Scienza e Fisica Quantistica

Oltre la velocità della luce

È stato grazie alle scoperte di N. Bohr, condividendo le idee di Planck ed Einstein,  che si è potuto verificare come l’energia si propaghi grazie a pacchetti ben definiti, dipendenti dalla frequenza v di oscillazione e da una costante h (la costante di Planck) secondo la formula: E=hv; questa teoria si ricollega a quella dello studio dell'atomo costituito da due parti principali: una centrale elettrica-mente positiva, il protone, ed una periferica elettricamente negativa, l’elettrone. Le due parti, che sono normalmente in equilibrio, costituiscono l’atomo; quest’ultimo a sua volta può sussistere in due stati: o di quiete, dove l'elettrone ruota stabilmente su un'orbita determinata dai parametri fisici del sistema oppure eccitato quando l'elettrone, acquisendo energia sotto forma di radiazione, si spo-sta su un'orbita più esterna per mantenere l'equilibrio del sistema. Questa energia, secondo la teoria quantistica, non è un flusso continuo, ma un pacchetto detto “quanto”. A questo fondamentale comportamento si è aggiunta la nuova scoperta che l’elettrone era sia un’onda che una particella. Continuando nelle ricerche si posero le basi della nuova teoria e si definì il “numero quantico” che identificava l'orbita dell'elettrone come energia, forma, orientamento dell'orbita e spin.
La teoria della trasmissione dell’informazione, si basa sostanzialmente sugli stessi principi. Per trasmettere un’informazione dobbiamo ricorrere al meccanismo della campionatura; in altre parole si deve “quantizzare” il segnale secondo una frequenza, chiamata frequenza di campionamento che permetterà di ottenere uno spettro continuo ossia una forma d’onda. Definito il periodo di campio-namento come inverso della sua frequenza saremo in grado di trasmettere e replicare l’informazione senza problemi. Nel 1938 C. Shannon dimostrò che il fluire di un segnale elettrico attraverso una rete di interruttori, che possono essere "accesi/spenti", segue le regole dell'algebra di Boole. Fino a quel periodo il sistema binario di Boole, fondato sulla manipolazione dei numeri “1” e “0” era poco noto, ma il lavoro di Shannon contribuì notevolmente alla sua diffusione.
Egli pensava, infatti, che questo tipo di logica avrebbe potuto permettere a molte macchine di compiere una grande quantità di operazioni. A  Shannon si deve la moderna teoria dell'informazione che fu elaborata mentre si occupava di crittografia. La sua opera “Teoria matematica della comunica-zione”, pubblicata nel 1948 sul Bell System Technical Journal, pose le basi del moderno sapere informatico, introducendo anche una terminologia specifica, il cosiddetto codice binario ed il bit. Inoltre, l’ingegnere americano provò che l’informazione fluisce attraverso “canali” tra loro diversi ma tutti caratterizzati da una sola grandezza essenziale: la capacità, cioè il numero di bit che si possono trasmettere nell’unità di tempo. L’informazione può essere inviata fedelmente soltanto se la quantità di informazione prodotta alla sorgente non eccede la capacità del canale, riducendo il problema delle comunicazioni ad una semplicissima disuguaglianza nota anche come “limite di Shan-non”. A ciò si aggiunga che per avere una buona trasmissione e ricezione della trasmissione si deve essere in possesso di opportuni codificatori e decodificatori che sfruttino appieno la capacità del canale, pena un aumento del rumore di fondo e dunque della impossibilità di effettuare una buona comunicazione.
Quanto detto è il presupposto per trattare la gestione dell’informazione di qualsiasi natura essa sia, come testi, voci, suoni, immagini che si propagano in cavi elettronici, aria, vuoto e via dicendo. Dunque possiamo affermare che per trasmettere e ricevere un’informazione bisogna tenere presente che la sua trasmissione, oltre che ad essere discreta, deve essere codificata e decodificata. Non ha senso parlare di analisi di un segnale se esso non trasporta un’informazione con tutti i limiti che abbiamo visto. Una misura di un evento è collegata necessariamente a queste considerazioni. I fotoni, che sono associati ad un’onda elettromagnetica, trasmettono l’informazione (sono stati messi a punto diodi per i sensori di strumentazioni elettroniche) e non superano la velocità della luce. I neutrini, viceversa, non interagendo se non debolmente con la materia, trasportano sì informazione, ma non sono in grado di trasportarla in modo fruibile.

Oltre la velocità della luce
Recentemente, grazie all’esperimento effettuato dal CERN di Ginevra capitanato dal fisico italiano A. Ereditato, è stata data la notizia del superamento della velocità della luce da parte di un fascio di neutrini. Ma è stata la prima volta che si è verificato il (probabile) superamento della velocità della luce? La risposta è no. La velocità della luce infatti è già stata superata altre volte. Nel 2000 il fisico di origini cinesi Lijun Wang progettò una macchina costituita da un contenitore lungo sei cen-timetri contenente cesio allo stato gassoso. Se una cavità viene configurata adeguatamente questo gas presenta una proprietà molto particolare nota come dispersione anomala (per effetto dispersivo si intende la possibilità di scindere un impulso nelle sue componenti principali); ed è grazie a questo effetto che la cavità si trasforma in un dispositivo superluminale..
Nel caso della luce, per esempio, l’effetto dispersivo produce raggi luminosi con diverse frequenze. L’esperimento di Wang, grazie a questa proprietà fa sì che la luce, grazie ai vapori di cesio, possa venir scissa nelle sue componenti blu e rosse evidenziando che le frequenze vicine al rosso rallentano la luce rossa maggiormente rispetto a quelle blu. L’impulso si muove di fatto ad una velocità maggiore di quella della luce: sperimentalmente esso emerge infatti, uscendo dai vapori di cesio, ben 62 nanosecondi prima dell’esserci entrato. Questo esperimento è stato più volte riprodotto dan-do gli stessi risultati. Non solo. D. Gauthier, fisico della Duke University, ha ripetuto l’esperimento cambiando i vapori di cesio in quelli di potassio ed osservando che l’impulso luminoso esce dalla cavità 27 nanosecondi prima di quando sarebbe dovuto uscire se si fosse propagato alla velocità della luce.
Sempre nel 2000 il fisico italiano A. Ranfagni prese un fascio di microonde e dopo averlo inviato attraverso un anello lo fece riflettere su uno specchio curvo, creando un “fascio di Bessel” di radia-zione a microonde. In altre parole un fascio di onde piane che si intersecano formando una X. Eb-bene lo scienziato osservò e provò che l’intersezione del fascio si muoveva ad una velocità del 7 per cento superiore a quella della luce. Sembrava che la teoria della relatività ristretta sarebbe stata da riscrivere, proprio come la scoperta del CERN di Ginevra sta cercando di fare. Ma è proprio così? La risposta è no. Le cose cambiano infatti se gli impulsi ottenuti grazie alla “manipolazione” nei vapori dei diversi gas, così come il fascio di Bessel, devono trasportare informazione. Per mandare un’informazione, come già accennato, bisogna mandare un bit. Nell’esperimento condotto da Gauthier si cercò allora di configurare il raggio luminoso in modo da renderlo più brillante dopo un breve intervallo di tempo, codificando così un 1, oppure meno brillante dopo lo stesso intervallo, codificando così uno 0. All’altra estremità della cavità un rilevatore registrava l’istante in cui riusciva a distinguere un impulso 1 da un impulso 0 con un notevole livello di precisione.
Se la cavità fosse riuscita davvero a far viaggiare l’informazione ad una velocità maggiore di quella della luce, il rilevatore avrebbe registrato un impulso 1 o uno 0 più rapidamente di quanto avrebbe fatto nel caso di un impulso propagatosi alla velocità della luce. In altre parole l’informazione sarebbe dovuta viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce. Ma si scoprì esattamente il contrario. In conclusione, la parte dell’impulso in cui si trova l’informazione, il punto in cui è “seduto” il bit, ha sempre una velocità inferiore a quella della luce, anche quando l’impulso stesso vìola quel limite.
Stessa cosa posso affermare nel caso in cui voglia trasmettere informazione con un’ulteriore tecnica superluminale, basata su una proprietà singolare del mondo subatomico nota come effetto tunnel quantistico. È noto che se lancio un oggetto massivo contro un altro oggetto solido quest’ultimo fa rimbalzare l’oggetto incidente; non è possibile che l’oggetto passi indisturbato dall’altra parte della barriera. Nel mondo quantistico questo non è più vero. Un fotone, per esempio può oltrepassare la parete di un contenitore ermetico provocando una ricezione del segnale in un rivelatore di radiazioni. Presso l’università della California alcuni scienziati sono riusciti a far oltrepassare alcuni fotoni scagliati contro una barriera di silicio ottenendo effetti superluminali. I ricercatori immediatamente supposero che questa proprietà potesse essere sfruttata anche per trasmettere segnali con velocità superiori a quelle della luce. Ma così non accadde. Era successo infatti che il fronte del pacchetto d’onda era stato alterato a tal punto da non poter trasportare nessuna informazione utile. In altre parole anche se i fotoni possono viaggiare più veloci della luce l’informazione non può farlo.

EPR
Albert Einstein non ha mai voluto rassegnarsi alle stranezze del mondo quantistico. In altre parole non ha mai creduto che fosse possibile la violazione del principio di località. Infatti se questo principio potesse essere vero la velocità della luce sarebbe infranta poiché l’informazione tra particelle avverrebbe istantaneamente. Einstein ha preso in considerazione il problema nel 1935, insieme ai suoi colleghi Podolsky e Rosen, da cui le iniziali EPR. Si tratta di un esperimento ideale che avrebbe dovuto mettere in luce l’assurdità della meccanica quantistica ma che in realtà aprì le porte a conside-razione profonde ed attualmente ancora oscure e non spiegate dalla scienza.
Nell’esperimento veniva sfruttata una proprietà quantistica, nota oggi come entanglement (aggrovi-gliamento). Se due particelle sono in entanglement una sola misura di una delle due particelle fa in modo che si conosca anche lo stato dell’altra. Da un punto di vista dell’informazione i due oggetti si comportano, in un certo senso, come se fossero una particella sola. Misurandone una è come se si misurassero entrambe. Vediamo rapidamente una possibile applicazione. Supponiamo di usare la proprietà rotazionale di particelle subatomiche in stato entangled; supponiamo che una particella sia nello stato 0 ed un’altra nello stato 1. In linea teorica la meccanica quantistica afferma che i due stati possono essere tra loro sovrapposti finché non si effettua una misurazione. Supponiamo di proiettare su fronti opposti le due particelle per distanze enormi e di farle arrivare, per assurdo, in due galassie opposte. Ebbene nel momento in cui effettuo una misura su una di esse la funzione d’onda caratteristica della particella collassa e rivela il suo stato, supponiamo 1; automaticamente l’altra par-ticella assumerà lo stato 0. Quello che poteva essere un’ipotesi fantascientifica è stata provata spe-rimentalmente nel 1982 dal fisico A. Aspect osservando l’azione a distanza di particelle tra loro interlacciate. Attualmente diverse altre prove sono state fatte presso l’Università di Ginevra ad opera del fisico N. Gisin che ha usato fotoni entangled per verificare la loro possibile variazione di stato a seguito della misurazione di uno di essi. La prova è consistita nell’introdurre nella rete di fibre ottiche di due paesi tra loro distanti 10 chilometri circa, fotoni entangled. Ebbene all’uscita di uno di essi in un paese, l’altro, nel paese distante, ha registrato una variazione di stato opposta. Con un orologio molto preciso si è verificato che la velocità dell’entanglement quantistico sarebbe stata di almeno milioni di volte quella della luce.
Dunque, se le particelle teoricamente comunicano davvero a velocità superluminali, potremmo usarle per trasmettere messaggi? Pur rimanendo il fenomeno dell’entaglement un autentico mistero ancora irrisolto, la domanda ha risposta negativa. Come l’era della fisica classica terminò con la nascita della relatività e della meccanica quantistica così l’era dell’informazione classica ha ceduto il passo ad una teoria più profonda, nota come teoria dell’informazione quantistica ancora agli stati iniziali di studio. I teorici dell’informazione non parlano ormai più di bit bensì di qubit. Abbiamo detto che nella teoria dell’informazione classica la risposta ad una domanda deve essere solo o sì o no, ossia 0 o 1; tuttavia gli oggetti quantistici ammettono anche un’altra risposta, molto più ambigua e contraddittoria: sì e no, 0 e 1 contemporaneamente. Tuttavia l’informazione per essere gestibile e riprodurre la realtà deve obbligatoriamente fare una scelta tra 0 ed 1, limitando così il trasferimento dell’informazione alla velocità della luce. Se così non fosse sarebbe oltretutto violato il principio di indeterminazione di Heisemberg, caposaldo della meccanica quantistica.
La teoria dell’informazione quantistica, lo studio dei qubit, costituisce il tema più scottante della fisica contemporanea. In pratica i qubit possono fare cose che i bit classici non possono fare. Se po-tessi progettate un calcolatore che prevedesse la gestione anche dei qubit sarei di fronte al computer più potente mai costruito; renderebbe inutile qualsiasi protezione crittografata di dati sensibili: potrebbero essere svelati in un batter d’occhio. Attualmente il dipartimento della difesa americano sta investendo grosse cifre su progetti di ricerca nell’ambito dell’informazione quantistica, tuttavia sembra che allo stato attuale il computer più evoluto possa gestire al massimo 7 qubit, pari alla capacità di calcolo di un bambino di 10 anni: davvero pochi. L’opinione generale è che la tecnica non permetterà di andare molto più in là.

Conclusioni
Al termine di queste considerazioni possiamo affermare che, a meno di scoperte clamorose future, il principio di non località non può permettere la trasmissione di un’informazione utile alla descrizione della realtà a noi conosciuta e percepita, risultando pertanto inutilizzabile. Un’informazione per essere descrittiva della realtà a noi visibile deve necessariamente viaggiare a velocità non superiori a quelle della luce. Tuttavia questa affermazione ha un risvolto tutt’altro che secondario; abbandonando il principio di località e oltrepassando dunque il principio di Cophenagen, ci si inoltra in un mondo unitario: un sistema fisico, qualunque esso sia, deve essere considerato come un tutto indivi-sibile. Riassumendo rozzamente il teorema di Bell potremmo affermare che la  meccanica quantistica da una parte e teorie realistiche locali dall’altra, sono in contrasto tra loro. Se l’esame dei risultati sperimentali permette di concludere che la meccanica quantistica descrive, anche se statisticamente, la realtà, le teorie locali forniscono per questi risultati evidenze smentite sperimentalmente. Inoltre dato che tutto quello che noi chiamiamo approssimativamente realtà è necessariamente interconnesso in una concezione unitaria, per ora ci sfugge la trama nascosta che fa sì che questo avvenga senza contraddizioni o senza rinunciare alle tre peculiarità che il paradosso EPR ha evidenziato: realtà, località, completezza.

Scritto da Ludovico Polastri
È laureato in Ingegneria Meccanica all'Università di Brescia, ha conseguito la specializzazione post lauream presso il Politecnico di Milano ed effettuato corsi di specializzazione in ambito:Produttivo, Certificazione dei Sistemi di Qualità e Ambientali Aziendali, Organizzazione e Gestione Ambientale. Ricopre da molti anni ruoli di responsabilità in ambito tecnico, produttivo e  impiantistico per conto di importanti realtà aziendali. Si occupa inoltre di aspetti normativi e legali inerenti la sicurezza e la prevenzione sui luoghi di lavoro. Ricercatore indipendente e giornalista free lance collabora con diverse testate giornalistiche. 

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