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giovedì 8 agosto 2024
Capitolo 1: La prima alba. - Ulf Eriksson
venerdì 12 luglio 2024
Sviluppati sensori quantistici che “viaggiano nel tempo”
Un team di scienziati ha sviluppato nuovi tipi di sensori quantistici che sfruttano l'entanglement quantistico per realizzare rilevatori che viaggiano nel tempo
Kater Murch, Professoressa di fisica Charles M. Hohenberg e direttrice del Center for Quantum Leaps presso la Washington University di St. Louis, e i colleghi Nicole Yunger Halpern del NIST e David Arvidsson-Shukur dell’Università di Cambridge hanno sviluppato nuovi tipi di sensori quantistici che sfruttano l’entanglement quantistico per realizzare rilevatori che viaggiano nel tempo.
Sensori quantistici che sfruttano l’entanglement per viaggiare nel tempo
L’idea del viaggio nel tempo ha affascinato gli appassionati di fantascienza per anni. La scienza ci dice che viaggiare nel futuro è tecnicamente fattibile, almeno se si è disposti ad andare vicino alla velocità della luce, ma tornare indietro nel tempo è un no-go. Cosa succederebbe però se gli scienziati potessero sfruttare i vantaggi della fisica quantistica per scoprire dati su sistemi complessi accaduti in passato?
Murch ha descritto questo concetto come analogo alla possibilità di inviare un telescopio indietro nel tempo per catturare una stella cadente osservata con la coda dell’occhio. Nel mondo di tutti i giorni, questa idea non è fattibile. Nella terra misteriosa ed enigmatica della fisica quantistica, potrebbe esserci però un modo per aggirare le regole. Questo grazie a una proprietà dei sensori quantistici aggrovigliati che Murch ha denominato “hindsight”.
La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.
Lo studio sui sensori quantistici.
Il processo inizia con l’intreccio di due particelle quantistiche in uno stato di singoletto quantistico, in altre parole due qubit con spin opposto, in modo che, indipendentemente dalla direzione presa in considerazione, gli spin puntino in direzioni opposte. Da lì, uno dei qubit, la “sonda”, come la chiama Murch, è sottoposto a un campo magnetico che ne provoca la rotazione.
Il passo successivo è dove avviene la proverbiale magia. Quando il qubit ausiliario (quello non utilizzato come sonda nell’esperimento) viene misurato, le proprietà dell’entanglement inviano effettivamente il suo stato quantico (cioè lo spin) “indietro nel tempo” all’altro qubit nella coppia. Questo ci riporta al secondo passo del processo, dove il campo magnetico ha fatto ruotare il “qubit sonda“, ed è qui che entra in gioco il vero vantaggio dei sensori quantistici.
In circostanze normali per questo tipo di esperimento, in cui la rotazione di uno spin viene utilizzata per misurare la dimensione di un campo magnetico, c’è una probabilità su tre che la misurazione fallisca. Questo perché quando il campo magnetico interagisce con il qubit lungo l’asse x, y o z, se è parallelo o antiparallelo alla direzione dello spin, i risultati saranno annullati: non ci sarà alcuna rotazione da misurare.
In condizioni normali, quando il campo magnetico è sconosciuto, gli scienziati dovrebbero indovinare lungo quale direzione preparare lo spin, portando a un terzo di possibilità di fallimento. La bellezza dei sensori quantistici è che consentono agli sperimentatori di stabilire la direzione migliore per lo spin, col senno di poi, attraverso il viaggio nel tempo.
Einstein una volta ha definito l’entanglement quantistico come “azione spettrale a distanza“. Forse la parte più spettrale dell’entanglement è che possiamo considerare le coppie di particelle entangled come la stessa identica particella, che si muove sia avanti che indietro nel tempo.
Questo offre agli scienziati nuovi modi creativi per costruire sensori quantistici migliori, in particolare quelli che è possibile inviare efficacemente indietro nel tempo. Esistono numerose potenziali applicazioni per questi tipi di sensori, dal rilevamento di fenomeni astronomici al suddetto vantaggio ottenuto nello studio dei campi magnetici, e sicuramente ne emergeranno altre man mano che il concetto verrà ulteriormente sviluppato.
Conclusioni.
L’obiettivo della metrologia quantistica è migliorare la sensibilità delle misurazioni sfruttando le risorse quantistiche. I metrologi spesso mirano a massimizzare le informazioni quantistiche di Fisher, che limitano la sensibilità dell’impostazione di misurazione.
Negli studi sui limiti fondamentali della metrologia, un’impostazione paradigmatica presenta un qubit (sistema spin-half) soggetto a una rotazione sconosciuta. Si ottengono le massime informazioni quantistiche di Fisher sulla rotazione se lo spin inizia in uno stato che massimizza la varianza dell’operatore che induce la rotazione.
Se l’asse di rotazione è sconosciuto, tuttavia, non è possibile sviluppare sensori quantistici a singolo qubit ottimale.
Ispirati dalle simulazioni di curve chiuse di tipo tempo, gli studiosi che hanno sviluppato i sensori quantistici hanno aggirato questa limitazione e hanno ottenuto le massime informazioni quantistiche di Fisher su un angolo di rotazione, indipendentemente dall’asse di rotazione sconosciuto.
Per ottenere questo risultato, inizialmente hanno aggrovigliato il qubit di sonda con un qubit ancilla. Quindi, hanno misurato la coppia in una base aggrovigliata, ottenendo più informazioni sull’angolo di rotazione di quante ne possa ottenere qualsiasi sensore a singolo qubit.
Gli studiosi che hanno sviluppato i sensori quantistici hanno ottenuto questo vantaggio metrologico utilizzando un processore quantistico superconduttore a due qubit. Il loro approccio di misurazione ha ottenuto un vantaggio quantistico, superando ogni strategia priva di entanglement.
giovedì 4 luglio 2024
Sumeri.
domenica 2 giugno 2024
Nei buchi neri il tempo non esiste: la rivoluzionaria scoperta italiana.
I buchi neri non divorano la materia, la fanno ruotare all’esterno in un vortice di frammenti. Questa è la nuova immagine dei buchi neri che rivoluziona radicalmente la nostra comprensione di questi enigmatici oggetti cosmici.
Nonostante l’intensa attrazione gravitazionale che esercitano, la materia non riesce a entrare nei buchi neri perché, al loro interno, il concetto di tempo come lo conosciamo non esiste. “L’idea da tenere presente è che, entrando in un buco nero, il tempo diventa immaginario”, spiega Salvatore Capozziello, fisico del dipartimento di Fisica “E. Pancini” dell’Università Federico II di Napoli. Capozziello, insieme a Silvia De Bianchi dell’Università Statale di Milano e Emmanuele Battista dello stesso dipartimento di Fisica di Napoli, ha pubblicato una ricerca sulla rivista Physical Review D che sfida le attuali teorie sui buchi neri.
Il problema della singolarità.
Nella teoria della Relatività generale esiste il problema delle singolarità: punti dove le equazioni della fisica perdono di significato. Buchi neri e Big Bang rappresentano situazioni estreme che sfidano la nostra comprensione del tempo e dello spazio. “È un problema che ha preoccupato i fisici per decenni, a cominciare dallo stesso Einstein”, osserva Capozziello. Secondo le teorie attuali, un osservatore esterno vedrebbe un oggetto cadere in un buco nero per un tempo infinito, mentre un osservatore che cadesse con l’oggetto lo farebbe in un tempo finito. Tuttavia, nessuno sa cosa avvenga realmente all’interno di un buco nero poiché non esistono prove sperimentali.
Cosa succede se ci si avvicina a un buco nero.
Capozziello e il suo team hanno studiato cosa succede avvicinandosi a un buco nero utilizzando coordinate fisiche per analizzare le onde gravitazionali, basandosi sulla teoria di Einstein. Hanno scoperto che la velocità di caduta si riduce a zero e la curvatura dello spazio-tempo rimane finita, rendendo impossibile entrare nel buco nero. Questo fenomeno, chiamato “atemporalità” dai ricercatori, implica che oltre l’orizzonte degli eventi il tempo diventa immaginario e il buco nero non può essere trattato come un sistema dinamico.
Una fisica senza singolarità.
Di conseguenza, la materia, pur attratta dalla gravità del buco nero, non riesce a penetrarne l’interno e si accumula intorno ad esso. Questa teoria risolve uno dei più grandi enigmi della relatività generale di Einstein, dimostrando che i buchi neri non contengono una vera singolarità e non causano un collasso dello spazio-tempo. Propone invece una “fisica senza singolarità” che potrebbe anche applicarsi alla meccanica quantistica.
L’orizzonte degli eventi.
L’orizzonte degli eventi assume quindi una nuova definizione: diventa il limite oltre il quale il tempo diventa immaginario. Un osservatore può raggiungerlo, ma non attraversarlo. La famosa immagine del buco nero ottenuta nel 2019 dalla collaborazione Event Horizon Telescope rappresenterebbe, secondo questa teoria, le particelle che non riescono a entrare nel buco nero. Questo indica che i buchi neri non sarebbero divoratori di materia, come spesso rappresentati, ma oggetti che accumulano materia.
domenica 28 aprile 2024
Wormhole e viaggio nel tempo.
Un wormhole potrebbe essere il trucco che l’universo mette a disposizione per viaggiare nel tempo. Cos’è, però, unn wormhole? E come potrebbe aiutarci a viaggiare nel tempo?
Andiamo con ordine.
Cos’è il tempo?
La più antica concezione del tempo che ci ha tramandato la filosofia è quella dei greci che ne avevano un concetto ciclico che vedeva gli eventi ripetersi indefinitamente.
Sant’Agostino, che dal tempo era ossessionato, scrisse di sapere bene che cosa fosse, ma di non essere in grado di spiegarlo se qualcuno glielo chiedeva.
Il fisico Richard Feynman amava dire che il tempo è ciò che accade quando non accade nient’altro.
Nonostante gli sforzi compiuti da molti altri scienziati, il tempo resta una variabile sfuggente. Tuttavia, grazie ad Albert Einstein e alla sua teoria della Relatività, abbiamo una nuova visione del tempo, non più unico e immutabile ma legato indissolubilmente allo spazio in una struttura influenzata dalla gravità che egli definì “spaziotempo”.
Molti si chiedono se sia possibile viaggiare nel tempo in modo diverso dal viaggio che ognuno di noi compie quotidianamente, dal passato verso il futuro. È possibile viaggiare a ritroso nel tempo per giungere in epoche passate?
Il viaggio nel tempo verso il passato difficilmente potrebbe essere affrontato. Pur non essendo nota una sola legge della fisica che lo proibisca assolutamente, non riusciamo a trovare un meccanismo che renda possibile farlo, e se potessimo farlo, la possibilità aprirebbe una serie di paradossi.
Tuttavia, in linea teorica il viaggio potrebbe essere compiuto, dovremmo solo trovare un wormhole.
Un wormhole per muoversi nel tempo e nello spazio.
La possibile esistenza dei wormholes fu teorizzata per la prima volta nel 1916, anche se allora venivano chiamati in un altro modo. Mentre esaminava la soluzione di un altro fisico alle equazioni nella teoria della relatività generale di Albert Einstein, il fisico austriaco Ludwig Flamm capì che era possibile un’altra soluzione.
Descrisse un “buco bianco“, un’inversione temporale teorica di un buco nero. Gli ingressi a entrambi potrebbero essere collegati da un condotto spazio-temporale.
Nel 1935, Einstein e il fisico Nathan Rosen usarono la teoria della relatività generale per elaborare l’idea di Flamm, proponendo l’esistenza di “ponti” attraverso lo spazio-tempo.
Questi ponti collegherebbero due punti diversi nello spazio-tempo, teoricamente creando una scorciatoia che potrebbe ridurre il tempo e la distanza del viaggio. Queste scorciatoie furono chiamate ponti di Einstein-Rosen, o wormhole.
I wormhole, ammesso esistano, sarebbero quindi scorciatoie nello spazio, tunnel che collegano due parti distanti dell’universo attraverso un percorso molto breve. Se fossimo in grado di realizzare un tunnel simile potremo percorrere distanze immense in brevissimo tempo.
Per sfruttare queste scorciatoie, innanzitutto dovremmo in qualche modo agganciare un’estremità del nostro wormhole e portarlo a una velocità prossima a quella della luce. Sappiamo dalla teoria della relatività speciale di Einstein che, a velocità prossime a quella della luce, gli orologi in movimento battono il tempo più lentamente e che gli oggetti sperimentano lo scorrere del tempo in maniera diversa rispetto a quelli che si muovono più lentamente.
Allo stesso modo se portassimo una delle estremità del nostro tunnel a velocità vicine a quella della luce un eventuale orologio in esso non batterebbe il tempo allo stesso modo dell’altra estremità.
Ora dovremo portare l’estremità “accelerata” in prossimità dell’estremità opposta, esse non saranno più sincronizzate sullo stesso tempo, un’imboccatura del tunnel si troverà nel passato rispetto all’altra.
Percorrendo il tunnel dall’estremità del presente si sbucherà dalla parte del tunnel che batte il tempo più lentamente, nel passato, arrivando prima di essere partiti.
Questo modo apparentemente semplice di ingannare le leggi della natura sulle restrizioni imposte dai viaggi temporali, sembra non essere apprezzato dalla natura stessa che pare non amare nemmeno i wormhole.
Wormhole e materia esotica.
Uno dei problemi riguarda la dimensione di questi passaggi. La loro esistenza è prevista fin dalle prime fasi dell’espansione dell’universo, ma a livelli microscopici, circa 10–33 centimetri. Si ritiene, però, che alcuni di questi wormholes si siano espansi diventando molto più grandi.
Un altro problema nasce dalla loro stabilità.
I wormholes di Einstein-Rosen sarebbero inutili per viaggiare perché collassano rapidamente. Tuttavia c’è una speranza, ricerche più recenti hanno scoperto che un wormhole contenente materia “esotica” potrebbe rimanere aperto e immutabile per lunghi periodi di tempo e quindi utilizzabile.
La materia esotica, che non dobbiamo confondere con la materia oscura o con l’antimateria, conterrebbe una densità di energia negativa e una grande pressione negativa. Se un wormhole contenesse una sufficiente quantità di materia esotica, sia naturale che aggiunta artificialmente, potrebbe teoricamente essere usato per inviare viaggiatori attraverso di esso.
I wormholes, oltre a farci ipoteticamente viaggiare indietro nel tempo, potrebbero collegare due regioni separate all’interno dell’universo, oppure teoricamente potrebbero collegare due diversi universi.
Sarebbe sufficiente la materia esotica per stabilizzare il passaggio?
Alcuni ritengono di no, anche solo la presenza di un viaggiatore all’imboccatura del tunnel, fatto quindi di normale materia, lo destabilizzerebbe causandone il collasso. Oggi non abbiamo le capacità per creare un simile passaggio, non sappiamo nemmeno se esiste davvero né come produrre la materia esotica, in pratica possiamo solo ipotizzare questo tipo di passaggio con la speranza che in futuro la nostra tecnologia sarà cosi progredita da realizzarli.
lunedì 22 aprile 2024
Clamorosa scoperta della fisica: all'interno del vetro e della plastica, il tempo è reversibile. - Francesca Argentati
Freepik-Pixabay |
Incredibile scoperta nel campo della fisica: un nuovo studio ha scoperto che il tempo può essere invertito nel vetro e nella plastica, all'interno dei quali si è dimostrato reversibile. Scopriamo di più.
Il tempo per gli esseri viventi ha un'unica direzione
Freepik
Un colpo di scena degno di nota arriva dall'Università Tecnica di Darmstadt, Germania, dove i fisici hanno scoperto che il tempo è reversibile sia nella plastica che nel vetro. Tutti noi siamo abituati a vedere il tempo come uno scorrere inesorabile di secondi, minuti, ore, giorni, mesi e anni, dai quali non si può tornare indietro: qualcosa che si è rotto non può essere riportato indietro, al suo stato intonso prima della frattura, e il prossimo compleanno non può avere una candelina in meno rispetto al precedente (a meno che non si decida di imbrogliare, naturalmente!). Insomma, il tempo per gli esseri viventi ha un'unica direzione, che ci porta a maturare e invecchiare.
Questo risponde alla Seconda Legge della Termodinamica di Newton, noto anche come "freccia del tempo", secondo cui il disordine di un sistema aumenta col passare del tempo, il quale può solo andare avanti e non indietro. Eppure, per alcuni elementi, con grande sorpresa, sembra non essere proprio così. Il team di scienziati coordinato da Till Böhmer all’Istituto di fisica della materia condensata ha scoperto che lo scorrere inarrestabile e irreversibile del tempo non è omogeneo e generalizzabile, soprattutto nel caso del vetro e della plastica e i loro movimenti molecolari.
I movimenti molecolari del vetro sono reversibili
Nature Physics
Questi materiali, infatti, sono costituiti da molecole intrecciate che si muovono continuamente, spostandosi in posizioni sempre diverse per individuare uno stato energetico più idoneo. Questa attività è quella che porta gli elementi a mutare nel tempo, inducendo il concetto dell'invecchiamento. Sebbene, però, il vetro frantumato non possa essere ripristinato e riportato alle sue origini, i ricercatori hanno capito che, invece, i movimenti molecolari di questo materiale sono reversibili. Böhmer ha annunciato che "è stata un'enorme sfida sperimentale", resa possibile grazie al tempo materiale, una sorta di orologio situato all'interno del materiale stesso, che ha un ritmo e una cadenza diversi rispetto al tempo che tutti conosciamo e che scorre in base alla rapidità con cui le molecole si spostano cambiando posizione.
Per decenni gli scienziati hanno provato a calcolare questo tempo materiale, ma senza riuscirci: ora, il team tedesco ha vinto questa sfida con l'uso di videocamere ultrasensibili, in grado di cogliere e registrare le impercettibili oscillazioni delle molecole. Thomas Blochowicz, professore presso l'Università tecnica di Darmstadt e tra gli autori della ricerca, ha affermato che "non si possono semplicemente osservare le molecole oscillare." I fisici hanno puntato un laser su un campione di vetro, creando una luce multidirezionale proveniente dalle molecole, che ha colpito il sensore della fotocamera con puntini chiari e scuri. A questo punto, il team ha calcolato il cambiamento di queste oscillazioni nel tempo, misurando a tutti gli effetti il tempo interno del vetro.
Il tempo del vetro è reversibile, ma anche il suo invecchiamento?
L'analisi statistica delle fluttuazioni è stata coadiuvata dai ricercatori dell'Università di Roskilde, Danimarca. Una collaborazione che ha portato a un risultato incredibile: il tempo materiale del vetro è reversibile e può scorrere all'indietro. Tuttavia, spiega Böhmer, "questo non significa che l’invecchiamento dei materiali possa essere invertito”. Anzi: proprio il tempo materiale si conferma la prova dell'irreversibilità dell'invecchiamento e tutto il resto di ciò che si muove all'interno del materiale riferendosi a questa misurazione temporale non ha alcun impatto sul processo di invecchiamento.
La diffusione dinamica della luce ha permesso di monitorare le oscillazioni nel processo di invecchiamento estetico del vetro, che sono risultate stazionarie e reversibili.
La scoperta inedita può essere applicata ai materiali cosiddetti disordinati, sebbene siano necessari ulteriori approfondimenti, tra cui la comprensione di come questa reversibilità sia collegata alle leggi fondamentali della fisica e in che modo il tempo interno cambia in base al tipo di materiale. Non resta che attendere le prossime risposte alle molte domande che questa scoperta ha portato con sé.