Secondo il nostro intuito fisico la relatività sembra naturalmente più esatta e logica ma negli ultimi anni la quantistica sta dimostrando di essere la teoria vincente. Dal teorema di Bell degli anni sessanta si sono avute sempre più conferme che il nostro mondo è non locale (fenomeni di interazione fisica non dipendenti dalla posizione, anzi posizione di un oggetto fisico sempre più insensata come descrizione), fenomeno alla base dell’entaglement quantistico (fenomeno secondo qui un corpuscolo come un fotone può influenzare istantaneamente un altro fotone a milioni di anni luce di distanza senza però intaccare quello che c’è in mezzo a loro, fenomento simile anche al teletrasporto quantistico).

La relatività si basa sul principio di località, principio indiscusso anche da uno dei più grandi padri fondatori della quantistica come Niels Bohr che era convinto ci fosse una spiegazione locale per gli “strani” fenomeni quantistici. Attualmente molti studi ed applicazioni di alta tecnologia si basano su fenomeni fisici non locali.

Ho scritto evoluto non a caso perché è possibile che questo universo non abbia un inizio e neanche una fine, è possibile che faccia parte solamente di un ciclo. Questa teoria di Martin Bojowald (ricercatore astrofisico e membro dell’Institute for Gravitation and the Cosmos alla Pennsylvania State University) e del suo team di ricerca all’avanguardia nel settore, viene chiama teoria del Big Bounce.

Già gli antichi greci, con Leucippo, immaginarono che la materia fosse costituita da unità elementari che chiamarono atomi (indivisibile), a cui Rutherford nel 1911 diede un modello ad orbitali successivamente migliorato da Bohr nel 1913 con gli orbitali di energia.

Dopo Bohr ci vollero una trentina di anni  prima che tutta la comunità scientifica accettasse questa visione degli atomi, cambiamento dovuto sopratutto alle nuove equazioni degli orbitali di Schrodinger negli anni ’20 e al principio di indeterminazione di Heisenberg che descrissero molto più dettagliatamente la struttura atomica. Infine, dopo le deduzioni e gli esperimenti dei più grandi padri della quantistica citati prima,si ebbe la prova definitiva con la visione dell’atomo al microscopio nel 1951 da parte di Erwin Muller.

Il percorso della materia costituita da atomi e lo stesso di quello teorizzato da Bojowald per lo spazio e per il tempo, anch’essi secondo lui caratterizzati da una struttura a piccola scala costituita dai cosiddetti “atomi di spazio-tempo”. Questi si ritiene misurino sull’ordine dei 10^-35 m, parecchi ordini di grandezza più piccoli di elettroni, leptoni , quark e altre particelle subatomiche e quindi non osservabili con i moderni strumenti che arrivano fino a 10^-18 m.

Seppure scettica a molti studiosi, questa teoria promette molto soprattutto perché spiega paradossi della moderna astrofisica e del big bang dove pure la relatività generale fallisce. Infatti, la teoria del big bang dice che il tutto sia iniziato (spazio e tempo) con l’esplosione di una singolarità primordiale avente, secondo la teoria della relatività generale (ampiamente accettata come moderna teoria della gravità), temperatura e densità infinite. Il termine infinito però convince molto di più un matematico che un fisico (soprattutto se quantistico), a cui viene naturale ed istintivo dubitare di certi stati.

Quello che si sta cercando di fare oggi è di andare oltre la relatività di Einstein ed elaborare una teoria della gravità “quantistica” che riunisca questi due mondi per ora molto diversi (per chi fosse interessato rimando al famoso dissidio tra Bohr ed Einstein con quest’ultimo erroneamente scettico sulla teoria quantistica).

Si sono formulate alcune teorie basate su questi principi come la Teoria delle Stringhe o le Triangolazioni Dinamiche Casuali ma quella che desta maggiormente il nostro interesse è la Gravità Quantistica a Loop, ricavata da una riformulazione matematica della relatività generale resa simile alla teoria classica dell’elettromagnetismo. Questa teoria prevede esplicitamente l’esistenza degli atomi dello spazio-tempo, concetto tra l’altro estraibile anche dalle altre precedenti due che ammettono distanze sufficientemente piccole indivisibili.

Il punto di forza della gravità a loop sta nel fatto che è molto più intuitiva nel spiegare fenomeni in cui la gravità è molto forte e nella sua capacità di descrivere la fluidità dello spazio-tempo, due fenomeni in continua evoluzione. Gli atomi dello spazio-tempo formano una fitta rete apparentemente continua (relatività generale e spazio continuo) ma nei casi di grande energia (singolarità del Big Bang) la struttura discreta diventa molto importante.

Per applicare ai modelli matematici questa teoria, Bojowald e il suo gruppo hanno dovuto semplificare molte le cose, trascurando fenomeni poco importanti nella risoluzione di equazioni che in questo caso sono equazioni alle differenze (trattandosi di modelli discreti), versione discreta delle equazioni differenziali.

I risultati emersi da queste simulazioni hanno sorpreso non poco. Generalmente la gravità è una forza attrattiva. Un corpo tende a collassare sotto l’azione del suo stesso peso, e se la massa è abbastanza grande, il tutto collassa in un punto chiamato singolarità esattamente come in un buco nero. I risultati delle equazioni alle differenze suggeriscono che nelle condizioni di altissima densità ed energia di una singolarità la gravità si trasforma in una forza repulsiva. Per capire meglio facciamo l’esempio di una spugna porosa (lo spazio) che imbeviamo di acqua (massa ed energia). La spugna può raccogliere fino ad una certa quantità di acqua ed arrivata al limite oltre a non raccoglierne più ne respinge. Così la singolarità del big bang aveva sì una densità elevatissima tale da far rientrare nello spazio di un protone la massa di una galassia ma era una densità finita. Arrivati al limite di porosità energetica e di massa dello spazio è scoppiato il big bang e la gravità è divenuta repulsiva accelerando l’espansione dell’universo.

La forza della gravità a loop sta anche nel fatto che non ha bisogno di introdurre concetti altrimenti non prevedibili dalla teoria perché il tutto viene spiegato dalle equazioni alle differenze e della struttura porosa ad atomi dello spazio-tempo.

Il nostro universo potrebbe non essere partito da zero nel Big Bang ma derivare da un universo precedente collassato dalla gravità attrattiva che arrivata al punto massimo di energia dello spazio si è trasformata in gravità repulsiva espandendo lo spazio fino ad arrivare ai giorni nostri. Se questo fosse vero, bisognerebbe rivedere l’effettiva età del nostro universo che potrebbe essere conseguenza di molteplici mutazioni gravità attrattiva-gravità repulsiva, salti di gravità riassunti nel termine inglese “Big Bounce” ( grande rimbalzo ).

Dalle prime simulazioni è emerso che questi rimbalzi sono molto simmetrici, tali da farci risalire all’universo precedente. Simulazioni più dettagliate però fanno rivelato che nella miscela della singolarità le leggi quantistiche mescolavano in modo praticamente casuale il tutto, distruggendo la storia precedente. I risultati indicano che l’universo attuale è l’immagine riflessa dell’universo precedente. Questo però non permette di ricavare tutte le informazioni perché certe particelle elementari non sono perfettamente simmetriche rispetto alla riflessione.

I prossimi traguardi da raggiungere sono sicuramente quelli della scoperta ovviamente per via indiretta degli atomi dello spazio-tempo dalle loro proprietà risultanti dalle equazioni alle differenze. Essi, infatti, deflettono pure i fotoni della luce a seconda della loro lunghezza d’onda. Lo studio di onde gravitazionali e neutrini sono allo stesso modo importanti per risultati in questo settore a causa della loro debole interazione con la materia e quindi alla loro capacità di trasportare informazioni sulla singolarità del big bang, se non su quello che avveniva prima.

Fonti: Martin Bojowald da LeScienze 12/08 e vari siti internet

per approfondire sulla gravità a loop : wikipedia ( sembra fatta bene ) a dispetto della fama di questo sito

I computer quantistici potranno simulare qualsiasi modello ed evoluzione fisica di ciascun fenomeno, anche l’interazione tra molteplici universi.  Potranno risolvere anche molti problemi matematici notoriamente ostici, come la fattorizzazione, classicamente intrattabile, e potranno implementare algoritmi di crittografia praticamente inviolabili.

“La computazione quantistica,” riassume David Deutsch , fisico di Oxford, ” è qualitativamente un nuovo modo di sfruttare la natura.”

Essa suona come fantascienza come lo erano i satelliti, le fasi lunari, e originariamente anche il microprocessore. Ma l’era della computazione non è nemmeno alla fine delle fasi iniziali.

La computazione tradizionale, con la sua sempre più grande miniaturizzazione raggiungerà alla fine un limite: la legge di Moore, che dice che il numero di chip integrati nella stessa area di un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi, è sulla via di trovare un muro invalicabile verso il 2015, a causa dell’eccessivo riscaldamento e anche al fatto che oltre a certi gradi di miniaturizzazione non si può andare ( oggi siamo al nodo tecnologico dei 32nm e dobbiamo considerare che in 1nm ci sono solo 3 atomi di silicio in legame covalente ). Al massimo si è arrivati a dimostrare la fattibilità di un inverter CMOS statico a 3nm.

Per scavalcare questo muro dovremmo capire bene come funzionano  le leggi del regno della quantistica, un sorta di paese delle meraviglie di Alice dove ci sono particelle che possono essere in due posti contemporaneamente.

Dove i classici circuiti integrati al silicio lavorano con le leggi della fisica classica( sembra una semplificazione questa frase ma vi assicuro che studiandoli ho scoperto un mondo pieno di soluzioni assolutamente geniali e non certo intuitive ), un computer quantistico è capace di utilizzare le leggi della meccanica quantistica (specialmente l’interferenza quantistica) per realizzare un modo per l’elaborazione delle informazioni.

L’unità fondamentale dell’informazione nella computazione quantistica ( detto bit quantistico o qubit ), non è binario ma quaternario, fatto che differisce molto dalle classiche leggi della fisica.

Un qubit non esiste solo nei due stati logici 0 e 1 di un normale bit di informazione, ma anche in ulteriori stati che corrispondono ad una sorta di miscela o sovrapposizione degli stati classici. In altre parole, un qubit può esistere come uno 0, un 1 o simultaneamente con uno 0 ed un 1, con un coefficiente numerico che rappresenta la probabilità di essere in ciascun stato, probabilità che è il fenomeno chiave di tutta la meccanica quantistica.  Questo può sembrare poco intuitivo visto che il mondo davanti ai nostri occhi e alle nostre scale di grandezza è governato dalle classiche ferree leggi di Newton, ma la meccanica quantistica interviene al livello atomico dove tutte le leggi classiche ( compresa la relatività di Einstein ) non hanno nessuna valenza .

Il motivo per cui questo è eccitante è che la computazione può essere fatta con un massiccio parallelismo grazie al fenomeno della sovraposizione, il che equivale all’eseguire la stessa operazione su un computer classico dotato però di circa 10150  processori separati, cosa per adesso abbastanza difficile ( non dico impossibile visto che INTEL sta già sperimentando nei suoi laboratori sistemi a 512 o 1024 core ).

L’idea di un dispositivo computazionale basato sulla meccanica quantistica venne inizialmente esplorata negli anni ’70 e nei primi anni ’80 da fisici e scienziati come Charles H. Bennett del centro di ricerca  Thomas J. Watson Research Center dell’IBM,  Paul A. Benioff dell’ Argonne National Laboratory in Illinois, David Deutsch di Oxford, e più tardi da Richard P. Feynman, Nobel laureto alla California Institute of Technology dove stavano ponderando i limiti fondamentali della computazione classica.

Come già detto, continuando a rimpicciolire ed integrare sempre di più si arriverà alla grandezza di un singolo transistor MOS fatto di pochi atomi.  Qui sorgono i primi problemi perchè le leggi che governano il livello atomico non sono quelle classiche ma la meccanica quantistica prende il sopravvento.

Questo ha poi sollevato la questione su come un nuovo computer potrà essere costruito e funzionare sulle basi della meccanica quantistica.

Feynman è stato praticamente il primo a porsi questo problema e a produrre nel 1982 un modello astratto di una macchina quantistica  che mostrò come un sistema quantistico possa essere usato per eseguire delle computazioni. Egli spiegò anche come una macchina del genere possa agire da simulatore per la fisica quantistica. In altre parole un fisico potrà fare esperimenti sulla fisica quantistica su una macchina costruita e funzionante grazie alla meccanica quantistica.

Nel 1985, Deutsch realizzò che l’idea di Feynman poteva portare ad un computer quantistico general purpose utilizzabile per qualsiasi programma e ha pubblicato un documento di fondamentale importanza teorica mostrando che ogni processo fisico, in linea di principio, potrebbe essere perfettamente modellato da un computer quantistico.    Dopo la pubblicazione del documento di Deutsch la ricerca ha cominciato a trovare molteplici applicazioni realizzabili con una macchina del genere.

La svolta avvenne nel 1994 quando Shor fece circolare una prestampa di un articolo dove egli spiegava come usare la computazione quantistica per risolvere uno dei problemi più importanti nella teoria dei numeri, la fattorizzazione. Ha mostrato come un insieme di operazioni matematiche, progettate specificamente per un computer quantistico, possano essere organizzate per abilitare una tale macchina a fattorizzare numeri estremamente grandi in tempi molto ridotti, molto più velocemente  dei computer convenzionali.

Con la svolta di Shor, la computazione quantistica si trasformò da una mera curiosità accademica ad un interesse mondiale.

L’hardware quantistico, d’altro canto, rimane un settore emergente, ma il lavoro svolto finora suggerisce che sarà solo una questione di tempo prima di avere dispositivi di dimensioni sufficienti a testare gli algoritmi di Shor e di molti altri.

Al di là della effettiva creazione di un computer quantistico, il nostro maggiore limite è l’immaginazione dei programmatori. Questa sarà la grande sfida dei programmatori di Google e simili per il domani: prendere l’infinito potere di computazione e networking e creare interfacce che siano abbastanza facili da capire per un semplice utente.

Le recenti scoperte capitanate da Stuart Wolff della Università di Virginia ci permettono portare l’elettricità fuori dalle solite equazioni, e di sbarazzarsi del problema di surriscaldamento che sta rallentando gli IC ( Integrated Circuits ) rispetto all’andamento della legge di Moore. Sono stati realizzati singoli elettroni che aggiustano il loro spin. I circuiti sub-atomici sono alla nostra portata.

da DailyGalaxy.com e news.bbc.co.uk

Questo acceleratore è costato circa 9 miliardi di dollari e in esso vengono le poste le speranze di tutti i fisici e scienziati che vogliono scoprire le basi dell’universo ricreando le condizioni della sua formazione, cioè gli attimi immediatamente successivi all Big Bang. E’ il più grande esperimento di tutti i tempi!!

L’obbiettivo principale dell’acceleratore del CERN ( European Organization for Nuclear Research – gruppo di scienziati inventori tra l’altro di del Wordl Wide Web cioè di Internet ) è svelare i segreti della fisica delle particelle e risolvere il mistero dell’origine dell’universo. Per scoprire questo si fanno scontrare ad altissima velocità ioni,protoni e nuclei di atomi ad energia dell’ordine dei TeV. Quello che si spera di più è di dimostrare l’esistenza del bosone di Higgs, il responsabile di quella proprietà della materia detta massa. Questo bosone e altre particelle per ora solamente teoriche consentirebbero di riempire i buchi presenti nel Modello Standard.

Altre importantissime domande a cui potrebbero rispondere gli esperimenti condotti con l’LHC sono la natura della Materia Oscura e dell’Energia Oscura ( costituenti del 95% dell’universo ), l’esistenza o meno di dimensioni oltre le 4 conosciute ( lunghezza, larghezza, altezza e tempo ),capire meglio gli stati plasmatici della materia e tante altre cose.

Per rilevare tutti i fenomeni e le particelle non si farà uso solo dell’LHC ma anche di altri acceleratori minori ( SPS, PS, …) e rilevatori fatti apposta per un certo tipo di particella ( ALICE, CMS, LHC-b, … ) tutti situati nella stessa area al confine tra Francia e Svizzera e nella periferia di Ginevra e tutti di proprietà del CERN.

Per circa un mese a partire da oggi non ci saranno comunque collisioni ma solo lavori di sincronizzazione e si faranno passare dei protoni attraverso l’LHC per testare i dispositivi.

Per chi dice e pensa che l’LHC genererà buchi neri in grado di ighiottire la Terra la risposta è no, il Large Hardon Collider è assolutamente sicuro. Si potrebbero formare dei mini buchi neri perchè permessi dai calcoli matematici effettuati ma gli stessi calcoli dicono che questi proto buchi neri svanirebbero o meglio evaporerebbero nel nulla emettendo solamente una radiazione ( radiazione di Hawking) in un tempo di circa .000000000000000000000000001 secondi. Essi avrebbero un energia molto minore dei raggi cosmici che colpiscono ogni giorno la Terra. Ci tenevo a precisare questo perchè su tanti blog e giornali web si parla di più di questa stupidaggine che dei benifici che deriverebbero dagli esperimenti del CERN.

Coumque per festeggiare l’evento Google ha risposto con i suoi soliti loghi Google Doodle che ricordano eventi o persone. Ecco quello dedica al’LHC:

Per chi volesse seguire in diretta tramite videostreaming gli esperimenti condotti al CERN basta che incolli il seguente indirizzo in VLC nella sezione File/Apri Flusso di Rete/Personalizza:

mms://qstream-live.qbrick.com/00862live80910

Io personalmente auguro un buon lavoro ai migliori fisici e scienziati europeri o forse mondiali che sono proprio curioso cosa scopriranno di questo affascinante mondo chiamato UNIVERSO!!