Qbit, Tempo e tante Chiacchiere

Tanto l’avrete letto anche voi; ieri era su quasi tutti i quotidiani: gli scienziati hanno invertito la direzione del tempo.

Team russo, computer quantistico, esperimento fatto a livello microscopico, stato artificiale creato in maniera da evolvere in direzione opposta alle leggi della termodinamica sono forse alcune delle parole che i più arditi si sono spinti a leggere.

In breve, la direzione del tempo è data dal SECONDO principio della termodinamica che dice che l’entropia (il caos, in parole volgari) di un sistema tende ad aumentare. Una tazzina che cade si rompe, i suoi cocci sono meno ordinati della tazzina intera, se ci fanno vedere il disastro filmato in reverse mode ce ne accorgiamo subito. Questa è roba da libri di scuola (… che forse se si inspirassero al “flusso canalizzatore” avrebbero più copie vendute…).

Quando però entriamo nel mondo della meccanica quantistica le cose non sono così ovvie. Entra in gioco la probabilità ed il fatto che la tazzina si ricomponga e risalga nelle nostre mani non è teoricamente impossibile, ma solo altamente improbabile. A livello microscopico, invece, è possibile che la freccia del tempo sia reversibile e che proceda sia in un senso e in quello contrario.

Questa possibilità era stata già teorizzata nei primi anni novanta da Ilya Prigogine, (poi premio Nobel per la chimica nel 1977 proprio per le sue teorie sulla termodinamica applicata a sistemi complessi), e si pensava possibile solo a livello microscopico (…la polemica la faccio dopo, ma già questo quanto -è proprio il caso di dirlo- di informazione non mi pare sia stato detto negli articoli sensazionalistici circa l’esperimento).

L’esperimento in oggetto ha utilizzato un computer quantistico per analizzare la posizione di un elettrone. Prima l’elettrone è stato fatto passare da una fase in cui era precisamente (beh, più o meno a causa del principio di indeterminazione) localizzato ad una in cui il sistema era nettamente più caotico ed il nostro elettrone non era più facilmente individuabile. In un secondo tempo, grazie a un algoritmo (che è il vero cuore dell’esperimento), è stato compiuto il percorso inverso: l’elettrone dal sistema caotica è tornato a essere localizzato. Come se avessimo rivisto la nostra tazzina ricomporsi e “gridato” all’inversione del tempo.

E’ tutto bellissimo e certamente un esperimento degno di nota. La cosa che mi lascia però molta tristezza è che se non si fossero usati titoli sensazionalistici circa l’inversione delle freccia del tempo nessuno avrebbe neanche aperto una pagina circa l’esperimento in questione. Ovvero, anche nel campo della ricerca scientifica (che un tempo era quel settore in cui i risultati andavano comunicati nella maniera più chiara, nitida, breve, anche brutale se volete possibile) si è iniziato ad usare una sorta di sistema “click biting” per farsi pubblicità.

Se grazie a questa “pubblicità” ci siamo convinti che possiamo viaggiare nel tempo, i “divulgatori” hanno fatto il loro lavoro, ma la verità è che il tempo continua ad evolvere come lo abbiamo sempre conosciuto e solo l’elettrone (con tutti i se ed i ma del caso… i qubit tornavano al loro stato iniziale nel 85% dei casi quando erano due e nel 50% quando erano tre… ma questo è un dettaglio da trafiletto, no?!) è “tornato indietro”. Detto così sono certo non avrebbe avuto tutto il clamore che gli è stato riservato un po’ ovunque.

Sarà stata anche una grande pubblicità, ma IMHO il valore scientifico dell’esperimento è stato un po’ offuscato da tutto questo sensazionalismo (… che spero non abbia anche ingenerato errate percezioni da chi legge solo titoli o le prime righe di articoli semi-seri).

WU

Il vuoto che ho dentro

Mi capito spesso di sentirmi vuoto, un po’ inutile. Mi capita di guardare le mie giornate scorrere senza davvero capirne il senso o con la netta impressione che non stanno lasciando traccia. Mi capita di vivere per riflesso o addirittura di non cogliere la bellezza di questa vita.

Sicuramente è a causa di una mia scarsa profondità morale, ma forse anche a causa di tutto il vuoto che ho dentro. Incolmabile.

Nel senso che io, e fatemelo dire, anche voi siamo fatti per la maggior parte di nulla, di vuoto, di spazio senza materia. Siamo degli ingombranti volumi fatti di pochissima massa e di moltissimo nulla.

Ora, a parte le irrinunciabili divagazioni metafisiche che questa costatazione mi porta a fare, il punto è che siamo fatti di materia. La materia è fatta di molecole e queste di atomi e gli atomi (ahimè) sono fatti sostanzialmente di… vuoto.

Atomo1.png

Allora, senza fare la solita sbrodolata, gli atomi sono i costituenti della materia a loro volta costituiti da particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) che si sono organizzati in un sistema relativamente semplice (scopiazzando dal nostro sistema solare anche se il paragone non mi piace particolarmente a causa della sostanziale differenza delle forze in gioco). C’è un nucleo centrale formato in genere da neutroni e protoni attorno al quale ruotano gli elettroni. Questi sono disposti in una specie di nuvoletta (gli orbitali) nei quali c’è un’altissima probabilità (e qui entra in gioco la statistica nella meccanica quantistica) di trovarli. La maggior parte della massa dell’atomo è nel nucleo (il nucleo è qualcosa come 1800 volte più pesante degli elettroni), mentre gli orbitali… fanno volume.

Quindi, un atomo è una struttura molto piccola, con quasi tutta la massa nel nucleo ed una piccolissima parte statisticamente a distanze moooolto grandi, in proporzione alle dimensioni del nucleo. Ed ecco fatto il nostro vuoto.

Atomo2.png

Immaginiamo un’arancia che abbia dimensioni pari a quelle del pianeta terra Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.
[Il Tao della Fisica, F. Capra]

Buttiamo due numeri: il raggio medio di un atomo è qualcosa come 10^-11 metri, mentre il raggio medio del nucleo è circa 10^-15 metri; il risultato (considerando che nella formula del volue della sfera ci sono i cubi di questi raggi) ci porta a dire che l’atomo è vuoto (distanza media fra nucleo ed elettroni) al 99.999999999999%!!

Così, a spanne: un uomo medio peserà 70 kg, che considerando una densità unitaria (acqua) corrisponde a 0.07 m3, ovvero circa 70 litri. Saremo qualcosa come 7.000.000.000 di esseri umani su questa faccia di Terra e ciascuno ha una massa che sarebbe condensabile nel 0.000000000001 del suo volume. Risultato: circa mezzo litro.

Ed ora fantastichiamo un po’. Diciamo che riusciamo a togliere (e come?) tutto lo spazio vuoto dali atomi, e quindi rimanere solo con il minimo volume necessario a contenere la nostra massa (si, la nostra densità, che è circa quella dell’acqua, aumenterebbe a dismisura); il risultato sarebbe che tutta l’umanità sarebbe contenuta in una pallina da tennis, o in una zolletta di zucchero o comunque sarebbe qualcosa di meno di un litro di volume.

Affascinante.

Siamo quindi fatti sostanzialmente di nulla. Allora la domanda sorge spontanea: come è possibile che quando due corpi si incontrano riescono a non compenetrarsi (il nostro sedere non passa attraverso la sedia) se sono fatti entrambi di vuoto? Ed è nuovamente la meccanica quantistica a spiegarci l’arcano.

Due elettroni non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico, quando due elettroni si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi (l’esempio di due calamite è qui molto calzante): principio di esclusione di Pauli.
Quindi le molecole che compongono un corpo non possono arbitrariamente essere spinte le une verso le altre, poiché gli elettroni di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni di un’altra molecola.

Quando ci sediamo su una sedia in realtà… non la tocchiamo ma lievitiamo a qualche nanometro di distanza su di essa, respinti dalle forze elettriche degli atomi che compongono la sedia: le forze elettriche ci rendono effettivamente solidi.

Affascinante, nuovamente.

WU

PS. Ovviamente la percentuale di vuoto e tutti i fanta-calcoli che ne derivano sono valori medi essendo gli atomi tutti diversi ed essendo noi (ma in fondo tutta la materia) costituiti da una miriade di elementi.

Altrettanto ovviamente sentendo i ragionamenti di certe persone viene il fondato dubbio che la percentuale di vuoto sia molto molto maggiore del mio male di vivere.

PPSS. Chiedo scusa ai puristi della meccanica quantistica, in quanto il concetto di volume e raggio dell’atomo, a livello microscopico appaiono assolutamente fuori luogo, trattandosi di orbitali quantistici in cui gli elettroni hanno una data probabilità di trovarsi: quello che chiamiamo vuoto non è affatto vuoto, solo non c’è materia…