Le… chiavi di Schrödinger?

Se non trovo le chiavi, possono essere sul comò in entrata, nascoste sotto un giornaletto pubblicitario, o magari le ho dimenticate attaccate alla porta. Finché non le trovo, ovviamente, non so quale. È un po’ come sigillare un atomo radioattivo in una scatola e lasciarlo isolato lì: finché non apro la scatola, non so se è decaduto o no.

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Colori e sapori dei quark

Il colore di un quark può essere rosso, verde, o blu. E fin qui tutto ok, no? Il sapore di un quark può essere… strano. O incanto, su, giù, alto, o basso. Ma come se li sono inventati questi sapori?

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Barzellette… quantistiche?

Vi direi una barzelletta sulla chimica, ma non otterrei nessuna reazione.

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Che diavolo è un bosone?

Che le particelle siano strane non è proprio una novità. Ad esempio, si comportano (in un certo senso) come se girassero come una trottola. Però non si stanno muovendo affatto. E anche se lo facessero, a provare ad immaginare come lo fanno probabilmente ci si scioglierebbe il cervello, tanto è inconcepibile. Fortunatamente c’è però una proprietà che misura questo trottolare (anche se nulla si sta muovendo) e si chiama “spin”.

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Il mondo allo specchio dell’antimateria

Qua e là in libri, film o fumetti ogni tanto spunta la misteriosa antimateria. Spesso, si sta sul vago riguardo cosa sia e cosa faccia, rendendola la versione “scientificosa” della magia.

Una creatura di “antimateria” spunta in un vecchio episodio di Doctor Who. credit: doctorwhofromthestart.wordpress.com

Ma l’antimateria esiste: la conosciamo così bene da sfruttarla anche in medicina. La sua scoperta è uno dei più grandi successi della fisica teorica. Allo stesso tempo, però, ci ha creato un bel grattacapo.

Tra gli anni Venti e Trenta, i fisici cercavano di mettere d'accordo la Relatività Speciale e la Meccanica Quantistica. L’unico modo per farle funzionare era introdurre una nuova, strana materia, uguale alla materia normale, ma al contrario. Erano come due persone allo specchio. Sono uguali e si muovono allo stesso modo, ma se una alza la mano sinistra, l’altra alza la destra. In termini di particelle, se una ha carica positiva, o spin in su, o altro, l’altra ha carica negativa, o spin in giù, o comunque tutto all’opposto. Era più del riflesso della materia, era quasi il suo gemello malvagio: la chiamarono antimateria.

credit: a113animation.com

Il nome viene da dove pensate che venga: dall’essere il contrario della materia. Come tutti gli opposti, quando materia ed antimateria si incontrano, si annullano. Spariscono in un istante, trasformandosi in pura energia—un processo chiamato annichilazione.

L’antimateria non era solo un trucco matematico: ben presto gli scienziati avvistarono le prime antiparticelle. Trovare l’antimateria fu un successo senza precedenti: la teoria aveva tracciato la via per scoprire un universo mai visto.

Ma perché era rimasto invisibile? Perché l’universo è di materia? Perché esiste? Non avrebbe dovuto annichilarsi* con un anti-universo uguale e contrario? Le leggi fisiche sono diversa per l’antimateria?

L’esperimento Alpha al CERN prova a rispondere almeno a quest’ultima domanda. Dopo essere riusciti a creare ed isolare degli atomi di anti-idrogeno—con anti-protoni, anti-elettroni e tutto—gli scienziati li hanno stimolati con luce laser. La reazione che hanno visto dall’anti-idrogeno è esattamente uguale a quella che conosciamo per l’idrogeno. Le leggi sembrano uguali anche per l’anti-materia.

Probabilmente siamo tutti di materia perché, dopo il Big Bang, ce n’era giusto un pochino di più. Da dove venga il microscopico equilibrio che ha regalato l’universo alla materia resta ancora uno dei più grandi misteri della scienza.

Una rappresentazione dello squilibrio materia-antimateria al Deutsches Museum di Monaco (Germania). La tanica di sabbia nera rappresenta l’antimateria all’origine dell’universo, quella bianca la materia—sono alte circa un metro, quella bianca contiene un singolo granello in più. credit: scilogs.spektrum.de

 

*Suona strano, ma quello è il verbo: materia e antimateria si annichilano.

Foto copertina: CC0 Julia Schwab/pixabay

The Big Bell Test: le particelle si parlano alle nostre spalle?

Il mondo quantistico è strano. Così strano che pure Einstein—che, penso siamo d’accordo, era un uomo piuttosto intelligente—aveva qualche problema a farci i conti.

Una cosa che proprio non gli dava pace erano le particelle nei cosiddetti stati entangled. Senza addentrarci troppo nei dettagli: se le misuriamo separatamente danno valori casuali ma, se li confrontiamo, li troveremo sempre in accordo tra loro.

Non importa quanto lontane siano le due particelle, è come se si comunicassero telepaticamente come rispondere. Veritasium lo spiega meglio in questo video.

Einstein proprio non voleva crederci. Pensava che quel che faccio io con la mia particellina qui non possa aver effetto sulla tua particella lì, specialmente non più veloce della luce. Che sembra molto ragionevole… ma è anche sbagliato.

Negli anni Sessanta, John Stewart Bell provò matematicamente che, se una teoria vuole riprodurre i risultati della meccanica quantistica (che, per la cronaca, sono giusti), deve lasciare che le particelle siano “telepatiche”. Questo, tra parentesi, vale anche per la Meccanica Quantistica, non solo per altre strane teorie alternative.

Nonostante esperimenti su esperimenti abbiano confermato che la Meccanica Quantistica fa come dice Bell, alcune altre persone molto intelligenti non sono convinte. Perciò diverse università, dall’Australia a Roma, da Monaco agli Stati Uniti, hanno messo in piedi un gigantesco esperimento collaborativo: il Big Bell Test ( capito il nome ora?). In ciascuna sede, hanno misurato coppie di particelle, controllando le previsioni di Bell che sarebbero state “telepatiche”. Più casuali sono i test, più è difficile fingere di essere telepatici (vale per persone come per le particelle), perciò le misure erano determinate a caso.

Ma estirpare ogni possibile connessione tra dati apparentemente “casuali” è veramente difficilissimo, così gli scienziati hanno chiesto l’aiuto del pubblico. Più di 100mila persone hanno giocato ad un gioco online: le loro scelte indipendenti e imprevedibili hanno deciso le misure da fare.

Com’è finita? È presto per dirlo, ma dai risultati preliminari… come dire… mi dispiace, Albert: capita anche ai migliori.

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John Bell — deal with it. (CC-BY-SA, modifications by me, click for original)

Per saperne di più
  • Stavolta ho allegramente sorvolato su un sacco di roba. A mia difesa, ci sono interi libri scritti più o meno attorno a questo specifico problema. Personalmente, mi piace molto questo
  • Se non avete tempo di sciropparvi il libro, quelli del Big Bell Test hanno messo assieme una playlist con spiegazioni dai migliori youtuber di divulgazione

 

Foto copertina: CC0 Michael Schwarzenberger/pixabay

Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

Per saperne di più

Come funziona un computer quantistico

Probabilmente avete già sentito parlare di computer quantistici. Il vantaggio di leggere la spiegazione qui invece che sentirla da persone molto più affascinanti di me è che non ci sono occhi blu in cui perdersi.

Come dice giustamente il buon Justin, i computer quantistici non usano i normali bit, niente lunghe serie di 0 e 1. Al loro posto usano degli oggetti chiamati quantum bit, o qubit, che possono trovarsi in stati di sovrapposizione, possono essere 1 e 0 contemporaneamente.

L’idea è un po’ la stessa del gatto di Schrödinger che, finché non viene osservato, resta sia vivo che morto.

Il Prof. Andrea Morello dell’Università del New South Wales (Australia), spiega in un’intervista su Veritasium uno dei grandi vantaggi di usare i qubit: immagazzinare informazione in modo efficiente.

Due bit, dice Morello, possono avere quattro combinazioni di valori: 00, 01, 10, 11 e per descriverli sono necessari—spoiler—due bit (il valore del primo e quello del secondo).

Anche due qubit hanno quattro combinazioni. Se andassimo a misurarli, però, li troveremmo ogni volta un diverso in una diversa, e la probabilità di ognuna dipende da come abbiamo costruito la sovrapposizione. Per descrivere la sovrapposizione, quindi, ci serve sapere ciascuna delle probabilità, quindi 4 numeri*.

Sintetizzando, la quantità di informazione nei bit normali aumenta in proporzione a quanti ne usiamo, mentre quella nei qubit aumenta esponenzialmente. Mica male.

Un altro vantaggio dei computer quantistici è che possono manipolare la sovrapposizione stessa, senza misurare i qubit fino alla fine del calcolo. In questo modo possono usare tutte le combinazioni contemporaneamente e portare avanti molte operazioni in parallelo.

Questa abilità è inutile per gli usi quotidiani, ma aiuterebbe molto alcuni calcoli complessi, ad esempio, per capire come si ripiegano le proteine, che è fondamentale per scoprire nuove medicine. Per farlo, però, bisogna calcolare una dopo l’altra tutte le miriadi di combinazioni possibili, che è difficilissimo. I computer quantistici potrebbero simulare tutte le configurazioni in parallelo, sveltendo di molto l’operazione.

In teoria sappiamo praticamente tutto: come manipolare i qubit, che struttura devono avere i circuiti, come devono essere programmati i computer. Costruirli davvero, mettere insieme più di un paio di qubit sembra ancora molto molto complicato (nonostante notevoli recenti passi avanti).

Almeno per ora, tra il dire e il fare…

 

Credit: stefanieshank.tumblr.com

 

*Nota per attenti alla matematica:

Avrete notato che le probabilità devono sommare a 1, perciò si eliminerebbe uno dei numeri necessari per descrivere la sovrapposizione. Non me lo sono dimenticato, ma ho saltato l’argomento per brevità, semplicità e coerenza con quello che dice Morello nell’intervista. Resta il fatto che l’informazione contenuta nei qubit è esponenziale nel loro numero che sia 2^n o 2^n -1 bit.

 

Foto copertina: CC0 Wokandapix/pixabay.com

(La particella di) Dio non esiste

Il 4 luglio 2012, il CERN (l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) annunciò di aver trovato le prove dell’esistenza di una nuova particella: il famigerato bosone di Higgs.

Purtroppo, molti hanno conosciuto questa meravigliosa particella come “particella di Dio”. L’etichetta— non particolarmente popolare tra i fisici—gli è rimasta attaccata dall’accattivante titolo di un libro del premio Nobel Leon Lederman (che, pare, ne volesse uno molto diverso). Questo nome ha creato molta confusione, dato che (una volta per tutte) Dio non c'entra proprio nulla.

Peter Higgs, CC-BY Bengt Nyman via Flickr.

Il bosone di Higgs deve il suo nome al fisico Peter Higgs, che ha teorizzato la sua esistenza negli anni ’60.

La sua teoria prevedeva un processo—fantasiosamente chiamato “meccanismo di Higgs“—che chiudeva l’ultimo buco rimasto nel Modello Standard, la grande teoria che raccoglie più o meno tutto quello che sappiamo delle particelle e le loro interazioni. Peraltro un buco piuttosto significativo: il meccanismo di Higgs fa in modo che le particelle elementari, come elettroni e quark abbiano massa. Sembra trascurabile: in fondo, tutti gli elettroni del nostro corpo messi assieme hanno una massa di appena qualche grammo. Però, come spiega (nel video sotto), Josh Bendavid del MIT,

Questo è assolutamente fondamentale per la nostra stessa esistenza, perché se l’elettrone non avesse massa, non potrebbe essere legato ad un protone e non si potrebbero formare gli atomi. E allora le stelle, i pianeti, la chimica, la vita non potrebbero esistere.

Trovare il bosone era la verifica sperimentale della teoria, che ha lanciato Higgs e il suo collega e co-autore della teoria François Englert al premio Nobel per la fisica 2013*.

Dopo questo successo, il grande acceleratore (il famoso LHC) usato per gli esperimenti è stato potenziato ulteriormente, passando da essere il più potente acceleratore del mondo ad essere di gran lunga l’acceleratore più potente. Tra i suoi ambiziosi obiettivi per il futuro c’è cercare una spiegazione per la materia oscura.

Mentre il CERN dà la caccia alle prossime grandi risposte, questa settimana vale la pena festeggiare il loro più grande risultato.

 

Foto: LHC – ALICE Detektor, CC-BY-SA Frank Weber, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Il post aveva erroneamente identificato le collaborazioni dietro agli esperimenti ATLAS e CMS del CERN come co-vincitori del Premio Nobel.

Uno spezzatino di (quasi-)particelle

Ogni elettrone ha uno spin, una specie di bussola interna, che (semplificando un sacco) punta “su” o “giù”. Sparando dei neutroni contro un materiale e vedendo come rimbalzano, si può capire come interagiscono con lo spin degli elettroni e, quindi, come sono orientati gli spin.

In un esperimento con un particolare materiale (il cloruro di rutenio) sembra che gli spin puntino disordinatamente un po’ ovunque.

Un’interpretazione artistica del liquido di spin. In questo stato, gli elettroni sono orientati in modo disordinato, come le molecole di acqua in un bicchiere. Credit: Francis Pratt / ISIS / STFC

Questo nuovo stato, detto liquido di spin, appare se gli elettroni si “spezzano” in particelle: i fermioni di Majorana.

C’è solo un piccolo problema: gli elettroni non possono spaccarsi in parti perché sono un blocco unico. Come fanno allora i fermioni di Majorana ad esistere?

Strettamente parlando, non esistono. Gli elettroni non si spezzano davvero, però si comportano come se lo facessero. Perciò i fermioni di Majorana sono chiamati “quasi-particelle”: entità utili da includere nei modelli, ma impossibili da trovare in natura.

I fermioni di Majorana non erano mai stati osservati prima, ma hanno importanti applicazioni per i superconduttori e i computer quantistici.

 

Foto copertina: CC0 ikinitip, via pixabay.