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7/08/14

Il gatto e i piccioni (quantistici, ovviamente…) ***

Avevo già letto l’interessantissima news relativa alla MQ, ma l’avevo lasciata da parte, ripromettendomi di tornarci in seguito, quando la QED fosse stata a un punto più avanzato. Ho dovuto cambiare idea, dato che un nuovo articolo va addirittura oltre e sembra rompere l’unicità della freccia del tempo. Non potevo più tacere ed ecco la doppia news riassunta come meglio ho potuto. Probabilmente si potevano già trovare questi risultati manipolando i diagrammi di Feynman… dato che anche per lui un elettrone può andare indietro nel tempo e annichilirsi con … se stesso, diventando un positrone. Ma non esageriamo…

Cominciamo con il gatto di Alice, il simpaticissimo e ambiguo Stregatto. Una delle sue caratteristiche era quelle di scomparire “a pezzi”, ossia rimaneva visibile solo il suo “sorriso”. In  alfabeto quantistico potremmo dire che una particella si “spezza” in due, da una parte va la particella stessa (il gatto) e dall’altra una sua proprietà (il sorriso). Vediamo in cosa consiste l’esperimento che ha preso proprio il nome di Stregatto, in inglese Cashire cat.

Un fascio di neutroni è inviato in un interferometro, capace di separare neutroni con spin diverso: nella parte superiore quelli con spin parallelo alla direzione del moto e in quello inferiore quelli con spin opposto. Ricordiamo che lo spin non è un vero e proprio asse di rotazione e nemmeno un momento angolare, ma una certa caratteristica delle particelle che esiste anche per oggetti senza massa come il fotone (un giorno ne parleremo…). Successivamente i due fasci vengono rimessi assieme (ma adesso sappiamo quanti ce ne sono di un tipo e quanti di un altro) e si mette un filtro davanti a loro, in grado di lasciar passare solo i neutroni con spin parallelo. Il rivelatore finale non ha problemi a contarli. Ovviamente il numero deve essere uguale a quello misurato prima del filtro, durante la separazione avvenuta nell’interferometro.

In pratica, si ha un fascio unico di neutroni, ma solo quelli di un certo tipo possono essere rivelati (non siamo molto distanti dall’esperimento della doppia fenditura, quando se ne chiude una…). Un processo che viene chiamato di post-selezione. Per il rivelatore esistono solo loro. Se si inserisce un ulteriore filtro che assorbe una parte del fascio a spin parallelo, durante la separazione causata dall’interferometro, il rivelatore, che sa leggere solo quelli, ne conta di meno. Anche qui nessun problema.  Se il filtro assorbente viene messo nel secondo fascio, invece, il rivelatore non nota nessuna differenza. Lui, come già detto, sa contare solo i neutroni paralleli: se cambiamo il numero degli altri non gliene può importare di meno, dato che per lui non esistono.

Fin qui si sono contati solo i neutroni e il filtro funziona se lavora sui neutroni a spin parallelo, come deve essere. In altre parole, il rivelatore sta osservando e contando solo ciò che passa dal fascio superiore, ossia le particelle (il corpo del gatto). Agiamo adesso su entrambi i fasci, variando leggermente, attraverso un campo magnetico, la direzione dello spin. Ed eccoci ad una delle solite assurdità della MQ (provata direttamente con un esperimento riproducibile): il rivelatore finale avverte un cambiamento di spin solo e soltanto se è variato lo spin del fascio non parallelo, quello che non influenza il conteggio finale.

In poche parole, entrambi i fasci danno un contributo al risultato finale. Questa conclusione si rifà molto all’interferenza e al caso della doppia fenditura, pensateci bene... (per chi volesse proprio entrare nei dettagli della strumentazione, consiglio il lavoro originario QUI). Da come è stato predisposto l’evento risulta chiaro che durante la separazione dei due fasci uno si “porta dietro” il numero, ossia le vere e proprie particelle, l’altro solo lo spin. Ho detto “chiaro” solo nel senso della MQ, ovviamente!  Riassumendo un qualcosa che non è certo molto facile da comprendere appieno, potremmo dire che il fascio superiore è il corpo del gatto (la particella), mentre quello in basso è il sorriso (una sua proprietà, lo spin).

Vediamo la faccenda in un quadro più generale che ci porta direttamente alla seconda scoperta, sicuramente  ancora più sconvolgente. La fisica “normale” ci dice che se conosco tutte le condizioni iniziali relative a una particella e quali forze agiscono su di essa si può prevedere dove si troverà nel futuro (con grande gioia di Einstein, dato che Dio non gioca a dadi). In meccanica quantistica non è assolutamente così. Come sappiamo ormai molto bene, possiamo calcolare solo le probabilità di ogni possibile posizione futura. Ritorniamo a ciò che ho detto all’inizio della QED: “Per sapere le condizioni iniziali è necessario conoscere il risultato finale. Sembra che sia lui a condizionare le caratteristiche delle particelle coinvolte”. Questo fatto assurdo ha dei vantaggi enormi, dato che si posso selezionare le particelle che interessano sulla base della loro risposta finale, ossia attraverso la post-selezione. C’è poco da fare: il futuro sembrerebbe influenzare il passato.

E se fosse una possibilità reale e non solo un’estrapolazione matematica e simbolica del comportamento illogico della MQ? Questa sarebbe la più assurda delle assurdità, dato che implicherebbe un collegamento diretto tra futuro e passato, ossia aprirebbe una strada che va al contrario della freccia del tempo. Nemmeno la MQ sembrava poterci riuscire se non nel mondo simbolico dei diagrammi di Feynman (come vedremo tra poco nella QED). Veniamo, quindi, alla seconda ricerca veramente “ai confini della realtà" ... anzi ben oltre!

Il gruppo di ricerca è lo stesso che ha illustrato lo Stregatto neutronico (ma che aveva già anche trovato un risultato  analogo con un fotone e la sua polarizzazione) e un nuovo animale ha fatto la comparsa nel mondo della MQ: il piccione.

Uno degli aspetti più straordinari della MQ è la non-località di una particella. Vi sono vari aspetti di non-località. Ad esempio, come già detto prima, nella fisica classica se una particella subisce una forza è necessario che la forza sia applicata nella posizione assunta dalla particella. Nella MQ, no. La forza può essere applicata in una posizione, mentre la particella si muove per i fatti suoi, ma risente comunque della forza. Questo effetto viene chiamato effetto Aharanov-Bohm  (il primo autore è uno dei collaboratori alla nuova ricerca). Più famosa ancora è un’altra non-località che ha a che fare con la relazione strettissima che esiste tra due particelle che erano “unite” in passato e non lo sono più oggi, ormai separate da distanze enormi. Tuttavia, le due particelle mantengono una strettissima connessione tra loro (conoscete molto bene questa parte che si riferisce al fenomeno dell’entangled). Questa stupefacente azione a distanza ha però delle limitazioni. Innanzitutto, le particelle devono essere state a contatto nel passato e solo poche particelle nel Cosmo potrebbero veramente averlo fatto (e qui sconfiniamo nell’inflazione e cose del genere…).

Ciò sembrava valido fino a ieri… oggi si è aperta una nuova strada che la MQ sembrava non potesse percorrere. I calcoli fanno pensare che esista un altro tipo di connessione tra le particelle che va oltre le limitazioni di quella precedente. Essa agisce indipendentemente dalla distanza  e agisce continuamente su scala cosmica.

In altre parole, per esser "gemelle" sotto tutti gli aspetti e mantenere una correlazione strettissima le particelle non sembrano aver avuto bisogno di una vicinanza passata. Infatti, si dimostra che nessuna di loro ha mai avuto idea che esistesse il suo gemello, eppure la connessione esiste (povero Einstein… se lo sapesse!). L’importanza della scoperta è enorme, dato che le particelle potrebbero essere entangled anche senza mai essere state a contatto. Le ripercussioni su tutta l’evoluzione del Cosmo sarebbero mostruose...

Per verificare questa nuova legge quantica, bisogna considerare un’altra assurdità introdotta da Aharonov (uno dei maestri della nuova MQ) e relative al tempo e alla sua natura. L’esperienza umana ci dice che esso scorre in una sola direzione. Lo stesso sembra capitare nel mondo microscopico: il passato non è più qui; il presente è qui; il futuro sarà qui più tardi.  Aharonov ha cambiato completamente la famosa frase di Einstein e ha posto la domanda: “Perchè Dio gioca a dadi?”. L’indeterminismo della natura può comportare qualcosa di straordinario, ma in fondo del tutto logico nell’ottica del gioco dei dadi. In poche parole, il presente oltre che essere influenzato dal passato, può esserlo benissimo anche dal futuro. Girando la frittata, il futuro (che abbiamo anche chiamato post-selezione) può tornare nel presente come nel celebre film “ritorno al futuro”.

Le particelle che sembrano conoscersi così bene, avrebbero potuto farlo nel futuro e, di conseguenza, oggi si conoscerebbero perfettamente. Il passato non ha avuto alcuna influenza… La MQ sembra essere insensibile alla freccia del tempo e la può cambiare senza problemi. In fondo, potevamo aspettarcelo, dato che non esiste fenomeno fisico associato alle particelle che non sia reversibile e continua a girare l’idea che per sapere cosa succede ora si deve prima far capitare qualcosa nel futuro (la stessa riflessione ce l’ha detto).

Quando si arriva a questo punto, sorge spontaneo il vecchio paradosso dell’uomo che torna nel passato, uccide il nonno e lui automaticamente non può più esistere. Un bellissimo paradosso che non vale però nel mondo della MQ, dato che sappiamo benissimo che è insita nella MQ il concetto di incertezza (chiedete a Heisenberg…). Eseguendo esperimenti nel presente vi è sempre qualche “rumore” nei risultati, qualche incertezza che porta a qualche “errore”.  Non è una limitazione della MQ, ma è propria parte della sua essenza (Dio gioca a dadi!). Se avessimo come unico strumento un martello, tenderemmo a considerare tutto ciò che ci circonda come un chiodo. In altre parole, ciò che capita adesso non è utile assolutamente a valutare come il futuro possa influenzare il presente. Lui potrebbe non usare il martello. Insomma, si apre un nuovo mondo che deve essere investigato con grande delicatezza per non falsare i risultati.

Da un punto di vista “pratico”, questa visione porta a dire che le particelle, ovunque siano adesso, possono essere connesse molto più facilmente di quanto si pensasse finora.

Gli stessi autori sono meravigliati del loro lavoro: “Le conseguenze sulla MQ potrebbero essere immense!”, dicono quasi con paura.

Per controllare queste asserzioni più assurde dell’assurdo (forse si meraviglierebbe anche lo Stregatto), i ricercatori hanno descritto qualche paradosso che sarebbe diretta conseguenza di questa “proprietà” della MQ. Paradossi che potrebbero essere trasformati in esperimenti veri e propri, verificabili e tali da fornire prove decisive alla teoria di un tempo capriccioso e saltellante. Ed eccoci, quindi, al secondo animale: il piccione!

Il primo paradosso prende il nome di piccionaia quantistica. Il principio classico della piccionaia dice: “Se si hanno due piccionaie  e tre piccioni, almeno due entreranno sicuramente in una singola piccionaia”. Questa banalissima frase è una “bandiera” della realtà quotidiana ed è l’essenza stessa del “far di conto”. Invece, nella nuova visione della MQ, si possono mettere infiniti piccioni in due piccionaie, ma nessuna coppia potrebbe essere nello stessa piccionaia. Non chiedetemi come questo paradosso derivi dal viaggio temporale: le formule lo descrivono perfettamente. Chi vuole avventurarsi in questo mondo, che se sarà verificato aprirebbe paesi delle meraviglie sempre più grandi e complessi, può leggere il lavoro originario QUI (non facile, ovviamente…).

13 commenti

  1. SANDRO

    Bellissimo articolo Enzo.
    Non ti sembra che ci sia veramente un "Intelligent design"? :mrgreen:

  2. caro Sandro,
    direi che più che "intelligent" sia molto scherzoso e imprevedibile... come giocare a dadi... :mrgreen:

  3. Interessante... Appena ho tempo, lo stampo e lo leggo...
    Nel frattempo, caro Enzo, credo che stamperò i tuoi articoli sulla MQ. Leggerli a schermo mi da fastidio, non fosse altro perchè non posso scriverci appunti...
    E mi vado anche a leggere direttamente le lezioni di Feynman: ho trovato un'edizione con testo originale a fronte, scontata al 40%.... Non potevo perderla! :wink:
    Buon divertimento a te e a Lampo per domani.
    Non potevo proprio venire, purtroppo: ho i controlli dell'ARPA, più un collega nuovo e una tesista da seguire.... :cry: I guai di un lavoro attivo 365 giorni all'anno...

  4. Lampo

    Se seee...bidonaro!!!

  5. Va là.... Di solito, quelli si ARPA non vengono mai ad agosto, ma stavolta 5 volte: una 'sta settimana, una dopo ferragosto e due all'inizio della settimana successiva..... :cry: Il che vuol dire, tra ottimizzazione e il resto, 36 settimane di inferno... Più la tesista e il novellino... Che due OO....

  6. 3 settimane... Il 6 da dove è uscito?

  7. Lampo

    Comunque leggendo l'articolo...davvero impressionante l'assurdità della MQ! Tanto impressionante quanto interessante. E gli infiniti piccioni in due piccionaie ma nessuna coppia...bah...vorrei provare a leggermi l'articolo originale ma temo che sia davvero troppo...

  8. SuperMagoAlex

    "il rivelatore finale avverte un cambiamento di spin solo e soltanto se è variato lo spin del fascio non parallelo, quello che non influenza il conteggio finale"

    Ma il rilevatore di spin non era in grado di rilevare solo quelli con spin parallelo? :oops:

  9. Paolo

    Scusa Enzo vorrei comprendere meglio l'esperimento.
    Quando dici che modificando lo spin del fascio di neutroni bloccati dal filtro, cambia il risultato del rilevatore, cosa significa?
    Che ne vengono rilevati in maggior oppure in minor quantità rispetto al numero che costituisce il fascio superiore? Oppure che altro?
    Cosa si suppone che l'artificiosa modifica di spin del fascio inferiore produca una modifica delle proprietà di alcuni neutroni del fascio superiore?
    Una piccola domanda: ma le particelle non potrebbero aver tutte un passato comune, agli esordi dell'universo (pre inflazione), in cui hanno avuto la possibilità di interagire fra loro, piuttosto che pensare che interagiranno fra loro nel futuro?

    Paolo

  10. Caro Paolo,

    cerco di spigarmi meglio... se ci riesco (anche per me non è semplice capire completamente l'esperimento nei suoi dettagli). L'interferometro serve a dividere i
    neutroni con spin differente (uno opposto all'altro). Il rivelatore serve a selezionare solo quelli con spin parallelo. In qualche modo questa è una selezione che si fa a posteriori. In altre parole, il fascio ricomposto ha neutroni con spin differenti, ma il rivelatore riesce a selezionare solo quelli paralleli. Questo ci dice, però, che le particelle con spin parallelo devono essere passate solo dal fascio superiore. Per averne la prova a posteriori inseriamo un filtro che ne assorbe una certa quantità e questo filtro lavora solo se lo mettiamo nel fascio superiore.

    In questo modo sappiamo dove passano le particelle...

    Adesso, modificando lo spin, i due fasci devono interagire tra loro producendo interferenza e quindi il rivelatore deve cambiare il risultato a seconda della variazione imposta. Questo capita solo se cambiamo lo spin a quelli inferiori. ma questo fascio è quello che le particelle non hanno preso, come dimostrato dalla prima parte dell'esperimento. Il rivelatore registra effettivamente una variazione legata all'interferenza quando variamo solo quello in basso.Ciò vuol dire, allora, che lo spin passa solo per il secondo fascio.

    In poche parole, preparando i neutroni in uno stato iniziale particolare e facendo la selezione a posteriori (nuovo stato), si vede che entrambi i fasci sono importanti per verificare l'evento, ma in modo completamente diverso...

    Ancora... lungo un fascio le particelle si "accoppiano", ma il rivelatore le identifica. Se però vogliamo fare un accoppiamento dei loro spin, bisogna lavorare sull'altro fascio.

    In modo simbolico è come se la particella passasse di sopra e lo spin di sotto.

    Sai, è, in fondo, sempre una questione di moltiplicazioni e di somme. Solo che l'evento non è facile da definire bene e trovo anch'io qualche difficoltà... dovrei mettermi a leggere attentamente l'articolo... ma... vorrei andare avanti con le basi della QED. Questo esperimento sarebbe una specie di esame di stato per la QED :mrgreen:

    Riguardo all'interazione passata non capisco bene cosa intendi... Qui stiamo cercando di capire come si comporta un fascio a cui è stato dato un certo stato iniziale. Non sono particelle entangled... ma forse non capisco io... Come potresti fare a capire prima dell'esperimento quali sono i neutroni di un certo tipo?

  11. ops... mi ero dimenticato di SMA!!!
    ma penso di avere risposto anche a lui... spero!

  12. SuperMagoAlex

    La prima parte dell'esperimento è chiara, la seconda un pò meno... :(

    Ma essendo neutroni provenienti da una stesso fascio, non dovrebbero essere entangled?

  13. io direi di no, dato che è un fascio che ha già le sue proprietà... ma ...

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