:=:== Sottotitoli di SRT project ==:=:
Dietro le complessita' della vita di tutti i giorni,
le leggi del nostro universo
sembrano di una rassicurante semplicita'.
Questo solido ponte
sostiene il mio peso.
L'acqua che scorre qui sotto
scende sempre a valle.
Se lancio questo sasso,
volera' nell'aria seguendo una traiettoria prevedibile.
Ma quando gli scienziati hanno esaminano a fondo
i costituenti fondamentali della materia,
tutte queste certezze sono svanite.
Hanno scoperto lo strano mondo
della meccanica quantistica.
Nel profondo di tutto cio' che ci circonda,
c'e' un universo completamente diverso dal nostro.
Parafrasando uno dei pionieri della meccanica quantistica:
'Tutto cio' che chiamiamo 'reale'
'e' fatto di cose che non possono essere considerate reali'.
(NdT: Niels Bohr)
Circa 100 anni fa,
alcuni dei piu' grandi scienziati mondiali
iniziarono un viaggio, calandosi nella tana del Bianconiglio
per entrare in un mondo strano e bizzarro.
Scoprirono che nel reame del molto piccolo,
le cose possono trovarsi in due posti contemporaneamente,
che il loro destino e' dettato dalla probabilita',
e che la stessa realta'
sfugge al senso comune.
C'era il rischio che tutto cio' che pensavamo di sapere sul mondo
potesse rivelarsi completamente sbagliato.
SRT project e' lieta di presentare:
I segreti della meccanica quantistica: l'incubo di Einstein
La storia della nostra discesa nella follia scientifica
inizia con l'oggetto piu' improbabile.
Berlino,
1890.
La Germania e' un nuovo paese,
recentemente unificato
e assetato di industrializzazione.
In questa nuova Germania unificata,
vennero fondate molte compagnie ingegneristiche.
Furono spesi milioni
per comprare il brevetto europeo della nuova invenzione di Edison:
la lampadina.
La lampadina era l'epitome della tecnologia moderna,
un meraviglioso simbolo ottimista del progresso.
Le compagnie ingegneristiche realizzarono subito che
la costruzione di un sistema di luci per le strade tedesche
avrebbe portato una fortuna.
Cio' che non sapevano fu che avrebbero anche dato il via
a una rivoluzione scientifica.
E' strano, ma questo semplice oggetto
e' responsabile della nascita
della teoria piu' importante di tutto il mondo scientifico:
la meccanica quantistica.
Una teoria che studio da tutta la mia vita.
Questo perche', nel 1900,
la lampadina presentava un problema piuttosto bizzarro.
Gli ingegneri sapevano che scaldando elettricamente il filamento,
questo emetteva luce.
La fisica alla base di questo fenomeno, pero',
era completamente sconosciuta.
La semplice relazione
tra la temperatura del filamento
e il colore della luce prodotta
era ancora un mistero.
Un mistero che volevano assolutamente risolvere.
Con l'aiuto del nuovo stato tedesco
videro la possibilita' di superare la concorrenza.
Nel 1887,
il governo tedesco investi' milioni
in un nuovo istituto di ricerca,
qui a Berlino.
Il Physikalisch-Technische Reichsanstalt
o PTR.
Successivamente, nel 1900, assunsero come coadiutore
uno scienziato brillante sebbene un po' conservatore.
Il suo nome era Max Planck.
'I quanti erano un'assunzione formale a cui non pensavo molto'.
Planck si concentro' su un problema apparentemente semplice:
perche' il colore della luce cambia
quando il filamento diventa piu' caldo.
Per avere un'idea dell'enigma che stava affrontando Planck,
pedalero' su questa bicicletta
con una vecchia lampadina
alimentata da una vecchia dinamo.
Ovviamente piu' pedalo veloce, piu' luminosa e' la lampadina.
Piu' pedalo, piu' la dinamo produce elettricita',
il filamento nella lampadina si scalda di piu' e la luce e' piu' intensa.
Ma la luce della lampadina non e' solo piu' intensa,
cambia anche colore.
Se vado piu' veloce, il colore cambia
da rosso a arancione a giallo.
Va bene, ora andro' davvero veloce.
Ora il filamento si sta scaldando ancora di piu',
ma, sebbene diventa chiaramente piu' luminoso,
il colore sembra rimanere lo stesso:
giallo-bianco.
Perche' la luce non diventa blu?
Per studiarlo, Planck e colleghi costruirono questo:
un emettitore di radiazione di corpo nero.
E' un tubo speciale che potevano riscaldare a una precisa temperatura.
Rappresentava uno strumento per misurare il colore o la frequenza
della luce prodotta.
Oggi, piu' di 100 anni dopo,
il PTR esegue ancora le stesse identiche misure,
ma in maniera molto piu' accurata.
La temperatura qui dentro e' di 841°C.
Riesco a sentire il calore emesso
e irradia una luce di un bel colore rosso-arancio.
E' simile al colore della mia lampadina
quando pedalo lentamente.
Ma voglio vedere qualcosa di ancora piu' caldo.
La temperatura interna e' di 2000°C.
Emette una luce molto piu' intensa di colore bianco.
Per produrre una luce di questa intensita' e colore
e' richiesta una potenza di 40 kilowatt.
Il che equivale ad avere circa 400 me
che pedalano molto velocemente
o alla potenza totale dell'intero Tour de France.
Sebbene la luce e' piu' bianca,
e' bianco-rossa,
c'e' pochissimo blu.
Perche' il blu e' tanto piu' difficile da produrre del rosso?
La parte successiva dello spettro dopo il blu,
il cosiddetto ultravioletto,
e' estremamente difficile da produrre,
anche se consideriamo oggetti molto caldi come il sole.
Anche il sole, con la sua temperatura di 5500°C,
produce per lo piu' luce bianca visibile
e pochissima luce ultravioletta
per la sua temperatura.
Perche'? Perche' la luce ultravioletta
e' cosi' difficile da produrre?
Questa notevole mancanza di logica
sconcertava cosi tanto gli scienziati del tardo 19esimo secolo,
che diedero al fenomeno un nome molto drammatico.
Lo chiamarono: 'la catastrofe ultravioletta'.
Planck compi' il primo passo cruciale nella risoluzione del problema.
Trovo' la precisa relazione matematica
tra il colore della luce, la sua frequenza
e la sua energia.
Ma non capiva il legame.
Fu un'altra curiosa anomalia
che lancio' un sasso molto grande nello stagno.
Nel tardo 19esimo secolo, gli scienziati studiavano
le radio onde recentemente scoperte e il modo in cui si trasmettevano.
Per farlo, costruirono apparati sperimentali
molto simili a questo.
Praticamente, facendo ruotare questo disco,
si possono generare altissime tensioni
che fanno si' che le scintille saltino nello spazio
tra le due sfere di metallo.
In questo modo
scoprirono qualcosa di davvero inaspettato
riguardo la luce.
Scoprirono che irradiando le sfere con una sorgente di luce potente
le scintille saltavano piu' facilmente.
Cio' suggeri' la presenza di un misterioso
e sconosciuto legame tra luce
ed elettricita'.
Per capire cosa stava succedendo, gli scienziati usarono questo.
E' chiamato 'elettroscopio a foglie d'oro'.
E' una versione piu' sensibile
dell'apparato con le scintille.
Innanzitutto, devo caricarlo.
Quello che faccio e' creare un eccesso di elettroni
che fanno separare le due foglie in oro.
Ora, prima, prendo una luce rossa,
illumino la superficie metallica
e non succede niente. Anche se aumento l'intensita' della luce,
alle foglie d'oro non succede nulla.
Ora provo con questa luce blu speciale,
ricca di ultravioletti.
Le foglie collassano immediatamente.
La luce puo' dunque rimuovere carica elettrostatica dalle foglie.
In qualche modo riesce a eliminare gli elettroni che ho aggiunto.
Ma perche' la luce ultravioletta e' migliore di quella rossa,
in questo caso?
Questo nuovo puzzle
divenne noto come 'effetto fotoelettrico'.
La catastrofe ultravioletta
e l'effetto fotoelettrico
erano dei grossi problemi per i fisici,
poiche' non potevano essere compresi
con la scienza conosciuta a quel tempo.
Quella scienza che affermava inequivocabilmente
che la luce era un'onda.
Se ci guardiamo intorno, vediamo la luce comportarsi
intuitivamente come un'onda.
Guardate l'ombra della mia mano. E' sfocata ai bordi.
La spiegazione e' che la luce che colpisce i bordi della mia mano
viene deviata e si diffonde leggermente,
come fanno le onde d'acqua attorno a un ostacolo.
Un comportamento ondulatorio, che segue perfettamente la logica.
E c'e' dell'altro,
qualcosa di magnifico.
Guardate queste bolle di sapone.
Quando la luce le illumina
uno splendido pattern colorato viene fuori dal nulla.
Questo si puo' spiegare facilmente
se si considera la luce un'onda.
L'onda viene riflessa dalle superfici interne ed esterne
del sottile strato di sapone,
e si scompone nei colori dell'arcobaleno.
Come le increspature sulla superficie dell'acqua,
la luce era vista come un'onda d'energia che si diffonde nello spazio.
Era accettato come un dato di fatto, come che la Terra fosse tonda.
Sebbene questa teoria ondulatoria funzionasse perfettamente
con ombre e bolle,
con la catastrofe ultravioletta e l'effetto fotoelettrico
iniziava a fallire.
Il problema era il seguente: come puo' la luce comportarsi cosi'?
Per afferrare fino in fondo l'assurdita' di questo fenomeno,
e' utile considerare
il comportamento delle onde in acqua.
Ehi!
Questa e' la vasca del quartier generale
dell'istituzione nazionale di salvataggio a Dorset.
Viene usata per addestrare le squadre di salvataggio
con diversi livelli di onde d'acqua.
Si inizia con onde basse, alte solo 30 centimetri.
Queste onde non hanno molta energia.
Non riescono nemmeno a tirare giu' questo barattolo dall'altro.
Ma quando le onde crescono oltre il metro e mezzo,
e' tutta un'altra storia.
Mi stanno sballottolando.
Non mi e' possibile tenere queste lattine in equilibrio una sull'altra.
E' chiaro cosa ci stanno dicendo le onde:
onde piu' grandi e intense
hanno maggiore potenza.
Trascinano facilmente su e giu' me e le lattine.
Quindi, se la luce fosse un'onda,
una maggiore intensita' dovrebbe portare via piu' elettroni.
Ma non e' quello che succede.
Ricordate? Anche se la luce rossa era molto intensa,
non rimuoveva gli elettroni dal metallo.
Ma, stranamente,
ultravioletti molto deboli agivano nell'arco di pochi secondi.
Percio' pensare alla luce come un'onda
non faceva tornare i conti.
Per trovare una soluzione, bisognava pensare l'impossibile,
e nel 1905 qualcuno lo fece.
Ne avrete sicuramente sentito parlare. Il suo nome era
Albert Einstein.
'Nessuna definizione ragionevole della realta'
'consentirebbe la meccanica quantistica'.
Questo e' l'osservatorio Archenhold-Sternwarte a Berlino.
Sulla sommita'
e' situata un'enorme costruzione in ferro e acciaio,
ma non e' un cannone,
bensi' un telescopio.
Costruito nel 1896,
il telescopio era uno dei piu' grandi al mondo,
e fece dell'osservatorio una meta molto popolare
per coinvolgere e stupire il pubblico con la nuova scienza.
Albert Einstein tenne qui una lezione molto famosa
sulla sua teoria della relativita',
il lavoro per cui e' piu' famoso,
ma non per il quale riceve' il premio Nobel.
Nel 1905
presento' anche una nuova teoria
per spiegare l'effetto fotoelettrico.
Cio' che propose
fu rivoluzionario
e persino eretico.
Sosteneva che bisognava abbandonare
l'idea che la luce fosse un'onda
e immaginarla, invece,
come un flusso di particelle minuscole, simili a proiettili.
Il termine che uso' per descrivere una particella di luce
fu 'quanto'.
Per Einstein, un quanto era un piccolo pacchetto di energia.
Sebbene nel 1905 il mondo non era nuovo,
l'idea che la luce potesse essere quantizzata
sembrava una follia.
Ma seguendo il pensiero eretico di Einstein
fino alle sue conclusioni logiche,
tutti i problemi legati alla luce potevano essere risolti
in un colpo solo.
Cerchero' di spiegarvi come cio' aiuta usando un'analogia semplice.
Ovviamente, come tutte le analogie, non e' perfetta,
ma spero che possa darvi una visione della fisica,
che possa aiutarvi a capire perche'
la rappresentazione della luce come un flusso di particelle
risolve i misteri dell'effetto fotoelettrico.
In questa analogia,
queste palline rosse
rappresentano i quanti di luce di Einstein.
E quelle lattine laggiu'
rappresentano l'elettricita' contenuta nel metallo.
Nell'esperimento originale,
facevano scorrere l'elettricita' dalla superficie del metallo
illuminandola con della luce.
Nel mio caso, provero' a buttare giu' quelle lattine
usando queste palline rosse.
Nessun minimo effetto.
Questo e' cio' che succede con la luce rossa.
Secondo Einstein,
ogni particella di luce rossa
trasporta pochissima energia,
perche' la luce rossa ha una bassa frequenza.
Per questo, anche una luce rossa molto intensa,
con tante 'particelle rosse'
non riesce a rimuovere elettroni dalle foglie di metallo.
Proprio come le palline rosse.
Ora usero' palline piu' pensanti,
come queste palline da golf blu,
e cerchero' di buttare giu' le lattine.
Sono equivalenti alla luce ultravioletta dell'esperimento.
Ora, ogni singola particella di luce
trasporta piu' energia,
perche' la luce ultravioletta ha una frequenza maggiore.
Solo poche particelle, come in una fioca luce ultravioletta,
sono necessarie per portare via gli elettroni dal metallo,
facendo collassare le foglie d'oro.
L'idea di Einstein,
per cui la luce e' composta di minuscole particelle, o quanti,
e' una spiegazione meravigliosa dell'effetto fotoelettrico.
Ricordo la prima volta che l'ho studiato.
Fui impressionato dalla sua assoluta eleganza e semplicita'.
Inoltre,
l'idea ingegnosa di Einstein
fu di aiuto a risolvere anche il mistero della lampadina di Planck.
C'e piu' rosso che ultravioletto,
perche' quanti di ultravioletto
richiedono piu' energia per essere prodotti,
un'energia circa 100 volte superiore.
E' normale che ce ne siano cosi' pochi.
Quel momento, all'inizio del 20esimo secolo,
segno' il principio di un'autentica rivoluzione,
perche' dimostro'
che il tipo di fisica
Storico scientifico
che la gente stava facendo risaliva a Newton, Laplace e altri.
Dimostro' che c'era bisogno di un approccio completamente nuovo.
La fisica non si e' mai ripresa da quel momento,
nel senso che e' fondata su quel momento.
E' li' che e' davvero iniziata la fisica.
La teoria di Einstein
lascio' gli scienziati con un paradosso frastornante,
che andava contro qualsiasi logica.
La luce era definitivamente un'onda,
che spiega le bolle e le ombre.
E ora era anche definitivamente una particella.
I quanti di Einstein
spiegavano l'effetto fotoelettrico e la catastrofe ultravioletta.
Dopo solo pochi anni
dall'idea bizzarra e folle di Einstein,
il paradosso divenne piu' profondo
e molto piu' strano.
Quello che sembrava essere un curioso mistero della luce
stava per diventare un campo di battaglia
sulla natura della realta' stessa.
1922.
Il mondo occidentale affronta una rivoluzione,
una rivoluzione culturale.
James Joyce pubblica il suo 'Ulisse',
Stravinsky e' al massimo del suo talento
e Chaplin rilascia il suo primo film importante.
L'Impero ottomano collassa.
L'Europa si sta ancora riprendendo
dalla 'guerra per terminare tutte le guerre'
in cui milioni di uomini persero la vita.
La Russia e' appena diventata comunista.
Nel frattempo, l'America esporta il jazz nel mondo.
Grazie.
Nell'arte, nella politica, nella letteratura, nell'economia,
c'era un insaziabile appetito di cambiamento.
Fu la nascita del modernismo.
Ma, e potrei cacciarmi nei guai dicendolo,
sostengo che lo sconvolgimento che avvenne nella fisica
a quel tempo, eclisso' tutti gli altri campi
ed ebbe conseguenze piu' a lungo termine.
Inizio' con la scoperta
della bizzarra e contraddittoria
natura onda/particella della luce.
Fini' con una battaglia epica
tra le piu' grandi menti scientifiche.
La posta in gioco era altissima:
la natura della realta' stessa.
Da una parte,
un'onda di scienziati modernisti rivoluzionari
e il loro leader, il brillante fisico danese Niels Bohr.
'Cio' che chiamiamo reale e' fatto di cose che non possiamo considerare reali'.
Dall'altra parte, la voce della ragione:
Albert Einstein,
al massimo del suo talento e famoso in tutto il mondo.
Un formidabile avversario.
La battaglia continuo' per decenni.
Per certi versi, va ancora avanti.
E' stata combattuta in tutto il mondo, nelle universita', alle conferenze,
nei bar e nelle caffetterie,
ha portato uomini adulti alle lacrime,
e inizio' con un esperimento apparentemente semplice.
Stranamente, fu un esperimento
che non aveva nemmeno niente a che fare con la luce.
Riguardava le particelle che creano l'elettricita'.
Nella meta' degli anni '20,
fu condotto un esperimento nei Laboratori Bell,
in New Jersey, America,
che rivelo' qualcosa di totalmente inaspettato sugli elettroni.
A quel tempo, era accettato con assoluta certezza
che gli elettroni fossero minuscole quantita' di materia.
Particelle piccole ma solide,
come palle da biliardo in miniatura.
Nell'esperimento, sparavano un fascio di elettroni contro un cristallo
e osservavano come venivano diffusi.
Questo e' del tutto equivalente
a prendere un fascio di elettroni, diciamo da un cannoncino di elettroni,
e a spararli contro uno schermo
con due fenditure.
Gli elettroni attraversano le fenditure
e colpiscono un altro schermo posto dietro.
Le osservazioni degli scienziati di Bell
scossero le fondamenta del mondo della fisica.
Per capirne il motivo,
considerate un esperimento simile con delle onde d'acqua.
Ho messo su un semplice esperimento.
Ho una vasca di acqua,
riposta sopra una lavagna luminosa,
e un generatore che produce onde
che passano attraverso due piccole aperture.
La lavagna luminosa proietta l'immagine delle onde
sul muro posteriore.
Potete vedere come le onde che arrivano da sinistra
si stringono nelle due aperture,
si allargano dall'altra parte
e interferiscono tra loro.
Questo significa che: quando la cresta di un'onda
incontra la cresta di un'altra, queste si sommano
per creare un'onda piu' alta.
Ma quando la cresta di una incontra il ventre di un'altra,
si cancellano.
Tutto cio' da' luogo a queste linee particolari
che formano il caratteristico pattern d'onda.
Fasce luminose e fasce scure.
Ovunque voi vediate queste fasce chiare e scure,
il caratteristico pattern d'onda,
sapete con certezza che avete un comportamento ondulatorio.
Indovinate cosa osservarono in New Jersey.
Apparentemente, lanciando elettroni,
minuscole e solide particelle,
attraverso le due fenditure si produceva lo stesso tipo di pattern:
fasce chiare e fasce scure.
Prima, trovarono che la luce, da molto tempo creduta un'onda,
qualche volta si comportava come fatta da particelle,
e ora che gli elettroni, che da tempo si credevano particelle,
si comportavano come onde.
Ma era ancora piu' strano di cosi'.
Il pattern d'onda non era semplicemente il risultato
di un fascio di elettroni.
Recentemente questo esperimento e' stato ripetuto
nel laboratori di tutto il mondo
sparando un elettrone alla volta
attraverso le fenditure dello schermo.
All'inizio,
ogni elettrone sembra finire sullo schermo in una posizione casuale,
ma lentamente si forma un pattern,
il pattern d'onda.
Fatemi spiegare bene quanto sia bizzarro tutto cio'.
Nell'esperimento delle onde d'acqua,
il pattern d'onda esiste
solo perche' ogni onda, attraversando entrambe le fenditure,
si divide in due parti che interferiscono tra loro.
Ma qui, ogni singolo elettrone,
ogni singola particella,
attraversa solo una fenditura
prima di colpire lo schermo.
Cio' nonostante, ogni elettrone contribuisce
al caratteristico pattern d'onda.
Ogni elettrone deve comportarsi come un'onda.
Per spiegare questo strano risultato,
Niels Bohr e i suoi colleghi crearono la meccanica quantistica,
una folle teoria di luce e materia
che abbracciava la contraddizione,
non curanti che fosse quasi impossibile da capire.
Come diceva lo stesso Niels Bohr,
chiunque non sia scioccato dalla teoria quantistica
non l'ha capita.
Quindi, spettatori, prendero' il nostro minuscolo elettrone
e lo usero' per investigare profondamente la realta'.
Preparatevi allo shock,
perche' questo e' l'unico modo per spiegare cio' che osserviamo
quando un elettrone attraversa delle fenditure
e colpisce uno schermo.
La meccanica quantistica dice
che non possiamo descrivere cio' che viaggia come un oggetto fisico.
Possiamo solo dire
qual e' la probabilita' che l'elettrone si trovi in un certo punto.
In qualche modo, quest'onda di probabilita'
viaggia attraverso entrambe le fenditure
producendo interferenza,
proprio come un'onda d'acqua.
Poi, quando colpisce lo schermo,
cio' che era solo l'eterea possibilita' di un elettrone,
diventa misteriosamente reale.
Permettetemi di mostrarvi l'assurdita' di tutto cio'
con un'analogia.
Se faccio ruotare questa moneta,
durante il tempo di rotazione, e' tutto sfocato.
Non posso dire se sia testa o croce.
Ma se la fermo,
la obbligo a decidersi
e vedo testa.
E' come se prima non era ne' testa ne' croce,
ma un mix delle due,
e quando l'ho fermata,
l'ho obbligata a prendere una decisione.
Questo era quello che succedeva con l'elettrone,
secondo Bohr e i suoi sostenitori.
In un certo senso, quando ruota,
la moneta e' sia testa che croce.
In maniera simile, l'onda di probabilita' dell'elettrone
attraversa entrambe le fenditure,
percorre due percorsi contemporaneamente.
Poi la nostra moneta si ferma su testa.
L'eterea onda di probabilita'
colpisce lo schermo
e solo allora diventa una particella.
Il mondo quantistico
era qualcosa di completamente nuovo.
Non si enfatizza mai troppo quando si descrive l'assurdita' di tutto cio'.
Bohr stava di fatto affermando
che non si puo' conoscere la posizione dell'elettrone
finche' non si misura.
E non e' solo che non sappiamo dov'e' l'elettrone,
ma, follemente, l'elettrone si trova ovunque nello stesso tempo.
Tenete a mente che gli elettroni
sono tra i piu' comuni e piu' semplici componenti fondamentali della materia,
e Bohr dice che solo osservandoli
rendiamo reale la loro posizione.
E' come se ci fosse una tenda tra noi e il mondo quantistico,
e dietro di essa...
...non ci fosse una solida realta',
ma solo una realta' potenziale.
Le cose diventano reali
solo quando tiriamo la tenda e guardiamo.
Questa visione, signore e signori,
divenne nota come 'l'interpretazione di Copenhagen'.
Per quanto potessero essere persuasive,
molte persone non vedevano di buon occhio
le idee eccentriche di Niels Bohr.
Queste trovarono un leader naturale
nella piu' potente personalita' scientifica.
Albert Einstein odiava questa interpretazione
con ogni fibra del suo corpo.
Disse:
'La luna cessa di esistere quando non la guardo?'
Era molto insoddisfatto perche'...
poneva limiti alla conoscenza,
che secondo lui non poteva essere finita.
Pensava ci dovesse essere
una teoria migliore, dietro tutto cio'.
Nei 10 anni a seguire,
Einstein e Bohr discussero animatamente
se la meccanica quantistica abbandonasse o no la realta'.
Poi, insieme ad altri due scienziati,
Nathan Rosen e Boris Podolsky,
Einstein penso' di aver trovato un modo per vincere il dibattito.
Era convinto di aver trovato una grossa falla
nell'interpretazione di Copenhagen,
secondo cui la realta'
veniva creata semplicemente osservandola.
Il cuore del ragionamento di Einstein
era un aspetto della meccanica quantistica chiamato 'entanglement'.
L'entanglement e' questa relazione speciale e incredibilmente stretta
tra una coppia di particelle quantistiche
i cui destini sono intrecciati.
Per esempio, se vengono create nello stesso evento.
Permettetemi di spiegarvelo immaginando che le particelle
siano due monete rotanti.
Immaginate che queste monete siano due elettroni
createsi nello stesso evento e poi separatesi.
La meccanica quantistica dice che siccome sono stati creati insieme,
sono correlati.
Molte delle loro proprieta' sono legate per sempre,
ovunque essi si trovino.
L'interpretazione di Copenhagen dice che
finche' non misuriamo una delle due monete,
entrambe non sono ne' testa ne' croce.
Testa e croce non esistono nemmeno.
Ed e' qui che l'entanglement rende questa strana situazione
ancora piu' bizzarra.
Quando fermiamo la prima moneta
e questa diventa testa,
poiche' le monete sono collegate tramite l'entanglement,
contemporaneamente la seconda moneta diventera' croce.
Questo e' il punto cruciale.
Non possiamo predire quale sara' il risultato delle mie misure,
possiamo solo dire che saranno sempre opposte.
Einstein colse l'occasione.
Perche' cio' significava che c'era qualcosa in atto tra le due monete,
qualcosa troppe folle da immaginare.
E' come se le due monete comunicassero segretamente.
Una comunicazione istantanea nello spazio e nel tempo.
Anche se la prima moneta si trova sulla Terra
e la seconda su Plutone.
Einstein si rifiutava di credere a questa comunicazione istantanea
e piu' veloce della luce.
La sua teoria della relativita'
diceva che niente poteva viaggiare alla velocita' della luce,
nemmeno le informazioni.
Quindi, come poteva una moneta sapere istantaneamente
cosa era diventata l'altra?
Lo defini' dispregiativamente:
'terrificante azione a distanza',
e affermo' che era un errore fatale nell'interpretazione di Copenhagen.
Inoltre,
lui aveva un'idea migliore.
Einstein credeva che ci fosse un'interpretazione piu' semplice,
che in qualche modo il destino delle due monete,
che fossero testa o croce,
fosse gia' stabilito molto prima delle nostre misure.
Diceva che sebbene la moneta decidesse di diventare, diciamo, testa
al momento della nostra osservazione,
in realta', quella decisione era gia' stata presa tempo prima.
Ci era solo ignoto.
Nella mente di Einstein,
le particelle quantistiche non erano simili a monete rotanti,
bensi' assomigliavano piu' a... a un paio di guanti,
col destro e sinistro posti in due scatole diverse.
Non sappiamo quale scatola contenga quale guanto
finche' non ne apriamo una.
Ma quando l'apriamo e troviamo, diciamo, un guanto destro,
sappiamo immediatamente che nell'altra scatola
c'e' il guanto sinistro.
In questo caso non e' richiesta
nessuna terrificante azione a distanza.
Nessuno dei due guanti e' stato alterato dall'atto di osservazione.
Entrambi i guanti erano destro o sinistro sin dall'inizio,
l'unica cosa che e' cambiata e' la nostra conoscenza.
Dunque, qual e' la vera descrizione della realta'?
Le monete di Bohr,
che diventano reali solo quando le guardiamo
e che comunicano magicamente tra loro,
o i guanti di Einstein, che sono nascosti alla nostra vista,
ma che sono destro o sinistro sin dall'inizio?
In altre parole: c'e' una realta' oggettiva,
come credeva Einstein,
o no, come sosteneva Bohr?
Alla fine degli anni '30, mentre il mondo entrava in guerra,
non c'era modo di rispondere a questa domanda.
La battaglia per comprendere la natura della realta' rimase in stallo.
La guerra si diffondeva in tutta Europa
e molti dei piu' grandi scienziati fuggirono negli Stati Uniti.
Poi, quando la II Guerra Mondiale porto' inevitabilmente
alla Guerra Fredda,
Pericolo Neutroni e Raggi gamma
la scienza americana, sostenuta dal dollaro
e da una nuova visione del futuro, esplose.
Dopo la guerra, i fisici tornarono pieni di voglia di iniziare,
e tentarono di applicare
le idee della teoria quantistica a...
agli atomi, all'interazione tra elettroni e luce e altre cose.
Non c'era bisogno di preoccuparsi del lato filosofico
per fare progressi in quel campo.
Come dici tu, scese in secondo piano.
La meccanica quantistica porto' a una profonda conoscenza dei semiconduttori,
che aiutarono a creare la moderna era elettronica.
Produsse laser, rivoluziono' le comunicazioni,
creo' incredibili strumenti medici
e porto' a una svolta nel campo dell'energia nucleare.
La meccanica quantistica ebbe cosi' tanto successo
che la maggior parte dei fisici
scelsero deliberatamente di ignorare le obiezioni di Einstein.
Semplicemente non gli importava perche' funzionava.
Coniarono anche una frase:
'Stai zitto e calcola'.
Il prezzo per questo successo
fu che il dibattito tra Bohr e Einstein
sulla realta' del mondo quantistico
venne messo sotto il tappeto.
Tra tutto quel successo e quel pragmatismo,
in pochi erano ancora preoccupati dal significato di tutto cio'.
Ma mentre gli anni '50 si tuffavano nei '60,
un dissenziente solitario
trovo' il modo di chiudere il dibattito una volta per tutte.
'Bohr era imprevedibile, incomprensibile, ostinatamente oscuro e corretto.'
E' giusto dire che John Bell
non e' molto conosciuto al vasto pubblico.
Ma per i fisici come me, be'... e' un eroe.
Era un pensatore originale e aveva il coraggio delle idee.
La storia della sua ascesa tra i grandi della fisica
e' ancora piu' straordinaria, se si considera come ha iniziato.
Nacque a Belfast negli anni '20 in una povera famiglia di proletari.
Suo padre era un mercante di cavalli.
Fecero davvero molti sacrifici
perche' studiasse fisica all'universita' di Belfast.
Fu l'unico della sua famiglia a terminare gli studi.
Credo che questo lo abbia reso estremamente curioso,
impetuoso e caparbio.
Ricordo di aver incontrato John Bell nel 1989, l'anno prima della sua morte.
Ci trovavamo entrambi a una conferenza in America
e capitammo nello stesso ascensore
dopo aver seguito un talk sulla meccanica quantistica.
Entusiasta di dire qualcosa al grande John Bell,
dissi che le conclusioni dello speaker
erano completamente folli.
Mi fisso' con i suoi penetranti occhi azzurri,
e per un attimo pensai che la mia nuova carriera in fisica
stava per finire giu' per un tubo di scarico.
Ma quando le porte dell'ascensore si aprirono e stava per uscire, disse:
'Sono completamente d'accordo con te.
'Non hanno mai sentito del problema dell'elio?'
Ancora oggi non sono molto sicuro quale sia questo problema dell'elio,
ma fui cosi' rincuorato che io e John Bell eravamo d'accordo.
Per molti anni lavoro' qui,
al centro inglese di ricerca per l'energia atomica Harwell,
dove fu costruito questo primo reattore nucleare chiamato 'DIDO'.
Fu qui che inizio' a riflettere sulle domande
profonde e preoccupanti suscitate dalla meccanica quantistica.
Il mondo quantistico esisteva solo quando veniva osservato?
O c'era una verita' piu' profonda la' fuori,
che aspettava di essere scoperta?
Era cosi' turbato
che inizio' a chiedersi se ci fosse un problema
nel cuore della meccanica quantistica.
Disse:
'Dubito che possa essere sbagliata,
'ma so che e' marcia'.
Cosi', nei primi anni '60, Bell decise di provare a risolvere
la crisi al cuore della meccanica quantistica.
Fu un'impresa epica.
Dopotutto, come si puo' verificare se qualcosa e' reale,
se qualcosa c'e' o non c'e',
senza guardare?
Come si puo' guardare dietro la tenda
senza aprirla?
Ma John Bell tiro' fuori una brillante idea per farlo.
Penso che questa sia una delle idee piu' ingegnose
di tutto il mondo della fisica.
E' certamente una delle piu' difficili da comprendere a da spiegare,
ma ci provero'.
E si', temo che dovro' usare un'altra analogia.
Questa volta, faro' un gioco con le carte.
E' un gioco con la posta piu' alta in assoluto:
la natura della realta' stessa.
Il gioco a carte e' contro un misterioso banchiere quantistico.
Le carte che da' rappresentano le particelle subatomiche
oppure i quanti di luce, i fotoni.
Il gioco che faremo
ci svelera', alla fine, chi aveva ragione: Einstein o Bohr.
Le regole del gioco sono apparentemente semplici.
Il banchiere mi dara' 2 carte coperte.
Se sono dello stesso colore, vinco.
Se sono di colore diverso, perdo.
Dunque...
ho un rosso, percio' ho bisogno di un altro rosso per vincere.
E' nero. Ho perso.
Ancora,
colori diversi. Ho perso entrambe le volte.
Quattro volte di fila.
Sono...
6 volte di fila che perdo.
Ok, penso di sapere cosa sta facendo il banchiere.
Chiaramente, il mazzo e' stato truccato in precedenza,
cosi' che ogni coppia di carte sia di colore diverso.
Ma c'e' un modo semplice per cogliere il banchiere in fallo.
Cio' che possiamo fare e' cambiare le regole del gioco.
Questa volta,
se le carte sono di colore diverso,
vinco.
Ma ancora una volta, a ogni partita,
il mio malvagio nemico quantistico mi batte.
Anche questa volta posso immaginare cosa abbia fatto il furbo banchiere.
Forse ha cambiato mazzo mentre non guardavo,
e l'ha truccato in modo tale che le carte siano sempre a suo favore.
Ora ogni coppia e' dello stesso colore.
Mazzi truccati era cio' che, secondo Einstein,
accadeva nell'esperimento dell'entanglement.
Come i guanti erano stati gia' disposti nelle scatole,
cosi' il banchiere maligno ha sistemato le carte
prima della partita.
L'idea di Niels Bohr era molto diversa.
Affermava che rosso e nero
non esistono nemmeno finche' non giriamo le carte.
La genialita' di Bell sta nell'aver trovato un modo per decidere
una volta per tutte chi avesse ragione:
Einstein o Bohr.
Ecco come fece.
Ora non diro' al banchiere secondo quali regole voglio giocare,
cioe' se vinco con colori uguali o con colori diversi,
finche' non mi avra' dato le carte.
Siccome non potra' mai predire
secondo quali regole giochero',
non potra' mai truccare perfettamente il mazzo.
Cosi' non potra' vincere...
o si'?
Ora le regole sono:
colore diverso vince.
Stesso colore. Va bene.
Colore uguale vince.
Questo va dritto al cuore dell'idea di Bell.
Se adesso gioco e vinco tante volte quanto perdo,
allora Einstein aveva ragione.
Il banchiere e' solo un imbroglione con un mazzo truccato.
La realta' puo' essere complessa,
ma ha un'esistenza oggettiva.
Ma se perdo?
Be', allora sono costretto ad ammettere
che non c'e' alcuna spiegazione ragionevole.
Ogni carta deve mandare segnali segreti all'altra,
attraverso lo spazio e il tempo,
sfidando tutto cio' che conosciamo.
Sono costretto ad accettare che, a livello quantistico,
la realta' e' davvero imperscrutabile.
Bell espresse questa idea
in una singola equazione matematica,
che chiariva una volta per tutte
cio' che sembrava inspiegabile:
com'e' davvero la realta'.
John Bell pubblico' la sua idea nel 1964,
e la cosa incredibile e' che, a quel tempo,
l'intera comunita' fisica lo ignoro'.
Nessuna reazione.
Sembrava semplicemente che il mondo non fosse pronto.
Forse fu cosi' perche' la sua equazione sembrava non verificabile
o perche' nessuno penso' che valesse la pena investigare.
Ma le cose stavano per cambiare.
E il cambiamento giunse da un posto molto inaspettato.
# The 5th dimension - 'Age of Aquarius' #
L'America era in crisi per via del Vietnam,
lo scandalo di Watergate, il femminismo, le Pantere Nere...
E mentre avveniva tutto cio', un piccolo gruppo di fisici hippy
lavorava all'universita' di Berkeley, in California.
Facevano tutte le cose hippy: fumavano erba, si facevano di LSD,
discutevano di cose come il Buddismo e la telepatia.
E adoravano la meccanica quantistica.
Nella loro strana versione della realta',
vedevano affinita' con le loro credenze esoteriche.
La loro fisica hippy e New Age
attiro' anche l'attenzione del pubblico,
che leggeva i loro folli libri hippy
che mescolavano meccanica quantistica e misticismo orientale.
Libri come 'Il Tao della fisica',
'La danza dei maestri Wu Li'
e, il mio preferito,
'Spazio, tempo e oltre. Verso una spiegazione dell'inspiegabile'
Piu' importante per la nostra storia,
la storia della meccanica quantistica,
e' che questi fisici hippy rivolsero la loro attenzione
al famoso esperimento concettuale di Einstein
e a cosa questo dice sulla natura della realta'.
Consideravano le comunicazioni segrete di Niels Bohr
una prova che la fisica supportava le loro idee.
Perche' se due particelle potevano comunicare segretamente
attraverso lo spazio,
allora anche la percezione extrasensoriale, la telepatia
e la chiaroveggenza erano vere, probabilmente.
Se solo avessero potuto provarne l'esistenza.
Poi, nel 1972,
realizzarono che con qualche trucco matematico
potevano prendere l'equazione di Bell
e verificarla sperimentalmente.
Uno del gruppo, John Clauser,
prese in prestito dell'attrezzatura dal laboratorio dove lavorava,
e mise su il primo test originale
e definitivo della meccanica quantistica.
Questa e' una foto di quel primo esperimento,
costruito da rimasugli e attrezzatura rubata.
Negli anni successivi
venne migliorato da una squadra guidata da Alain Aspect a Parigi,
rendendo i risultati piu' affidabili.
Finalmente poteva essere messa alla prova
l'equazione che Bell propose piu' di 10 anni prima.
Questa e' una versione moderna dell'esperimento
eseguito per la prima volta da John Clauser
e successivamente da Alain Aspect.
Qui un cristallo converte la luce laser
in coppie di quanti di luce correlati tra loro,
i fotoni,
formando due fasci molto precisi.
Questi fotoni viaggiano lungo un percorso e poi tornano indietro
attraverso questi detector.
I due fotoni sono come le due carte che mi dava il banchiere malefico.
Misureremo una proprieta' dei fotoni chiamata 'polarizzazione',
che equivale al colore delle carte nel mio gioco.
Quindi, per esempio, vincere con due carte rosse
e' equivalente a due fotoni con la stessa polarizzazione.
Siccome questa e' meccanica quantistica, e' piu' complessa
del mio semplice gioco di carte.
Questi strumenti mi permettono di misurare
anche una seconda proprieta' dei fotoni.
Per me questo equivale
non solo a indovinare il colore del seme della carta,
ma anche il colore del retro.
Ok, ora accendero' il laser
e iniziero' l'esperimento.
Dunque, questo numero qui
mi dice il numero di coppie di fotoni prodotte nell'esperimento.
Equivale al numero di coppie di carte, nel mio gioco.
Questa curva che va verso il basso mi da'
la probabilita' di vincita, di indovinare correttamente.
Media delle vincite
Piu' fotoni ci sono, maggiore e' l'accuratezza.
Mi fermero' a un livello di incertezza pari all'1 percento.
Incertezza
La risposta finale e': 0.56.
Quindi...
lo inserisco nella mia equazione.
Ora devo eseguire l'esperimento altre 3 volte,
che corrispondono alle 4 possibili configurazioni di questi strumenti.
Ogni esperimento corrisponde a delle nuove regole
stabilite dal banchiere quantistico.
Se quando faro' la somma di tutto,
il risultato sara' minore di 2, allora Einstein aveva ragione,
se sara' maggiore di 2, aveva ragione Bohr.
Va bene, andiamo con la seconda configurazione.
Tenete a mente cosa mostrera' l'esperimento.
Se il risultato sara' minore di 2,
allora avremo la prova che il banchiere truccava il mazzo.
Questa era la visione di Einstein.
Ok, il valore che ottengo questa volta e' 0.82.
Ora passiamo al terzo.
Ma se il risultato sara' maggiore di 2,
allora il mazzo non puo' essere truccato
e c'e' qualcos'altro all'opera.
Ok, il terzo esperimento da' -0.59.
E, infine, il quarto.
Quest'ultimo numero rivelera' finalmente
se il mondo segue il senso comune
o qualcosa di piu' bizzarro.
Ok, l'ultimo risultato e' pronto
ed e' 0.56.
Spegniamo il laser.
Va bene, e' ora che calcoli...
il risultato finale.
Ed eccolo qui: 2.53.
E' un numero maggiore di 2.
La prova assoluta che Albert Einstein aveva torto
e Niels Bohr aveva ragione.
Il significato di questo risultato e' semplicemente colossale.
Ricordate cosa vuol dire.
La versione della realta' di Einstein non puo' essere vera.
Nessun astuto trucchetto nel nostro esperimento
puo' imbrogliare la natura.
Le proprieta' dei due fotoni correlati
non potevano essere fissate sin dall'inizio,
ma diventano reali solo quando le misuriamo.
Qualcosa di strano li lega attraverso lo spazio.
Qualcosa che non possiamo ne' spiegare ne' immaginare
senza usare la matematica.
E, ancora piu' stranamente,
i fotoni diventano reali solo quando li osserviamo.
In un certo senso, cio' suggerisce davvero
che la luna non esiste quando non la guardiamo.
Va davvero contro la logica comune.
E' comprensibile che, verso la fine della sua vita, Einstein scrisse:
Tutti questi 50 anni di consapevoli riflessioni
non mi hanno portato piu' vicino alla domanda
'Cosa sono i quanti di luce?'
Pinco Pallino pensa di conoscerli,
ma si sbaglia.
L'esperimento non fa altro che confermare che
qualunque cosa stia accadendo, semplicemente non la capiamo.
Ma questo non significa che dobbiamo smettere di cercare.
Mentre e' vero che il sogno di Einstein di trovare
una spiegazione logica e ragionevole
e' stato distrutto per sempre,
la mia visione personale e' che tutto cio' non bandisce necessariamente
la realta' fisica.
Come Einstein,
credo ancora che ci sia una spiegazione piu' accettabile
alla base degli strani risultati della meccanica quantistica.
Una cosa e' certa:
che ci siano terrificanti connessioni fisiche o no,
che ci siano universi paralleli o no,
che la realta' esista solo quando la osserviamo o no,
qualunque sia la verita',
l'assurdita' del mondo quantistico
non scomparira',
ma si manifestera' altrove.
120 anni fa, la piu' grande scoperta scientifica di sempre
ebbe origine da una lampadina.
Gli scienziati usano ancora potenti sorgenti di luce,
come i raggi X,
per svelare i misteri della natura.
Questa e' Diamond Light Source.
E' la struttura scientifica piu' grande della Gran Bretagna.
I raggi X prodotti qui
sono 10 miliardi di volte piu' potenti dei raggi X degli ospedali.
Con una tale potenza,
gli scienziati possono sezionare la materia
e sbirciare nei profondi segreti della fisica quantistica.
Qui i ricercatori usano questi potenti raggi di luce
per studiare nuovi materiali
che potrebbero potenzialmente portare a una rivoluzione elettronica
come mai vista prima.
Proprio come i pionieri della quantistica negli '20 e '30
finirono col portare una rivoluzione scientifica e tecnologica,
questa generazione di fisici
ha lo scopo di dare inizio a una nuova era quantistica.
Un'era in cui l'entanglement quantistico odiato da Einstein
produce un sistema di sicurezza informatica indistruttibile,
nuovi sistemi di comunicazione,
computer super veloci
e altri sistemi che ancora non immaginiamo.
Questa e' la ragione per cui la meccanica quantistica mi appassiona...
e mi scoraggia.
E' capricciosa, e' controintuitiva
e a volte sembra essere completamente sbagliata.
Cio' nonostante, ci stupisce ancora...
ogni giorno.
Io per primo credo che la nostra conoscenza del mondo quantistico
sia ben lontana dall'essere completa,
che ci sono verita' piu' grandi sulla natura
ancora da scoprire.
E questo e' cio' che mi tiene sveglio la notte.
La prossima settimana, continuate a seguirmi
nel sorprendente mondo quantistico.
Indaghero' come le sue strane regole sono cruciali per la vita
e come il bizzarro comportamento delle particelle subatomiche
potrebbe aver influenzato l'evoluzione stessa.
Traduzione: Blackcherry [SRT project]
Se tradurre vi appassiona e diverte, venite a tradurre con noi.
[SRT project] www.phoenix.forumgalaxy.com
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