24/03/17

Superato Heisenberg? No, solo raggirato brillantemente… ***

Forse si leggerà in giro che un esperimento eseguito recentemente in Spagna sembrerebbe aver superato i limiti del principio di indeterminazione di Heisenberg. In realtà, non è così, ma il risultato ottenuto ha grandi possibilità di applicazione. Cerco di darne una spiegazione estremamente semplificata, ma che spero sufficiente per averne una vaga idea.

Il principio di indeterminazione è abbastanza chiaro: se un sistema è definito da due grandezze (posizione e velocità, energia e tempo, … ) è impossibile misurarle entrambe con una precisione altissima. Questo è un dato di fatto assodato e non è certo stato superato. Tuttavia, esistono caratteristiche fisiche estremamente interessanti nella vita di tutti i giorni che si riferiscono allo “spin” delle particelle subatomiche ed esse sono alla base di strumenti come gli orologi atomici e la risonanza magnetica. Anche se non è del tutto corretto, immaginiamo lo spin di una particella come fosse un momento angolare, un vettore. Immerso in un campo magnetico esso mostra una specie di moto di precessione. In altre parole, è come se oscillasse con tanto di angolo e di ampiezza.

Il principio di Heisenberg continua a valere e non si può dare con uguale precisione sia l’angolo che l'ampiezza. Tuttavia, e qui sta il “trucco”, è possibile descrivere lo spin, durante il suo moto, anche attraverso tre grandezze. In altre parole, attraverso le tre coordinate spaziali x, y, z.  A questo punto il principio di Heisenberg è costretto a fare una scelta e può essere diretto verso una configurazione molto utile allo stato pratico: fare in modo che il sistema rimanga sempre con la sua incertezza di fondo (accontentando Heisenberg), ma che solo una delle tre grandezze si carichi dell’errore, lasciando le altre due quasi perfette.

Manovrando adeguatamente lo spin con un campo magnetico, si costringe praticamente ad avere come grandezza ultra incerta quella fuori dal piano in cui si vogliono fare le misure. La direzione z si prende a carico tutte le conseguenze del principio di Heisenberg, ma con le due direzioni rimaste si può risalire sia all’ampiezza che all’angolo dell’oscillazione. La figura (da prendere come un semplice esempio “brutale” ) mostra come un campo magnetico può arrivare a definire quasi perfettamente lo spin nel piano xy, trascurando del tutto l’errore in z. Anzi maggiore è l’errore in z e tanto più precisa è la misura nel piano xy.

spin

Scusate se non posso essere più preciso, ma non sono un tecnologo e certe spiegazioni trovate in giro non mi soddisfano più di tanto. Oltretutto, per spiegare il fenomeno bisognerebbe entrare nella Meccanica Quantistica in modo ben più profondo di quanto io possa essere in grado. Cerchiamo di accontentarci di questa visione molto brutale, ma spero sufficientemente esplicativa.

Non gridiamo perciò al miracolo fisico, ma a un geniale colpo tecnologico. Il principio di Heisenberg continua a valere perfettamente, ma è stato manipolato in modo da ottenere un risultato perfetto su un riferimento particolare. Una tecnologia, come già accennato, che potrà avere ricadute stupefacenti sugli orologi atomici e sulla risonanza magnetica. Ancora una volta, la Meccanica Quantistica rimane profondamente incomprensibile, ma regala applicazioni di uso corrente e di utilità straordinaria.

Chi volesse andare molto più a fondo della questione può leggere l'articolo integrale QUI

8 commenti

  1. Mik

    Pensavo che il principio di Heisenberg si applicasse solo alle coppie (posizione e velocità), (energia e tempo) mentre tu ne dai una versione più generale -qualunque coppia di grandezze che definiscono completamente un fenomeno/sistema. Forse ne hai già parlato in passato e mi è sfuggito?

  2. caro Mik,

    in realtà si applica a qualsiasi sistema e a qualsiasi misura. Nel caso dello spin, in fondo, tutto si riporta alle caratteristiche di un onda, con una fase e un'ampiezza e quindi conoscendo il tempo esatto si perde l'informazione sull'ampiezza. Se si vuole l'ampiezza si perde quella sul tempo. La possiamo riportare alla coppia energia-tempo...

  3. Fabrizio

    Mi hanno colpito i centri di ricerca e l'origine degli autori dell'articolo. Ricercatori di provenienza europea, americana ed australiana che operano in centri di ricerca in Barcellona.

    Chissà se in Italia c'è qualche polo scientifico/tecnologico con la stessa capacità di attrazione?

    Vorrei aggiungere una osservazione riguardo la domanda Mik.

    Parlando di momento angolare in qualche modo parliamo di una coppia. In fisica classica è il prodotto tra una distanza e una velocità.

     

     

  4. caro Mik,

    il problema è sempre lo stesso... i fondi per la ricerca e  la posizione all'interno di una struttura. In Italia abbiamo menti brillanti, ma sono costrette ad andare all'estero se vogliono che le loro proposte siano valutate e finanziate per quello che valgono. In Italia non funziona così... Innanzitutto, i fondi sono pochissimi e se li mangiano coloro che hanno maggiori agganci con il potere economico-politico. E' non è cosa nuova... purtroppo...

    Lo "spin" può essere grossolanamente identificato come momento angolare, ma -in ogni modo- le grandezze si riconducono sempre a poche entità fisiche...

     

  5. Paolo

    Caro Enzo, avevo letto la notizia e stavo giusto aspettando un tuo articoletto.

    Per quel che ho capito e giusto per usare una semplificazione, il metodo usato lo vedo simile a questo:

    Il principio di indeterminazione ci dice che più cerchiamo di misurare con precisione una certa “caratteristica”, più aumenta l'errore sulla seconda ad essa legata (ad esempio velocità e posizione).

    Ammettiamo di usare tre diverse “caratteristiche” da misurare.

    Ad esempio vogliamo misurare le relazioni spin/ampiezza e spin/fase, nelle tre direzioni spaziali xyz:

    1) Spin/ampiezza direzione x

    2) Spin/fase direzione x

    3) Spin/ampiezza direzione y

    4) Spin/fase direzione y

    5) Spin/ampiezza direzione z

    6) Spin/fase direzione z

    Nella prima misura sacrifichiamo l'ampiezza per ottenere una misura precisa dello spin in direzione x;

    Nella seconda misura sacrifichiamo lo spin per ottenere una misura precisa della fase in direzione x;

    Nella terza misura sacrifichiamo lo spin per ottenere una misura precisa dell'ampiezza in direzione y;

    Nella quarta misura sacrifichiamo l'ampiezza per ottenere una misura precisa dello spin in direzione y;

    Nella quinta misura sacrifichiamo lo spin per ottenere una misura precisa dell'ampiezza in direzione z;

    Nella quinta misura sacrifichiamo lo spin per ottenere una misura precisa della fase in direzione z;

    In questo modo si dovrebbe ottenere una misura più precisa dello spin sul piano xy, ma indeterminata nella direzione z ed una misura più precisa di ampiezza sul piano yz e fase sul piano xz.

    Ovviamente la mia è solo una semplificazione, così per rendere ciò che ho inteso... ma ciò che ho inteso  potrebbe non essere corretto.. :roll:

    Paolo

  6. caro Paolo,

    probabilmente la tecnica usata è più elaborata, dato che si basa sul contributo del campo magnetico e della polarizzazione, tuttavia, penso che il procedimento mentale sia molto vicino al tuo schema. Va anche tenuto conto che esiste un'equazione, che coinvolge anche Schrodinger, in cui vengono proprio trattati i casi di tre grandezze contemporanee... Non la conosco, ne ho solo sentito parlare... ma posso fare una piccola ricerca...

    :wink:

  7. caro Paolo,

    si trova qualcosa, a livello molto superficiale:

    http://www.lescienze.it/news/2012/01/18/news/principio_di_indeterminazione_meccanica_quantistica_heisenberg_posizione_velocit_spin_neutroni-799356/

    http://www.treccani.it/scuola/lezioni/fisica/indeterminazione.html

    Sembra che il "capoccione" sia Masanao Ozawa

    da quanto ho capito, la faccenda ha bisogno di una variazione indotta esternamente nello spin, data , in modo da accentrare l'errore su una sola direzione. Non si limita perciò alla parte teorica (che come  dicevo dovrebbe già essere stata risolta), ma a un esperimento dipendente molto dalla strumentazione che ha una parte fondamentale...

  8. Paolo

    Grazie Enzo, ora me li leggo volentieri.

    Paolo

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