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 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

Ultimo tango a Greifswald

Gli atomi ballano, sempre più vicini. La temperatura sale, loro si spogliano degli elettroni e si avvicinano ancora, fino a fondersi. Solo Barry White in sottofondo può rendere la fusione nucleare più sexy.

Greifswald è una piccola città all’estremo nord-est della Germania. Non ha molto di speciale, tranne il primo esemplare (partito la scorsa settimana) di un reattore a fusione che potrebbe rivoluzionare il campo.

La maggior parte dei reattori a fusione moderni si basano—chi più, chi meno—sul Tokamak sovietico. In pratica, fortissimi campi magnetici tengono comprimono l’idrogeno in un grande contenitore a forma di ciambella.

Purtroppo, la forza magnetica necessaria per raggiungere la fusione nei Tokamak è così intensa che spesso danneggia il reattore.

Anche il reattore di Greifswald (chiamato Wendelstein 7-X) è fatto a ciambella, ma la camera per la fusione ha strana forma “attorcigliata”. Con questa particolare geometria, mentre gli atomi danzano uno intorno all’altro, possono essere compressi stressando meno i materiali del reattore.All’interno della camera si sviluppano temperature così estreme (oltre 100 milioni di gradi) che gli atomi di idrogeno perdono i loro elettroni e si scontrano tra loro così forte da fondersi per formare elio.

Costruire questo reattore è molto difficile: i materiali che creano il campo magnetico devono rimanere a -270 gradi e stare a pochissima distanza dal centro incandescente. Anche la progettazione deve essere molto precisa, tanto che ha richiesto un supercomputer.

A dicembre sono partiti i test con l’elio, che si scalda ma non dà fusione. Se tutto funziona come sembra, partirà anche il caldo tango dell’idrogeno. E forse un nuovo capitolo della fusione nucleare.

Foto: Dancing, CC-BY Vladimir Pustovit, via Flickr. Some rights reserved.

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.

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.

Salto di livello per i computer quantistici

Come il celebre gatto di Schrödinger, anche i computer quantistici erano sia tra noi che no allo stesso tempo. Sapevamo tutto della teoria, ma non riuscivamo a costruirli. Ma questo potrebbe cambiare presto.

I ricercatori della University of New South Wales, in Australia hanno creato il primo gate logico in silicio per qubit. In altre parole, il primo pezzettino di un processore quantistico (i qubit sono l’equivalente quantistico dei nostri bit).

Il fatto che sia in silicio “rende la costruzione di un computer quantistico molto più fattibile”, ha detto Andrew Dzurak, coordinatore del gruppo, “perché è basato sulla stessa tecnologia produttiva dell’attuale industria elettronica”.

I computer quantistici sono enormemente superiori quando si tratta di fare molti calcoli in una volta, ma non sempre. Per gli usi quotidiani i computer classici sono probabilmente meglio.

Ma la ricerca di medicinali e materiali nuovi, per fare due esempi, farà passi da gigante.

Foto: Vintage Technology, CC-BY-NC Jeremy Brooks, via Flickr. Some rights reserved.