mercoledì 18 aprile 2012

UN LEGAME CHE TRASCENDE LE DISTANZE: L'ENTANGLEMENT

La Meccanica Quantistica è sicuramente la branca (tra quelle sperimentalmente verificate) più bizzarra della Fisica.
Può essere considerata il corrispettivo nella scienza di Alice nel paese delle meraviglie di Lewis Carroll (addirittura Robert Gilmore ha scritto una celebre variazione sul tema dal titolo Alice nel paese dei quanti!).
Il grande Richard Feynman asseriva che nessuno (neppure i più grandi fisici teorici) riesce a capire intuitivamente la teoria dei quanti.
Infatti, essa rappresenta qualcosa di così assurdo, da essere persino più sorprendente della fantascienza.
C'è da dire che nel 1900, il fisico William Thomson, meglio noto come Lord Kelvin, aveva affermato che oramai la fisica era finita e che non c'era quasi più nulla da scoprire.
Lo stesso anno viene clamorosamente contraddetto dal fisico tedesco Max Planck, il quale scopre che la radiazione elettromagnetica è composta di quantità discrete, i quanti.
Einstein approfondirà il tutto, analizzando il fenomeno dell'effetto fotoelettrico e denominando i quanti di luce come fotoni, particelle mediatrici dell'interazione elettromagnetica.
Da questo momento in poi la teoria quantistica verrà implementata da alcune delle più grandi menti del XX secolo, fra cui Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Maurice de Broglie, Paul Dirac e tanti altri.
Fra tutti i fenomeni "paradossali" della teoria quantistica, forse quello che lascia più perplessi è l'entanglement.
Il termine "entanglement" può essere tradotto in italiano come:
  • groviglio;
  • confusione;
  • correlazione;
  • intreccio.
È tuttavia preferibile mantenere l'originale denominazione inglese "entanglement".
In che cosa consiste?
Sappiamo che la fisica classica parla di forze che agiscono applicate in punti precisi, o comunque, attraverso contatto.
Ad esempio, prendendo una sedia, posso applicare una forza in un certo punto, la quale tende a spingerla.
Già nell'elettromagnetismo e, in generale, nelle teorie dei campi, si parla invece di forze a distanza, ossia che agiscono senza contatto tra una cosa applicante la forza e il soggetto che la subisce.
Si pensi al campo elettrico, al campo magnetico o a quello gravitazionale.
Una certa sorgente, poniamo una carica elettrica, genera appunto un campo che agisce anche su corpi molto distanti dalla stessa sorgente.
Per approfondimenti e chiarimenti sul concetto di campo, vi rimando all'articolo "Il campo gravitazionale: il teorema di Gauss".
In Meccanica Quantistica questo concetto di azione a distanza si ritrova, ma in maniera decisamente più sorprendente.
Tale effetto si ritrova proprio nell'entanglement.
Immaginiamo 2 particelle quantistiche.
Esse possono essere collegate fra loro da una potentissima e stranissima relazione che è l'entanglement: se così fosse, si dice che le 2 particelle vivono la loro esistenza tra di loro "entangled", cioè legate indissolubilmente.
È un legame fortissimo, paragonabile al legame d'amore che si ritrova in fiabe come quella di Biancaneve o la Bella addormentata nel bosco, in cui l'amore reciproco tra il principe e la damigella è così forte da rompere un potente sortilegio, provocato rispettivamente da una mela avvelenata e da un fuso.










L'analogia è appropriata fino a un certo punto, visto che, mentre nelle fiabe il legame si manifesta attraverso un contatto, il bacio, nella Meccanica Quantistica si ha un'azione a distanza.
La cosa funziona così: se 2 particelle sono "entangled" e una delle 2 subisce una qualche sorta di effetto, allora istantaneamente esso si ripercuote sull'altra, anche se la prima è posta a distanza astronomica (poniamo, per esempio, 1 miliardi di anni-luce) dalla seconda.
Specifichiamo che particelle o fotoni coinvolti nell'entanglement risultano collegate tra loro poiché sono state prodotte in passato da un certo processo che le ha vincolate in modo speciale.
Inoltre, come è ovvio, quando si considera il fenomeno dell'entanglement, si può pensare a sistemi costituiti da più di 2 particelle.
Cosa si evince da tutto ciò?
Questo bizzarro effetto quantistico contraddice il principio di relatività di Einstein, il quale afferma che, in generale, niente può viaggiare più veloce della luce.
Infatti, una modifica su una particella va immediatamente (e sottolineiamo immediatamente) a ripercuotersi sull'altra, ossia questo "impulso" è più veloce persino della luce.
Proprio Einstein, nel 1935, assieme ai colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen, lanciò un guanto di sfida alla fisica quantistica (il cosiddetto paradosso EPR, dalle iniziali dei 3 scienziati), affermando che la Meccanica Quantistica era incompleta.
L'argomentazione dei 3 si basava proprio sul fenomeno dell'entanglement, sostenendo che una teoria che ammettesse un fenomeno così bizzarro e paradossale non poteva essere che incompleta.
Ci fu però uno scherzo del destino: il famigerato articolo del 1935 aveva in realtà gettato il seme per la scoperta dell'entanglement mediante gli esperimenti.
Nel 1972, infatti, i fisici americani John Clauser e Stuart Freedman, fornirono un'evidenza decisiva per l'esistenza reale del fenomeno.
10 anni dopo, il fisico francese Alain Aspect e colleghi presentarono prove ancora più convicenti e rigorose dell'esistenza del suddetto fenomeno.
Dobbiamo porre in evidenza un fatto importante: il fenomeno dell'entanglement non rompe assolutamente il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Ricordiamo cosa afferma tale principio: Werner Heisenberg aveva scoperto che di una particella non è possibile conoscere contemporaneamente e con precisione assoluta la posizione e la quantità di moto.
Anzi, più conosciamo una grandezza, meno possiamo conoscere l'altra.
Sussiste infatti la seguente relazione:





Essa ci dice semplicemente che il prodotto delle incertezze della posizione (Δx) e della quantità di moto (Δp) deve SEMPRE essere maggiore o uguale di/a una certa quantità h, chiamata costante di Planck, divisa 4π.
Cosa succede allora quando abbiamo 2 particelle "entangled"?
Si potrebbe ritenere che conoscendo "bene", ad esempio, la posizione di una delle 2 particelle, allora l'altra proprietà (ovvero la quantità di moto) potrebbe essere ricavata dalla corrispettiva particella.
Assolutamente errato!
Quando conosciamo "bene" la posizione di una particella, possiamo conoscere "bene" soltanto la posizione della sua compagna "entangled", non la quantità di moto.
Equivalentemente, se conosciamo "bene" la quantità di moto di una particella, possiamo comprendere "bene" la quantità di moto dell'altra, non la posizione.
Ad Heisenberg non si sfugge!
Recentemente, è stato dimostrato che l'entanglement agisce non solo tra particelle o, in generale, in sistemi microscopici, ma pure a scala macroscopica.
Ad esempio, un gruppo di ricerca guidato da Ka Chung Lee, fisico dell'Università di Oxford, è riuscito a porre in uno stato di entanglement 2 diamanti collocati a 15 cm di distanza l'uno dall'altro e a temperatura ambiente, per mezzo di un sistema composta da:

  • laser;
  • separatori di fasci;
  • rilevatori.
Nello specifico, Lee e colleghi hanno forzato i 2 diamanti a "condividere" i fononi, ovvero quasiparticelle (in semplice, una quasiparticella è l'insieme costituito da una singola particella e dalla nuvola di particelle che la circondano) descriventi la vibrazione quantistica di un reticolo cristallino rigido.
Il concetto di quasiparticella si deve al grande fisico russo Lev Davidovič Landau, autore (insieme a Evgenij Lifšic) di una magistrale collana di testi di fisica teorica.



















Riferendosi al tomo "Meccanica quantistica" (1948), il Premio Nobel Abdus Salam scrive:

"Questo, a mio parere, è probabilmente il miglior libro di testo disponibile sulla meccanica quantistica non relativistica...Nei suoi dettagli, vi è un senso di delizia artistica."

Persino Heisenberg espresse il suo gradimento per il medesimo volume in una epistola inviata allo stesso Landau:

"Proprio lo scorso semestre ho tenuto un corso sulla meccanica quantistica, e già dal primo sguardo al tuo libro ho potuto accertare con quanta cura il materiale sia stato selezionato e organizzato, e quanto l'esposizione sia straordinaria in tutti i suoi dettagli."

Lev Landau ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1962 per le sue ricerche nella teoria dello stato condensato della materia e specialmente dell'elio liquido.
Ora voglio brevemente ragguardarvi su una teoria che pone l'entanglement come base del funzionamento dell'oggetto probabilmente più complesso del mondo: il cervello umano.
Ogni cervello umano è costituito da circa 100 miliardi di neuroni, ciascuno dei quali contiene dalle 1000 alle 10.000 sinapsi, le quali agiscono alla stregua di interruttori funzionanti centinaia di volte al secondo e con un numero di operazioni pari a circa 10¹⁵ processi al secondo!
Il grande fisico e matematico inglese Roger Penrose e l'anestesiologo e neurobiologo Stuart Hameroff, unendo il loro sapere, hanno elaborato il più sofisticato modello biofisico del cervello, basato sull'entanglement.
Essi teorizzano che il luogo principale del cervello ove si esplicita uno stato di entanglement è rappresentato dai "microtubuli".
I microtubuli sono la componente fondamentale del citoscheletro delle cellule, il quale rappresenta una sorta di ossatura delle stesse.
I microtubuli possono essere visti come il sistema nervoso e "circolatorio" delle cellule.
Essi:
  • muovono qualunque cosa nelle cellule;
  • ne organizzano la forma e la funzione;
  • comunicano con le membrane e con il DNA nucleare.
I microtubuli sono vere e proprie unità dotate di intelligenza propria: addirittura, un essere elementare unicellulare come il paramecio riesce a nuotare, imparare, evitare i predatori, reperire il cibo e riprodursi solo grazie ai microtubuli, e senza il bisogno di sinapsi (considerato che ne è privo).
Questa forma elementare di intelligenza dei microtubuli fu verificata proprio dagli esperimenti di Hameroff concernenti la divisione cellulare nelle cellule normali e cancerose: lo studioso si rese conto della magistrale capacità dei cromosomi di separarsi in modo estremamente preciso per mano dell'azione regolatrice dei microtubuli.
I microtubuli sono inoltre una delle pricipali componenti di ogni singolo neurone nel cervello.
Nei neuroni, essi si auto-assemblano al fine di permettere e regolare le connessioni sinaptiche, responsabili delle funzioni cognitive.
Le proprietà dei microtubuli non finiscono qui!
Hameroff si accorse che i microtubuli designano il vero sistema nervoso delle cellule.
In particolare, egli ha riscontrato che la struttura di questi microscopici organi cellulari, a loro volta formati in gran numero da una singolare proteina, la "tubulina", è simile a circuiti on-off di un computer: in tal maniera le tubuline presenti all'interno dei microtubuli possono assumere il ruolo di "Bit", o meglio, di "Qbit", ossia bit quantistici.
Le tubuline entro i microtubuli possono permanere per un certo lasso di tempo in fase di sovrapposizione quantistica, mentre, allo stesso tempo, i microtubuli presenti nel cervello si trovano tra loro "entangled".
Le proprietà appena citate (sovrapposizione ed entanglement) sono proprie quelle usate nei computer quantistici, ove non ci sono più i Bit costituiti da sequenze precise di 0 e 1, bensì i Qbit, rappresentanti sovrapposizioni di 0 e 1.
Per capire cosa sia la sovrapposizione possiamo agganciarci al classico esempio del gatto di Schrödinger, oppure possiamo immaginare altre tipologie di esempio.
Supponete di stare in una stanza completamente buia e di lanciare una moneta.
Quando l'oggetto sarà caduto a terra, si troverà in una sovrapposizione di 2 stati, ovvero testa e croce.
Infatti, fin quando non avrete acceso la luce per svelare la sorpresa, la moneta si troverà in uno stato di testa e croce contemporaneamente, così come il gatto di Schrödinger si trova vivo e morto allo stesso tempo.
Nei computer quantistici i Qbit comunicano istantaneamente mediante il meccanismo dell'entanglement: ciò consente di effettuare calcoli straordinariamente veloci.
In questo excursus su cervello, computer quantistici, sovrapposizione e chi più ne ha più ne metta, non abbiamo però descritto esattamente come sono fatti questi microtubuli.
Abbiamo soltanto elencato le loro proprietà.
Da una prospettiva geometrica, i microtubuli sono piccolissimi tubi allungati, delle dimensioni di pochi nanometri di diametro, simili a pannocchie di granturco allungate.















Una buona immagine rappresentativa delle tubuline può essere invece quella dei chicchi di grano.
Si stima che nel cervello vi siano circa 10¹⁸ tubuline, le quali si comportano alla stregua di dipoli, potendo assumere 2 stati di polarizzazione elettrica, in base agli stati 1 e 0.
Ciascuno di questi "dimeri proteici" possiede delle "tasche idrofobiche", che possono contenere elettroni delocalizzati (elettroni non associati a uno specifico atomo o a uno specifico legame covalente).
Hameroff e Penrose sostengono che tali elettroni sono così vicini tra loro da diventare "entangled".
Pertanto, i processi di entanglement che hanno luogo nel cervello rendono le tubuline oggetti che possono assumere le stesse identiche caratteristiche di fotoni o elettroni entangled del mondo delle particelle elementari, ma in condizioni in cui non abbiamo più coppie di particelle entangled, bensì miliardi di esse!
L'entanglement che interessa i microtubuli è simile a quello che avviene nei cosiddetti condensati di Bose-Einstein, rappresentanti il 5° stato fondamentale della materia, ove tale stravagante meccanismo accade tra particelle prossime tra loro e non particolarmente distanti.
Tirando le fila del discorso, l'entanglement è un fenomeno strambo, bizzarro, un legame fortissimo tra 2 o più particelle, che non abbraccia solamente il mondo della fisica delle particelle, ma può interessare anche sistemi abbastanza macroscopici come 2 diamanti vicini fra loro o addirittura potrebbe essere la causa del funzionamento del misterioso cervello umano!

  

2 commenti:

  1. Wow!! Hai fatto davvero un meraviglioso lavoro, Leonardo!! Complimenti!! :)

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  2. Grazie anche qui, Giulia!!! Grazie per i complimenti e per il "meraviglioso" attribuito al mio contributo!!! :)

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