (che coincidenza!). Questo video mostra le loro impronte.

Non proprio la forma delle due fenditure, eh? Ogni elettrone si comporta come se passasse da entrambe le fenditure contemporaneamente, come se interferisse con se stesso.

Questo dimostra che un elettrone può essere in “una sovrapposizione di stati di posizione”, che è come i fisici pomposi dicono “può stare sia qui che lì”. La capacità delle particelle microscopiche di essere in stati sovrapposti, di essere qualcosa e qualcos’altro contemporaneamente, si chiama principio di sovrapposizione.

È solo una delle strane regole del mondo microscopico, che cerchiamo di scoprire da un secolo. C’è ancora tanto che non sappiamo, ma questo prodigioso viaggio è appena iniziato.

Foto: Torwand!, CC-BY-NC Mika Meskanen, via Flickr. Some rights reserved.

Aristotele ha sempre torto. E va bene così

Il Sole, i pianeti e tutto l’universo ruotano intorno alla Terra appesi a sfere di cristallo. La velocità di un corpo è proporzionale alla forza applicata. Un sasso cade perché la terra è il suo elemento naturale. Click Here

Questi sono alcuni degli insegnamenti di Aristotele, forzatamente tramandati per secoli, che hanno frenato il progresso scientifico. Prendendo una qualsiasi branca della scienza, è praticamente impossibile non imbattersi in qualcosa di completamente assurdo detto dall’illustre filosofo. In fondo, però, non è colpa sua se aveva l’incredibile capacità di non azzeccarci mai.

Più che altro era sfortuna: quasi tutte le teorie scientifiche moderne—esempio qualsiasi: gli atomi—hanno un antenato in Grecia. Ma anche in quei casi, qualcuno ne ha semplicemente beccata una giusta. Quelle teorie hanno comunque lo stesso valore scientifico delle affermazioni di Aristotele: poco.

Il fatto che ci sia sempre qualcosa su cui Aristotele ha torto, però, vuol dire anche che ha provato a capire tantissime cose, in tantissimi campi diversi. Il suo lavoro è un monumento alla curiosità umana. Purtroppo, il suo metodo lasciava più a desiderare, perché i ragionamenti non erano supportati da prove sperimentali.

Perciò non dovremmo prendercela con lui. Dovremmo invece essergli grati per averci provato, per averci dato una quantità enorme di punti di partenza (per quanto sbagliati), per ricordarci l’enormità di quello che c’è da scoprire e quanto sia appassionante provare a scoprirlo.

Altra possibile lezione (forse più importante): il rogo non risolve le dispute scientifiche. Almeno non nel lungo termine.

Foto: wikimedia.org

Gattini e no

C’è scatola sigillata con dentro un gatto e un marchingegno in grado di ucciderlo appena un atomo radioattivo decade. Se aprissimo la scatola, troveremmo il gatto vivo o morto? E come sta il micio finché la scatola è chiusa?

Si tratta, in estrema sintesi, dell’esperimento (mentale: nessun gatto è stato maltrattato!) del “Gatto di Schrödinger“, che prende il nome dall’eminente fisico Erwin Schrödinger, uno dei padri della fisica quantistica. Come forse avrete sentito dire, finché non apriamo la scatola, il gatto è simultaneamente sia vivo che morto.

Il motivo di questa stranezza è uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica: il principio di sovrapposizione. Semplificando, nel microscopico mondo dei quanti, alcune proprietà possono “avere più valori contemporaneamente” (in un certo senso). Ad esempio, è come se un elettrone fosse in due posti allo stesso tempo*. Almeno finché non andiamo a misurarlo. Allora, in un certo senso, “decide” dove farsi trovare. E non è solo un’illusione, finché non lo cerchiamo l’elettrone è veramente in più posti.

Il principio di sovrapposizione funziona. Davvero. Hanno fatto degli esperimenti. La natura microscopica descritta dalla teoria quantistica è, quindi, profondamente diversa da quella macroscopica classica a cui siamo abituati.

Le regole del nostro mondo macroscopico non funzionano quando parliamo di particelle microscopiche e le regole quantistiche non valgono per i gatti. Usando le regole di un mondo nell’altro porta a paradossi: un gatto non può essere sia vivo che morto, e un atomo può comportarsi come sia decaduto che no.

Proprio qui mirava Schrödinger piazzando un oggetto quantistico (l’atomo radioattivo) assieme ad un oggetto classico (il gatto). E questa è la meraviglia e la “magia” del mondo quantistico: è tutto diverso e governato da leggi diverse.

Foto: Cat CCTV, CC-BY-SA Takashi Hososhima, via Flickr. Some rights reserved.

 

*Correzione: l’articolo originariamente diceva che le particelle hanno davvero diverse proprietà, tipo l’elettrone può essere in più posti allo stesso tempo. Anche come semplificazione, era un po’ fuorviante.

Limiti di velocità

La luce viaggia a circa 299792458 metri al secondo. Ma perché non di più? o di meno? Sembra sensato pensare che la luce possa avere diverse velocità.

A dirla tutta, la luce ha altre velocità: la famosa insuperabile costante universale è la velocità della luce nel vuoto. Quando attraversa un materiale, la luce viaggia più lenta. Di più, diversi colori di luce (lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica, se vogliamo essere pignoli) viaggiano a velocità diverse quando attraversano un materiale. Questo è il fenomeno alla base di arcobaleni e copertine dei Pink Floyd.

Ma la domanda resta: perché ha proprio quella velocità (nel vuoto)? Eh. La risposta c’è, ma non vi piacerà: non esiste un perché.

Possiamo misurare molto precisamente quanto veloce viaggia la luce, ma non sappiamo perché.

Il valore di questa costante universale (come di molte altre) è un fatto per il quale non c’è spiegazione. Le costanti universali ci fanno anche capire nel profondo come è fatto l’universo. Sono semplici numeri che non poggiano su nulla, ma su cui poggia tutto.

Questo non vuol dire però che le leggi fisiche che si basano sul loro valore siano infondate. Le leggi sono strumenti per predire cosa succede in determinate condizioni. Il valore delle costanti universali è solo una di queste condizioni.

Se la velocità della luce nel vuoto fosse diversa, non cambierebbe la nostra teoria secondo cui è la cosa più veloce dell’universo. A parte le cattive notizie.

Per saperne di più
  • La velocità della luce, in realtà, non c’entra con la luce

 

Foto: CC-BY HA1-000995 di highwaysengland su Flickr, some rights reserved.

Ho preso la domanda, e alcuni spunti per la risposta da una domanda apparsa su Quora.