lunedì 13 gennaio 2020

L'unico caso naturale di reazione a fissione che conosciamo

Questa è una storia curiosa, e forse poco nota, ma anche meravigliosamente affascinante. E' la storia dell'unico caso a nostra conoscenza in cui sulla terra, in modo naturale, si sia verificata una reazione nucleare a fissione, e di come questo sia stato possibile. Tutti gli altri casi di reazioni di fissione a noi noti sono indotti dall'uomo, nelle centrali nucleari o nelle bombe atomiche.

La reazione nucleare di fissione avviene quando un nucleo si rompe in frammenti nucleari più leggeri, che a loro volta possono indurre altri processi analoghi nei nuclei circostanti. In ognuno di questi singoli processi viene rilasciata energia, sotto forma di energia cinetica delle particelle prodotte.

Ad esempio, se prendiamo una certa quantità di Uranio, arricchito di Uranio 235 (l'isotopo dell'Uranio con 92 protoni e 143 neutroni, per un totale di 235 nucleoni) e lo bombardiamo con neutroni di opportuna energia, i neutroni possono rompere il nucleo di Uranio in nuclei più leggeri, liberando altri neutroni, che a loro volta possono indurre lo stesso processo negli altri nuclei di Uranio circostanti, e così via, in un processo che si autosostiene. Il risultato è quindi una liberazione di energia che si manifesta come calore. E' la fissione nucleare.

Per ottenere la fissione nucleare nei reattori, si parla di arricchimento dell'Uranio, ingrediente necessario per rendere autosostenibile la reazione nucleare. Infatti l'isotopo più comune dell'Uranio, l'Uranio 238, non può essere utilizzato per produrre energia tramite fissione, al contrario dell'Uranio 235. Nell'Uranio presente naturalmente sulla Terra, la frazione di Uranio 235 sul totale è circa lo 0.7%. Troppo poco per permettere una reazione nucleare di fissione.

Nel caso delle centrali nucleari, quindi, la percentuale di Uranio 235 sull'Uranio 238 viene aumentata fino a circa il 3%. E' il cosiddetto "arricchimento dell'Uranio". Nel caso di ordigni nucleari l'arricchimento necessario è invece almeno dell'85%. Ecco, per inciso, perché una centrale nucleare non può esplodere come una bomba atomica, contrariamente a quello che si potrebbe credere: l'Uranio contenuto nel reattore non è sufficientemente arricchito.

Tutti i casi a noi noti in cui avviene la fissione nucleare sono indotti dall'uomo, tramite opportuno arricchimento dell'Uranio (vedi Nota * a piè pagina).

Il fiume Oklo, in Gabon dove si trova il sito con la miniera di Uranio.


Tuttavia nel 1972 è stato scoperto un caso di fissione nucleare naturale. E' il caso di una miniera di Uranio sul fiume Oklo, nel Gabon, dove quasi 2 miliardi di anni fa si è instaurata una reazione di fissione nucleare in modo del tutto naturale. Questo è stato possibile grazie all'abbondanza dell'isotopo 235 dell'Uranio presente nella miniera, che all'epoca ammontava a circa il 3%. Il tutto coadiuvato dalla presenza di acqua. L'acqua, infatti, ha agito contemporaneamente come moderatore dei neutroni, cioè ne ha "aggiustato" la loro energia in modo da renderli adatti a rompere altri nuclei di Uranio 235, e come fluido di raffreddamento. Si ritiene che questo reattore naturale sia rimasto in funzione per quasi un milione di anni, con una potenza di circa 100 kW termici, sufficienti per tenere accese più o meno qualche migliaio di lampadine. Un po' poco rispetto alle centrali nucleari a fissione di oggi, ma pur sempre una centrale nucleare a tutti gli effetti, molto prima della comparsa del movimento NIMBY (Not In My BackYard).

La scoperta avvenne nel 1972 grazie al fatto che la Francia, che utilizzava il giacimento di Uranio per alimentare le sue centrali, effettuò un controllo di routine sul contenuto di Uranio 235 presente nella miniera, che evidenziò un valore inferiore al suo livello naturale di una frazione molto piccola, meno dell'1%. Questo insospettì molto, perché la percentuale naturale dell'Uranio 235 è estremamente costante ovunque sulla terra, e  siccome l'Uranio 235 è usato per costruire ordigni nucleari, la cosa non passò inosservata.

Tuttavia qualcuno si ricordò di una pubblicazione scientifica del 1956, che già ipotizzava la possibilità di reazioni a fissione sviluppabili in modo naturale sotto particolari condizioni, nei giacimenti di Uranio. In tutto 17 zone in cui nel passato si sviluppò il processo di fissione furono scoperte nel giacimento di Oklo e in zone limitrofe.

Affinché si possa sviluppare la fissione in modo naturale, l'Uranio presente naturalmente deve essere abbondante e con spessore sufficientemente elevato, oltre a essere distribuito nella roccia con una geometria adatta ad aumentare la probabilità che la reazione si automantenga. Inoltre l'Uranio 235 deve essere significativamente elevato rispetto all'isotopo 238, come nei reattori nucleari, dove esso ammonta appunto a qualche percento. Inoltre deve esserci in giro un "moderatore", qualcosa che rallenti i neutroni prodotti dalla fissione dei nuclei di Uranio, in modo da portarli all'energia giusta per indurre altri processi di fissione negli altri nuclei circostanti. L'acqua, ad esempio. In aggiunta non ci devono essere in mezzo all'Uranio elementi in grado di assorbire i neutroni, tipo il Boro. Il giacimento sul fiume Oklo, in Gabon, 2 miliardi di anni fa aveva tutte queste condizioni.

Oggi la frazione di Uranio 235 presente sulla terra nei minerali di Uranio è troppo bassa per causare fissione in modo naturale. Questo perché il naturale decadimento radioattivo dell'isotopo 235 ne ha ridotto la percentuale. Miliardi di anni fa, invece, la frazione di Uranio 235 sulla terra era quella giusta. All'epoca della formazione della terra, la frazione di Uranio 235 era circa il 30%, diminuita poi nel tempo a causa del naturale decadimento radioattivo, che è più veloce nel caso dell' Uranio 235 rispetto al più abbondante Uranio 238. All'epoca della formazione della reazione nella miniera di Oklo circa 2 miliardi di anni fa, la frazione di Uranio 235 era un po' più del 3%, simile a quella usata nei reattori nucleari.

La domanda interessante, però, a questo punto è: perché la reazione a fissione naturale si è sviluppata nella miniera solo 2 miliardi di anni fa, quando la percentuale di Uranio 235 era vicina al limite sotto la quale la fissione non può più avvenire, e non ha avuto luogo invece molto prima, quando la percentuale di Uranio 235 era molto maggiore, e quindi le condizioni di gran lunga più favorevoli?

Il motivo è che l'Uranio, per garantire il processo di fissione, oltre a essere arricchito di isotopo 235, deve essere anche concentrato. E prima di 2 miliardi di anni fa non riusciva a esserlo abbastanza. Il motivo è l'Ossigeno.

Infatti l'Uranio si concentra in quanto trasportato dall'acqua in opportuni depositi naturali. Per fare questo, esso deve essere solubile. E l'Uranio diventa facilmente solubile nella sua forma ossidata. E per ossidare, lo dice la parola stessa, c'è bisogno di Ossigeno. E all'inizio della storia della Terra la presenza di Ossigeno nell'atmosfera era molto scarsa. Soltanto 2,4 miliardi di anni fa ci fu un "evento", chiamato "Great Oxydation Event" (fonte), che aumentò il contenuto di Ossigeno nell'atmosfera, facendolo passare da 1 a 15%.

Questo ossigeno in più fu prodotto dai batteri! La maggiore presenza di Ossigeno permise all'Uranio di ossidarsi e diventare trasportabile dall'acqua, e quindi di concentrasi a sufficienza nei giacimenti, ingrediente necessario, anche se non sufficiente, per permettere il processo di fissione naturale.

Forse esistono altri casi simili a quello della miniera sul fiume Oklo, in giro per il mondo, dove la miniera è stata distrutta dai cambiamenti geologici della Terra, o che semplicemente non sono stati ancora scoperti.

Comunque quello che volevo dire è: ma non è fantastico tutto questo? Come la fisica nucleare si colleghi alla storia della terra, alla sua evoluzione geologica e biologica che l'hanno trasformata da luogo inospitale via via fino alla terra che conosciamo? Esiste un romanzo più avvincente e interdisciplinare?

Per dettagli e approfondimenti:

https://www.iaea.org/newscenter/news/meet-oklo-the-earths-two-billion-year-old-only-known-natural-nuclear-reactor

https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/natures-nuclear-reactors-the-2-billion-year-old-natural-fission-reactors-in-gabon-western-africa/

Nota (*). L'Uranio non è in realtà l'unico elemento utile per realizzare la fissione nucleare. C'è anche la fissione al Plutonio, che tuttavia non avviene spontaneamente in natura, anche a causa dell'estrema rarità del Plutonio naturale.





martedì 7 gennaio 2020

"Ma l'aereo decolla?" 2: la vendetta.

Un po' di tempo fa ho postato questo articolo, su un argomento che, per motivi a me misteriosi, genera thread infiniti in rete, con toni che spesso diventano infuocati. Dico che per me i motivi sono misteriosi, perché il problema, per come è formulato, è sostanzialmente una tautologia, del tipo "può decollare un aereo che non può muoversi?"

Tuttavia sembra che la cosa non sia così ovvia per molti, per cui avevo scritto il post sopra citato, dove cercavo di spiegare perché l'aereo non decolla.

Il testo del problema lo riporto qua sotto per chiarezza:
Un aeroplano ipotetico è sulla pista e si prepara al decollo ma sulla pista c'è un rullo collegato ad un nastro programmato per girare in senso opposto alla direzione dell'aereo ed esattamente alla stessa velocità delle ruote dell'aereo.
L'aereo riesce a decollare?


L'aereo non decolla sotto la seguente ipotesi, che ritengo ovvia e scontata, data la formulazione molto minimale del problema: il problema è puramente concettuale.

E' del tutto ovvio, infatti, che nel mondo reale nessun tapis roulant potrebbe contenere la spinta dei motori di un jet, per mille motivi diversi, primo fra tutti la tecnologia futuribile di un simile tapis roulant, che raggiungerebbe in breve velocità elevatissime e si romperebbe. E poi per gli attriti, che smetterebbero di essere ideali con ruote che girano a velocità così elevate, per le turbolenze dell'aria fra tapis roulant e aereo, e chissà per quali altri motivi contingenti.

Però, siccome il problema non menziona minimamente nessuno di questi aspetti, allora, come ogni studente di fisica sa bene, se il testo non dice vuol dire che non deve essere tenuto in conto. Altrimenti, se dovessimo sempre considerare tutti i fattori che entrano in gioco considerando i casi reali, la quasi totalità dei problemi di fisica che si danno a scuola o all'università diventerebbe irrisolvibile senza modelli numerici al computer.

Tralasciando quindi chi chiama in causa i cuscinetti delle ruote (che peraltro, rompendosi, renderebbero impossibile il decollo in ogni caso!), gli ingranaggi del tapis roulant (è ovvio che si romperebbero anche quelli!) e le correnti d'aria dovute al moto del tapis roulant e delle ruote (che peraltro avrebbero il ruolo di tenere l'aereo ancora più attaccato al suolo, dato che la velocità dell'aria sarebbe probabilmente maggiore sotto l'ala, cioè dalla parte del tapis roulant, invece che sopra, provocando quindi maggiore aderenza al suolo), vediamo qual è il principale argomento di chi sostiene che l'aereo decollerebbe comunque.

L'argomento è che le ruote dell'aereo sono in folle, libere di rotolare come gli pare sul tapis roulant, pur mantenendo un rotolamento senza strisciamento, e quindi in nessun modo il tappeto può contrastare il moto dell'aereo, essendo quest'ultimo sottoposto alla spinta dei reattori (una forza esterna). Questo, essi dicono, renderebbe l'accelerazione dell'aereo, e quindi il decollo, inevitabile.

Notate bene: non dicono "alla lunga l'aereo decollerebbe, perché il tappeto a un certo punto non ce la farebbe più (cosa che sarebbe vera nel mondo reale!), ma che il tappeto non può contrastare il moto in avanti dell'aereo proprio dal punto di vista concettuale. 

In sostanza, per i sostenitori del decollo, il fatto che il tappeto per costruzione esplicita del problema si muova istante per istante con una velocità uguale e opposta a quella delle ruote, non avrebbe alcun effetto sul moto dell'aereo, non appena questo accenda i motori.


Perfetto. Visto che le spiegazioni concettuali sembrano non sortire effetto, allora realizziamo l'esperimento.


Non avendo a disposizione un aereo, l'esperimento lo realizziamo prendendo una ruota, che rotola senza strisciare su un piano inclinato per effetto della gravità. Sotto la ruota è posto un tappeto, che simula il tapis roulant del problema.

La ruota è in folle, come nel caso dell'aereo, e è soggetta a una forza esterna, che non è quella della spinta dei jet, ma è la forza di gravità, che agisce comunque con modulo, direzione e verso costanti lungo il piano inclinato. Esattamente come nel caso dell'aereo. 

Permettetemi di sottolineare, a costo di apparire un po' acido, che se pensate che la spinta dei motori sia concettualmente diversa dalla "spinta" generata dalla forza di gravità, allora avete un po' di problemi con la fisica di base. Il risultato, infatti, in entrambi i casi è una forza esterna costante applicata all'aereo, che lo fa accelerare. 

Allo stesso modo, è del tutto irrilevante il fatto che la spinta di un jet sia molto più grande della spinta data dalla forza di gravità. Se chi ritiene che l'aereo decolli lo fa affermando che il tappeto non può influire in alcun modo sull'accelerazione delle ruote, allora che la velocità in gioco sia alta o bassa non può avere alcuna importanza. Se il tappeto non può influire sul moto della ruota, non può farlo quale che sia l'accelerazione a cui essa è sottoposta.

E d'altra parte i sostenitori del decollo dell'aereo "senza se e senza ma" affermano categorici che in nessun modo il tappeto è in grado di contrastare l'avanzare dell'aereo. Quindi, per loro stessa implicita ammissione, la velocità con cui gira la ruota, o con cui girerebbero le ruote dell'aereo, è del tutto ininfluente, che sia grande o piccola. Per lo stesso motivo è ininfluente anche il discorso della eventuale rottura dei cuscinetti, da tanti pure tirato in ballo. Se è vero che il tappeto non può arrestare il moto dell'aereo, come essi affermano, i cuscinetti non c'entrano un tubo!

Come pure non c'entra nulla col problema il fatto che non sia disponibile una tecnologia in grado di far muovere il tapis roulant in questo modo: non è un problema di ingegneria, ma è un problema di fisica di base, che più base non si può. Se fosse stato un problema di ingegneria il testo sarebbe stato lungo due pagine e non 3 righe.

Dicevamo che sotto la ruota c'è un tappeto, che avremo cura di muovere in modo opportuno quando lasceremo andare la ruota. Mostreremo quindi (negli esperimenti di fisica parlano sempre al plurale, anche se è solo uno a farlo, come in questo caso) che la ruota resterà ferma rispetto a un riferimento esterno, solidale con il laboratorio, ovvero ferma rispetto all'aria, cosa che, nel caso dell'aereo, gli impedirebbe di acquistare portanza e quindi decollare. E mostreremo anche che la velocità con cui viene tirato il tappeto in modo da rendere ferma la ruota rispetto a un sistema di riferimento esterno, è esattamente quella richiesta dall'ipotesi del problema.

Allora, pronti? Via! Guardiamo il filmato.

Intanto osserviamo come rotola la ruota, se lasciata libera. La lunghezza del piano è di 90 cm. Misuriamo quanto tempo impiega la ruota stessa a percorrere tutta la discesa. Ci servirà più avanti. A seconda delle inclinazioni del piano utilizzate, ottenute con opportuni spessori sotto le zampe del tavolo, i tempi impiegati per percorrere i 90 cm sono 8 secondi e 5 secondi. Ogni misura, da bravo fisico, ha un'incertezza di circa mezzo secondo, nel senso che ripetendo più volte la misura, e misurando il tempo con il cronometro, il risultato è lo stesso entro 5 decimi di secondo circa.

Adesso passiamo alla fase cruciale: lasciamo andare la ruota, e nel frattempo spostiamo il tappeto sotto di essa. Siccome non abbiamo un sistema in grado di regolare la velocità del tappeto in modo da renderla istante per istante uguale a quella delle ruote, facciamo il contrario: cerchiamo di trascinare il tappeto in modo da tenere la ruota ferma rispetto a un riferimento esterno (cosa che secondo i "decollatori" sarebbe impossibile per principio!), e misuriamo il tempo impiegato: secondo le ipotesi del problema, questo dovrà essere la metà del tempo impiegato dalla ruota a percorrere il tappeto quando quest'ultimo sta fermo. Questa è infatti la condizione tale per cui la velocità del tappeto è uguale alla velocità delle ruote che rotolano senza strisciare: muovendosi in direzioni opposte, la ruota impiegherà metà del tempo a percorrere l'intero tappeto, rispetto al caso in cui il tappeto sta fermo.

Facciamo l'esperimento e scopriamo una cosa che per me è assolutamente ovvia: la ruota resta ferma rispetto al punto di partenza! Non è vero che il moto del tappeto non sia in grado di ostacolare in alcun modo lo spostamento della ruota, come invece i sostenitori di "l'aereo decolla" affermano!

Ma controlliamo la velocità con cui abbiamo dovuto tirare il tappeto, per realizzare questa condizione, e vediamo se coincide con l'ipotesi del problema, e scopriamo che il tempo impiegato è esattamente la metà del tempo che la ruota impiegava a percorrere l'intero tappeto quando questo restava immobile! Le condizioni del problema sono quindi verificate.

Ma è ovvio che sia così! Il problema infatti dice che il tappeto deve muoversi a velocità uguale e opposta a quella delle ruote, e se le ruote non devono strisciare, questo è l'unico modo in cui si può muovere il tappeto! Applicando le condizioni del problema, la ruota resta ferma!!!

Vogliamo aumentare la pendenza? Proviamo! Come vedete più avanti nel filmato, con pendenza maggiore, non cambia nulla: la ruota resta ferma rispetto all'aria, e il tempo impiegato, anche in questo caso, è esattamente la metà di quello che la ruota impiega senza trascinare il tappeto. Non esiste quindi nessun impedimento concettuale che impedisca alla ruota di stare ferma, come tanti hanno invece affermato.

Vogliamo cambiare forma dell'oggetto? Proviamo con un cilindretto. Il momento di inerzia sarà diverso, quindi il tempo di rotolamento pure, ma il risultato non cambia: trascinando il tappeto con la velocità opportuna, il cilindro resta fermo rispetto a un sistema di riferimento esterno. 

Conclusioni? Tramite un opportuno trascinamento del tappeto, il carrello resta fermo rispetto a un sistema di riferimento solidale con il laboratorio. Ovvero, l'aereo non decolla. La tesi secondo cui il tappeto non è in grado di esercitare alcuna forza sulla ruota, e quindi non può in alcun modo trattenerne il moto - lo ripeto fino alla nausea -  è semplicemente sbagliata!

Nei commenti all'articolo originale qualcuno ha suggerito che dovrei realizzare l'esperimento con un carrellino, anziché con una ruota. Non capisco la differenza, ma va bene lo stesso. Nel video è mostrato anche l'esperimento con un carrellino spinto da un'elica. Quindi del tutto simile al problema con l'aereo. Qui ho dovuto usare come tappeto un semplice foglio di carta, perché le ruote del carrellino erano troppo sottili, essendo pensate per muoversi su una rotaia, e la loro pressione sul tappeto impediva al carrello di muoversi. Con la carta, rischiando perfino di perdere attrito (e quindi facilitare il moto "inarrestabile" del carrello) il trascinamento del "tappeto" tiene comunque il carrello fermo. Risultato identico, quindi. Anche col carrello spinto dall'elica, non cambia nulla.

Alcuni hanno obiettato che dipende dal momento di inerzia delle ruote. Sbagliato! Il problema non lo dice. Altrimenti anche il problema avrebbe dovuto specificarlo, e poi potremmo dire che dipende anche dal tipo di materiale del tapis roulant, dalla densità dell'aria, dal peso dell'aereo, da quanto spingono i motori, se l'aereo è carico o è vuoto, e tutta una serie di cose che ovviamente nel mondo reale contano, ma nel problema no, semplicemente perché non sono menzionate. Quindi il momento di inerzia delle rute può essere qualunque, ovviamente non nullo (che senso avrebbe?).

Conclusione: l'aereo, nelle ipotesi minimali del problema, non decolla. Come era del tutto ovvio, essendo il problema, dal mio punto di vista, una banale tautologia. Tuttavia, nonostante questo piccolo esperimento lo dimostri, sono certo che molti non si convinceranno. Non so che farci, ma tranquilli, anche quando Galileo mostrava i satelliti di Giove al telescopio, o i crateri della Luna, o le macchie sul Sole, in tanti non ci credevano. Potreste obiettare che io non sono paragonabile a Galileo, e questo ve lo concedo. Non ho nemmeno la barba!



giovedì 12 dicembre 2019

Vannoni e Stamina: una truffa evidente che l'Italia non ha saputo riconoscere

E' notizia di questi giorni la morte di Davide Vannoni, il promulgatore del metodo Stamina. I titoli dei giornali si barcamenano fra "lo scienziato inventore del metodo Stamina", il "contestato" metodo Stamina, la "controversa terapia", "il padre contestato", etc. Nessuno, per lo meno fra i titoli che ho letto, ha avuto il coraggio di usare i termini corretti: ciarlatano per Vannoni, e truffa per il Metodo Stamina. Ed è per questo che Vannoni è stato condannato, e non certo perchè il metodo Stamina fosse semplicemente "contestato". Il fatto che sia morto non cambia né mitiga il giudizio. Su questo aspetto non c'è nulla da aggiungere, e non è di questo che voglio parlare. L'intera vicenda, per chi non se la ricordasse, è riassunta ad esempio qui, o qui.

La cosa che invece mi preme sottolineare è che in Italia testate giornalistiche, politici, rappresentanti della cultura e una parte tutt'altro che minoritaria dei cittadini abbiano dato credito a Vannoni, lo abbiano addirittura sostenuto e difeso, proponendolo come il paladino dei diritti dei malati, e accusando allo stesso tempo la scienza e gli scienziati di essere ottusi cattedratici. Questo è lo specchio del disastro culturale italiano, e della mostruosa ignoranza scientifica che ci caratterizza.

Cesare Vannoni in tribunale.

Sì, perché anche senza sapere nulla di Sclerosi Laterale Amiotrofica (la malattia che Vannoni asseriva di poter curare), né di cellule staminali (la tecnica che Vannoni asseriva di usare per curare i malati) era evidentissimo a chiunque avesse un minimo di rudimenti su come funziona la scienza che il metodo Stamina fosse una banale truffa. Ne aveva tutti i connotati, tutte le caratteristiche tipiche. Io non so nulla di SLA né di cellule staminali, ma non ho mai avuto il minimo dubbio che si trattasse di un imbroglio.

Perché vedete, la cultura scientifica non è sapere di scienza. Non è sapere di cellule o di galassie, non è saper risolvere esercizi con le molle, i campi magnetici e le derivate. La cultura scientifica è conoscere come procede la scienza. Il suo metodo, il suo linguaggio, e anche i suoi limiti, che cosa la scienza può dire e cosa non le compete. La cultura scientifica è conoscere come si arriva a una scoperta scientifica, i passi necessari, i controlli che devono essere fatti, gli errori di metodo dai quali bisogna cautelarsi. E nel caso Stamina, con un minimo di cultura scientifica, quella che si dovrebbe imparare dalla scuola, sia che si faccia il liceo tecnologico, una scuola umanistica o professionale, era evidentissimo che ci si trovava di fronte all'antitesi della scienza.

E la cosa grave è che la nazione Italia non sia stata in grado di capirlo al volo.

Infatti Vannoni aveva tutti i connotati tipici del ciarlatano. Vediamoli.

Non era un esperto del settore. Vannoni era laureato in Scienza della comunicazione, aveva scritto testi sulla persuasione nella pubblicità, e insegnava in una università telematica. Non era un biologo, non era un medico. La prima domanda che uno dovrebbe chiedersi è: è possibile che uno che nella vita si occupa di tecniche di persuasione nella pubblicità sia l'unico al mondo ad aver scoperto come si cura una malattia ritenuta incurabile, e sulla quale le equipe di scienziati in tutto il mondo non sono ancora giunti a sviluppare nessuna terapia efficace? Dove sta la mancanza di cultura scientifica qui? Sta nel fatto che in Italia in tanti, compresi politici, giornalisti e "uomini di cultura", hanno un'idea della scienza che è quella dei filmetti di serie B, o dei fumetti dell'Intrepido. Hanno l'idea dello scienziato che lavora nello sgabuzzino di casa, in segreto, da solo, e all'improvviso scopre "la formula!".  Hanno l'idea che la scienza sia una cosa da artigiani genialoidi, e ignorano totalmente cosa invece è necessario per arrivare a una scoperta di grande portata. Credono che arrivare alla cura del cancro, della SLA, dell'Alzheimer, ci si arrivi così, magari per caso. Uno fa un po' di intrugli, mescola, e ecco che - meraviglia - anche un laureato in scienza della comunicazione, del tutto avulso all'ambiente scientifico, possa arrivare a scoprire la cura di una malattia incurabile, alla faccia delle centinaia di esperti del campo che invece ancora sono lì a chiedersi quali siano i meccanismi che scatenano la malattia. Questa è l'idea che in Italia tanti hanno della scienza.

Evitava il confronto con la comunità scientifica. A Vannoni era stato chiesto di presentare un protocollo per testare il suo metodo, ma Vannoni ha a lungo rifiutato. Ha glissato continuamente, evitando perfino di dire che cosa somministrava ai suoi pazienti. Vannoni non ha mai pubblicato nulla a riguardo del suo metodo, su nessuna rivista specialistica del settore con peer review (e neanche senza peer review a dire il vero). Non ha mai partecipato a congressi del settore, né presentato i suoi risultati a congressi specialistici, e non si è mai confrontato con i gruppi di ricerca che nel mondo studiano la possibile cura alla SLA. Questo è tipico: dai presunti (e osannati) preveditori di terremoti, ai curatori di cancro con intrugli vari, ai venditori di cure miracolose, agli scopritori di energie illimitate e pulite, il must che li accomuna è evitare qualunque confronto scientifico con gli scienziati che professionalmente si occupano di quel campo di ricerca. Si parla con giornalisti, con i fan su Facebook, con il pubblico alle conferenze (magari a pagamento), ma con gli scienziati no. Al massimo si va a qualche congresso farsa, di quello nei quali, pagando, ti accettano anche la ricetta della carbonara come presentazione scientifica, per poi dire che hai presentato i tuoi risultati al megacongresso di specialisti. Non è uno scherzo, leggete questo articolo illuminante.

Era visto come il paladino della scienza libera, non schiavo del potere. Anche questo è tipico. Quando sei l'unico al mondo a dire di avere effettuato una scoperta epocale, e la comunità scientifica ne dubita, è garantito che il grande pubblico si schieri con te. Soprattutto se affermi di saper curare una malattia ritenuta incurabile. E non sto parlando dei malati, o dei familiari dei malati, che sono anche essi vittime del ciarlatano, e per i quali l'aggrapparsi a qualunque cosa che offra una speranza è più che comprensibile. Sto parlando della gggente. Quelli che stanno in salotto, leggono il titolo dell'articolo, e hanno subito capito tutto, e corrono su Facebook a dire la loro su come la scienza ufficiale (ma ne esiste un'altra?) sia ottusa e chiusa di mente. Usando tecnologie messe a loro a disposizione da quella scienza che criticano, e senza le quali non saprebbero vivere.

Si faceva pagare profumatamente, ma la cosa passava in secondo piano. Vannoni veniva visto come un benefattore, il paladino dei diritti del malati, ma la realtà era diversa. I trattamenti costavano cari, anche decine di migliaia di euro, venivano realizzati in condizioni precarie, in strutture tutt'altro che consone o adeguate, in condizioni igieniche a volte precarie, e non veniva rilasciata ricevuta... Quelle prassi che normalmente vengono giustamente richieste alla medicina ufficiale, per la medicina non ufficiale passano - chissà perché - in secondo piano.

Ecco, tutto questo rendeva lampante che dietro il caso Stamina non ci fosse nulla, se non una truffa. Era chiarissimo, anche senza essere esperti del campo. Bastava conoscere come funziona la scienza. La cosa vergognosa è quindi che in Italia non si sia stati capaci di riconoscere tutto ciò al primo sguardo.  Ma non solo, lo scandalo è che si sia dato credito a una cosa del genere, facendo allo stesso tempo passare gli scienziati come i soliti ottusi cattedratici. E' lo specchio, uno dei tanti, dell'Italia odierna.








lunedì 2 dicembre 2019

La teoria della relatività ristretta ridotta all'osso

La Teoria della Relatività è spesso considerata dal grande pubblico qualcosa di impossibile da capire per una persona normale. D'altra parte Einstein è il simbolo del genio per antonomasia, e quindi anche la sua "teoria" è da molti considerata inarrivabile ai non geni. E' probabilmente anche per questo che tutti quei discorsi sul tempo che aumenta, le distanze che si restringono, il gemello che resta giovane, la velocità della luce che non si può superare, scatenano la fantasia degli scienziati fa da te, che si cimentano in goffi tentativi di smentirle la Teoria della Relatività. Credo che questo derivi dal non aver capito che tutte questi fenomeni strani e controintuitivi non sono la Teoria della Relatività, ma le conseguenze della Teoria della Relatività, che di per sé è qualcosa di estremamente semplice e ovvio. 

Pe non parlar poi di E = mc2, e il fatto che "tutto ciò che è massa è anche energia" (lo metto virgolettato perché non è vero), e quindi a questo punto anche noi saremmo energia, cosa che scatena i pensieri più selvaggi e inconfessati del popolo della rete.
 
In realtà, consapevole di suscitare il disappunto di molti, in particolare di quelli che credono che la teoria della relatività ristretta sia una teoria estrema e arditissima, e quindi potenzialmente sbagliata (ma loro lo hanno scoperto!) la Teoria della Relatività Ristretta, a livello concettuale, è di una semplicità estrema, e segue un filo logico molto stringato e estremamente comprensibile. E di questo voglio parlarvi, a costo di smantellare l'aura di misticismo che tanti vedono attorno ad essa.


Sto parlando, lo sottolineo, della Teoria della Relatività Ristretta. La Teoria della Relatività Generale è un'altra cosa, e in quel caso il genio di Einstein ha veramente dato il massimo. Infatti, mentre la Teoria della Relatività Ristretta era comunque nell'aria già alla fine dell'800, e Einstein ha avuto il merito di tirare le fila di una serie di osservazioni già ben note, ma di cui nessuno aveva ancora compreso il vero impatto dal punto di vista fisico, per avere la Relatività Generale, che è sostanzialmente una nuova descrizione della gravitazione, senza Einstein probabilmente avremmo dovuto aspettare ancora un bel po'.

Se mi dovessero chiedere di definire la Teoria della Relatività Ristretta, quindi, non risponderei che è la teoria che prevede che il tempo bla bla... e le lunghezze bla bla... e l'equivalenza fra massa e energia ... bla bla ... e i gemelli bla bla. Niente di tutto questo: la teoria della relatività ristretta è l'estensione del principio di relatività a tutti i fenomeni fisici, sia meccanici che elettromagnetici. Tutto il resto, tutte le stranezze che turbano il sonno degli scienziati fai-da-te, sono le ovvie conseguenze di questo aspetto. Sottolineo ovvie.

Il principio di relatività è il fatto - sperimentalmente noto a tutti anche senza sapere nulla di fisica - che le leggi della natura sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento che si muovono fra loro di moto rettilineo e uniforme. I cosiddetti sistemi di riferimento inerziali. In pratica tutti i sistemi di riferimento non sottoposti ad accelerazioni. Vedremo fra poco perché questo principio è inconsciamente noto a tutti, anche a chi odia la fisica.

Quindi, essendo le leggi fisiche le stesse in tutti questi particolari sistemi di riferimento, non esiste alcun tipo di esperimento in grado di mostrare se un sistema di riferimento inerziale sia in moto assoluto. Mangiare un gelato, ascoltare la radio, fare le capriole, guardare un film, respirare, scrivere, dormire, attirare pezzetti di ferro con la calamita, tutto avviene sempre allo stesso modo in qualunque sistema di riferimento inerziale, e non possiamo usare nessun processo fisico noto per dire se siamo fermi o in moto, tanto che la domanda stessa perde di significato. I sistemi di riferimento inerziali sono tutti perfettamente equivalenti, e la fisica non è in grado di distinguerli.

Questo aspetto è, come dicevo, qualcosa che tutti conosciamo bene. Quando siamo in aereo e ci muoviamo a 800 Km/h, una mosca intrappolata in cabina vola come volerebbe a casa nostra, l'acqua ha lo stesso sapore che se la beviamo al bar dell'aeroporto, e l'arrosto che ci danno sull'aereo farebbe ugualmente schifo anche mangiato al terminal nella zona imbarchi. Tutto si comporta allo stesso modo, sia sull'aereo in volo che a casa sul divano, e se non fosse per lo sballottamento dell'aereo (cioè le accelerazioni, ovvero le situazioni in cui l'aereo non si muove esattamente di moto rettilineo e uniforme, ma cambia di velocità) non potremmo dire se ci stiamo muovendo o stiamo fermi.

Avete poi presente quando siete fermi in stazione sul treno, e con la coda dell'occhio vedete il treno di fianco muoversi, e per un istante, finché non percepite qualche scossone (di nuovo, un'accelerazione!) non sapete dire se è il vostro treno a muoversi, o quello accanto? Ecco, in quel momento state sperimentando il Principio di Relatività. In quel momento non avete alcun modo per dire se siete voi a muovervi, o il treno accanto a voi. Niente vi viene in aiuto, perché effettivamente non cambierebbe niente, in nessuno dei due casi. E' solo in presenza di accelerazioni, che potete dare una risposta. Ovvero quando il vostro sistema di riferimento smette di essere un sistema di riferimento inerziale. Oppure, più banalmente, guardando la pensilina, che però soltanto per questioni di convenzione considerate essere ferma.

Questa cosa l'aveva già capita Galileo ai suoi tempi, e l'aveva chiamata il Principio di Relatività: le leggi della fisica sono le stesse in qualunque sistema di riferimento inerziale. E quindi anche le formule delle leggi fisiche devono essere le stesse in qualunque sistema di riferimento inerziale.

Questa invarianza, dal punto di vista matematico, è garantita dalle trasformazioni matematiche che mettono in relazione le coordinate spaziali e temporali di due sistemi di riferimento inerziali in moto relativo fra loro, e che prendono il nome di Trasformazioni di Galileo. Ad esempio la seconda legge di Newton, la famosa F=ma, non cambia di espressione se usiamo le trasformazioni di Galileo per esprimerla in un altro sistema di rifermento inerziale.

Una conseguenza ovvia e banale delle trasformazioni di Galileo è che se tizio si trova su un sistema di riferimento che si muove con velocità v rispetto al vostro (ad esempio è su un tapis roulant di quelli che ci sono negli aeroporti), e in aggiunta cammina sul tapis roulant con velocità u perché ha fretta, a quel punto voi, da fuori, lo vedete muoversi con velocità v + u. In altri termini le velocità fra due sistemi di riferimento inerziali si sommano o sottraggono a seconda del moto relativo dei due sistemi di riferimento. Ad esempio quando sorpasso una macchina che va a 120 in autostrada, mentre la sorpasso e ci passo accanto andando a 130 (sul blog rispetto sempre i limiti di legge), la vedrò di fatto retrocedere con una velocità di -10 Km/h. Molto ovvio e banale, insomma.

Però ai tempi di Galileo le leggi fisiche note erano solo quelle della meccanica: molle, piani inclinati, catapulte, etc. L'elettromagnetismo non era stato ancora scoperto, anche se il corpo umano è da solo una continua applicazione delle leggi dell'elettromagnetismo. Ma questa cosa non la sapevano ancora.

Alla fine dell'800 James Clerk Maxwell riassume le leggi dell'elettromagnetismo in 4 espressioni matematiche, che prendono il nome di Equazioni di Maxwell. Tutti i fenomeni elettromagnetici sono in quelle 4 formule, compresa la luce.

Perfetto, allora possiamo supporre che anche i fenomeni elettromagnetici rispettino il principio di relatività. In fin dei conti dicevamo che noi umani, con tutti i processi fisici e chimici che avvengono nel nostro corpo, siamo un laboratorio di elettromagnetismo che funziona full time, e se le leggi dell'elettromagnetismo fossero diverse in casa, su un treno, o su un pianeta che si muove di 30 Km/s attorno al sole, ce ne saremmo accorti! Quindi che il principio di relatività valga anche per le leggi dell'elettromagnetismo è un po' più di una semplice supposizione...

Però c'è un problema. Nelle equazioni di Maxwell - quelle leggi che hanno la pretesa di riassumere tutti i fenomeni elettromagnetici, e quindi valere ovunque, in qualunque sistema inerziale - compare un termine che ha le dimensioni di una velocità. E' la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto: la velocità della luce.

E qui non ci vuole un genio per capire che c'è qualcosa che non va. Perché se pretendiamo che delle leggi che contengono al loro interno una velocità restino inalterate e valgano sempre in qualunque sistema di riferimento inerziale, perdiamo in partenza, perché una velocità non può restare la stessa in sistemi di riferimento inerziali diversi, in moto relativo fra loro. Ricordate il tapis roulant?

Quindi le equazioni di Maxwell non possono restare uguali passando da un sistema di riferimento inerziale a un altro, con quella velocità tra le scatole!

Ma attenzione: questo avviene se si assume che le trasformazioni che mettono in relazione le coordinate spaziali e temporali fra due sistemi di riferimento inerziali siano le trasformazioni di Galileo. Quelle trasformazioni di coordinate che rendono le leggi della meccanica identiche passando da un sistema inerziale a un altro, e che come sottoprodotto danno il fatto che le velocità si sommano o sottraggono, se confrontate fra sistemi di riferimento diversi.

Allora chiediamoci: quali trasformazioni di coordinate renderebbero invarianti le equazioni di Maxwell nella forma, nella loro espressione matematica, passando da un sistema di riferimento inerziale a un altro?

E' un esercizio di matematica (lo imparai a Fisica 1), e il risultato è un nuovo set di trasformazioni di coordinate, che prendono il nome di trasformazioni di Lorentz.


Le trasformazioni di Lorentz hanno un'espressione un po' strana. Contengono dei termini che perdono di significato matematico quando la velocità di un sistema di riferimento rispetto all'altro diventa uguale alla velocità della luce. Segno che quando ci si avvicina alla velocità della luce possono succedere cose a cui normalmente non siamo abituati.

Però, se la velocità in gioco è piccola rispetto alla velocità della luce, esse ci ridanno le famose trasformazioni di Galileo. Sono diverse quando le velocità in gioco sono prossime alla velocità della luce, ma sono praticamente indistinguibili dalle vecchie trasformazioni di Galileo quando le velocità sono piccole rispetto alla velocità della luce c, che è costante in qualunque sistema di riferimento. Se così non fosse, le equazioni di Maxwell, che contengono al loro interno la velocità della luce, varrebbero solo in uno specifico sistema di riferimento, e potremmo usare esperimenti di elettromagnetismo per determinare il sistema di riferimento prescelto in cui le leggi dell'elettromagnetismo sono quelle scritte sui libri. Michelson e Morley, e molti altri dopo di loro, ci hanno provato, ma i loro esperimenti hanno sempre miseramente fallito nell'intento.

Le Trasformazioni di Lorentz sono quindi le trasformazioni di coordinate che cercavamo: quelle che preservano l'invarianza delle leggi dell'elettromagnetismo in qualunque sistema di rifermento inerziale, qualunque sia il valore delle velocità in gioco.

E ovviamente anche la legge di somma delle velocità che si ottiene dalle trasformazioni di Lorentz è diversa da quella di Galileo. Se le velocità sono prossime alla velocità della luce, scopriamo che se corriamo dietro a un raggio di luce, questo ci apparirà correre comunque alla velocità della luce, per quanto noi lo inseguiamo velocemente. La velocità della luce non si lasca sommare o sottrarre con nessuna altra velocità. Le equazioni di Maxwell restano sempre uguali.

Però, se la velocità in gioco sono piccole rispetto alla velocità della luce, ecco che la nuova formula approssima perfettamente la legge di somma delle velocità che tutti conosciamo, come ce l'aveva insegnata Galileo.

Tutto risolto, quindi?

Manca ancora qualcosa, in realtà. Se applichiamo le trasformazioni di Lorentz alle leggi della meccanica (F=ma, p=mv, quella roba lì, per capirci), queste cambiano di espressione matematica, cambiano di forma passando da un sistema inerziale a un altro. E quindi violerebbero il principio di relatività, ovvero avremmo un modo per dire, utilizzando le leggi della meccanica, se ci stiamo muovendo o siamo fermi, e saremmo daccapo. D'altra parte lo sapevamo già che sono le trasformazioni di Galileo a rendere invarianti le formule delle leggi della meccanica.

E allora?

E allora è semplice (si fa per dire). Basta solo avere il coraggio per dire che allora le leggi della meccanica, quelle che conoscevano Newton e Galileo, non sono quelle corrette! E quindi troviamo come dovrebbero essere le leggi della meccanica, in modo da restare uguali passando da un sistema inerziale a un altro non secondo le vecchie trasformazioni di Galileo, ma secondo le nuove trasformazioni di Lorentz. Quelle che vengono fuori, ancora una volta, sono molto diverse se le velocità in gioco sono prossime a quelle della luce, ma diventano uguali a quelle già note, quando la velocità in gioco è piccola rispetto alla velocità della luce. Non ce ne eravamo mai accorti, perché tutte le cose che facciamo in meccanica sono sempre a basse velocità rispetto alla velocità della luce. E' solo con la scoperta dell'elettromagnetismo che il problema è saltato fuori, perché l'elettromagnetismo è un tutt'uno con la luce!

Questa è la Teoria della Relatività Ristretta.

Tutto il resto, la storia dei gemelli, E = mc2, le lunghezze che si contraggono, gli orologi che vanno lenti, etc, sono conseguenze di tutto questo e vengono fuori pari pari dal fatto che le trasformazioni corrette che mettono in relazione due sistemi di riferimento inerziali sono le trasformazioni di Lorentz, e non le "vecchie" trasformazioni di Galileo, che però vanno benissimo quando le velocità in gioco sono piccole rispetto alla velocità della luce (ed è per questo che non ci eravamo mai accorti che non erano quelle giuste!).

Alcuni credono che la Teoria della Relatività sia una complicazione aggiunta da Einstein alle leggi della fisica. Credono, costoro, che senza questa complicazione, che essi reputano sbagliata, tutto sarebbe molto più semplice. Se invece avessero capito che cos'è realmente la teoria della Relatività, si accorgerebbero che essa è invece una meravgliosa sintesi, una semplificazione delle leggi della natura. Altrimenti avremmo dovuto scrivere tanti libri di fisica, ognuno valido per ogni specifico sistema di riferimento inerziale. Una complicazione non da poco, e poi ti voglio vedere a prendere 6 all'interrogazione!
 





martedì 26 novembre 2019

Perché l'occhio umano vede la luce visibile?

E perché solo quella?


Perché i nostri occhi vedono la luce del sole, e solo quella? Sembra una domanda stupida, vero? Beh, non lo è affatto. 

Infatti la luce cosiddetta "visibile" è solo una piccolissima porzione dell'intero campionario di "luce", genericamente chiamata spettro elettromagnetico, che esiste in natura. Fra onde radio, che possono avere lunghezza d'onda di chilometri, fino ai raggi gamma di altissima energia, con lunghezze d'onda inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico, intercorrono qualcosa come 20 ordini di grandezza, e le lunghezze d'onda della luce visibile sono un nonnulla, che va più o meno da 400 a 700 miliardesimi di metro (400 è la luce blu-violetta, 700 è la luce rossa).

Tutte queste onde sono concettualmente la stessa cosa. Tutte quante, nel vuoto, viaggiano alla velocità della luce. L'unica cosa che le contraddistingue è la loro lunghezza d'onda, o la frequenza, due quantità inversamente proporzionali, dato che Lunghezza d'onda = velocità della luce/frequenza.  Minore lunghezza d'onda corrisponde anche a una maggiore energia.

Quindi, se concettualmente queste onde sono sempre la stessa cosa, perché vediamo proprio la luce visibile e non, ad esempio, le microonde o i raggi X? Non sarebbe stato bello, e magari anche utile, vedere tutto lo spettro elettromagnetico?

Il motivo è nel modo in cui funziona l'evoluzione della specie, con buona pace dei "disegnatori intelligenti". Infatti, se l'uomo fosse "perfetto", come essi sostengono, perché non può vedere anche le altre parti dello spettro elettromagnetico? Perché queste cose riescono a farle solo i supereroi dei fumetti?




Guardate questa figura. Le parti marroncine indicano le lunghezze d'onda che vengono assorbite dall'atmosfera. Raggi Gamma, X e parte degli UV, quelli a più piccole lunghezze d'onda, sono completamente assorbiti dall'atmosfera, e quindi non arrivano sulla superficie terrestre. Per fortuna, perché altrimenti non esisterebbe la vita, per lo meno nella forma che conosciamo. Questo tipo di onde elettromagnetiche, infatti, è altamente ionizzante, e quindi molto pericoloso per la salute. Perfino virus e batteri, che si adattano a tutto, gradirebbero poco un pianeta in cui queste frequenze dovessero arrivare fino alla superficie. Non è un caso che negli ospedali utilizzino proprio i raggi UV di maggiore energia per sterilizzare gli strumenti chirurgici.

Quindi il nostro occhio non vede queste lunghezze d'onda perché sarebbe inutile vederle. A che serve vedere qualcosa che sulla superficie terrestre non arriva, e che, sempre sulla superficie terrestre, non viene prodotta naturalmente? E quindi, siccome l'evoluzione schifa tutte le cose inutili, il nostro occhio non ha l'optional di vedere questa parte dello spettro elettromagnetico, perché avere un apparato sensibile  ai raggi X e tenerlo perennemente inutilizzato (salvo che per quei pochi secondi dal dentista) sarebbe qualcosa che ci esporrebbe soltanto maggiormente a malattie. Come se l'elefante avesse le ali, senza però poter volare. Quelle ali sarebbero a rischio infezioni, ferite, ascessi, fratture, oltre a essere un fastidio non da poco fra gli alberi della savana, senza servire a nulla di utile.

E quindi uno dei motivi per cui vediamo la luce visibile è che essa è fra le poche zone dello spettro elettromagnetico che non è filtrato dall'atmosfera. E siccome per vedere gli oggetti, questi devono essere illuminati da qualcosa, ovvero l'onda elettromagnetica che gli arriva addosso deve interagire con l'oggetto in modo da portare al nostro occhio i dettagli di quell'oggetto (il colore, la forma), è del tutto ovvio che l'occhio umano si sia evoluto proprio per vedere la luce che chiamiamo visibile.

C'è un altro motivo che ha facilitato la nostra visione della luce visibile: la luce visibile è quella che maggiormente penetra sotto la superficie del mare. E siccome in passato eravamo tutti pesci, (di questo ne abbiamo altre tracce nell'anatomia del nostro corpo) ecco che il nostro occhio attuale ha ereditato dai nostri antichi progenitori la capacità di vedere quelle lunghezze d'onda e non altre. 

Però uno potrebbe dire: bene, ho capito che non avrebbe senso vedere quella parte dello spettro elettromagnetico che non arriva sulla superficie terrestre, perché assorbita dall'atmosfera. Ho capito che questo sarebbe inutile. Però perché non vedere gli infrarossi? C'è poi una bella finestra di quasi tre ordini di grandezza in frequenze (o lunghezze d'onda) di onde radio, che l'atmosfera lascia passare indisturbata! Non solo: gli oggetti caldi emettono essi stessi infrarossi. Tutti gli esseri viventi a sangue caldo emettono infrarossi, per non parlare di una panchina di ferro sotto il sole, o la bistecchiera sul fornello. Perché il nostro occhio non vede quelle frequenze?







Ci sono alcuni animali che in effetti vedono gli infrarossi. Ad esempio i serpenti. Un essere vivente a sangue caldo emette infrarossi più che l'ambiente circostante, e quindi, se si vive ad altezza suolo, in mezzo all'erba, e ci si ciba di topi, vedere un oggetto vivo tramite il calore che emette può essere molto vantaggioso, perché quel calore risulta ben evidente anche fra le foglie (che sono più fredde), mentre la sua immagine nel visibile sarebbe molto più confusa. Quindi vedere gl infrarossi per gli animali che strisciano risulta vantaggioso. Ma allora, non potrebbe essere vantaggioso anche per noi umani? Certo, la cosa richiederebbe una struttura dell'occhio più complessa, ma magari avere un sensore dedicato a vedere l'infrarosso poteva aiutare, no?

Qui io ho un'ipotesi, che però è solo una mia idea. Noi siamo esseri a sangue caldo. E quindi tutto attorno all'occhio, e l'occhio stesso, o l'ipotetico sensore per infrarossi, emetterebbe infrarossi! Quindi il nostro ipotetico occhio capace di vedere gli infrarossi sarebbe sommerso da un enorme rumore di fondo (infrarossi all around!), e la sua portentosa capacità diventerebbe inutile. Un po' come ascoltare i dettagli del suono dell'arpa in un mondo che trasmette continuamente a tutto volume death metal.



Va bene, la vista a infrarossi si scontrerebbe con alcuni problemi tecnici di rumore di fondo, ma perché allora non vedere le onde radio? Almeno quelle! In fin dei conti hanno strada libera nell'arrivare sulla superficie terrestre, lo si vede dalla figura!

Beh, perché non serve! Sebbene ce ne arrivino in grande quantità, alle specie viventi come noi vedere onde elettromagnetiche di lunghezza d'onda di svariati centimetri fino ai metri e più, non servirebbe a molto. Non sarebbe un superpotere utile, un bonus che migliorerebbe le nostre capacità di sopravvivenza (sempre la solita evoluzione della specie che ritorna!)

Non servirebbe perché onde elettromagnetiche di quella lunghezza d'onda avrebbero una risoluzione spaziale pessima. Ad esempio un ragno velenoso sarebbe invisibile, se "illuminato" da un'onda elettromagnetica di quel tipo, dato che, un'onda elettromagnetica può risolvere soltanto oggetti che hanno dimensioni maggiori della sua lunghezza d'onda. Molto maggiori se vogliamo vederne i dettagli, in modo da capire di cosa si tratti. Le onde radio, d'altra parte, passano i muri delle case, aggirano grandi ostacoli, proprio per questo motivo: hanno lunghezza d'onda sufficientemente grande da non accorgersi che stanno attraversando un muro, una casa, una foresta. Non "vedono" questi ostacoli!

E quindi vedere le onde con lunghezza d'onda di 10 metri non ci farebbe nemmeno trovare il portone di casa, non ci farebbe distinguere il cibo, non ci farebbe distinguere un coniglio da un leone. Un superpotere del tutto inutile, insomma. E l'evoluzione i gadget inutili li ignora. Avere i geni per vedere le onde lunghe, infatti, non costituirebbe alcun vantaggio evolutivo, ma appesantirebbe soltanto la struttura del corpo umano, dato che uno come minimo dovrebbe avere occhi specializzati giganteschi, tipo parabola satellitare. Certo, sarebbe stata una manna dal cielo per i produttori di collirio!



giovedì 14 novembre 2019

Il quantistico che fa piangere i fisici

L'entanglement quantistico spiegato ai cazzari (e speriamo che ponno capì!)

Medicina quantica, guarigione quantica, terapia quantica, architettura quantica, vino quantico, profilattico quantico. Giuro, esiste anche quello, e considerato che in meccanica quantistica esiste l'effetto tunnel, non credo sia stata una grande trovata. Da qualche anno il termine quantico, o il suo sinonimo quantistico, è diventato come la rucola, e lo trovi in tutto ciò che vorrebbe sembrare l'ultima scoperta scientifica, essendo invece una montagna di sciocchezze.



Ma a parte questo folclore, capita anche di leggere cose del genere (vedi link all'articolo completo) ad opera di un primario in psicologia di una Ausl di una importante città italiana:

"La teoria dell’Entanglement riconosce un ruolo di particolare rilevanza alla Mente e alle sue capacità di influenzare la realtà circostante attraverso l’energia/informazione degli atteggiamenti mentali, delle intenzioni e dei sistemi di credenze (...). Allo scopo di diffondere questa concezione innovativa (...) operiamo professionalmente per diffondere l’Entanglement nei processi di cura e nel mantenimento della salute."

A questo punto, di fronte a una frase del genere, a un fisico gli viene un coccolone. Nella frase in cui si dice che l'entanglement riconosce un ruolo di rilevanza alla Mente (maiuscolo!) e alla sua (della Mente) capacità di influenzare la realtà attraverso etc etc, è racchiusa tutta la totale incomprensione, da parte di chi fa queste affermazioni, di cosa sia l'entanglement, e cosa sia la meccanica quantistica. Un fisico capisce al volo che chi ha proferito questa frase non ha capito veramente nulla di queste cose.


E quindi vediamo di spiegare che cos'è l'entanglement quantistico passo passo, e spiegare anche perché l'entanglement e la meccanica quantistica non solo non c'entrano nulla con queste affermazioni, ma anzi, semmai dovessero entrarci, direbbero esattamente l'opposto! Cercherò di farlo nel modo più semplice possibile.

Quello che scriverò è più o meno il riassunto di un mio intervento al recente Cicap Fest a Padova, intitolato "Il quantistico che fa piangere i fisici".

La storia inizia alla fine del 1800, quando la fisica è rappresentata in modo emblematico da Isac Newton. La fisica Newtoniana è una fisica deterministica. Deterministica significa che, dato un sistema (una macchina fatta di ingranaggi e molle, un sistema planetario, una lavatrice...), e supponendo di conoscere con precisione le condizioni del sistema a un certo istante iniziale (la posizione, la velocità, la composizione di tutte le parti del sistema) è possibile, almeno in linea di principio, conoscere come evolverà il sistema a qualunque istante successivo, e quindi sapere come esso ci apparirà a seguito di una misura della sua "condizione".

Potrà essere complicatissimo, o perfino impossibile dal punto di vista pratico (pensiamo a un gas o un fluido, o anche il cestello coi panni della lavatrice, dove non possiamo conoscere la posizione e la velocità di tutto le particelle, e per questo possiamo descrivere il suo comportamento soltanto dal punto di vista statistico), ma concettualmente (è questo il punto) non c'è nulla che lo vieti.

E a sancire il successo di questa fisica ci pensa Urbain Le Verrier, un astronomo che a metà dell'800 ipotizza che certe anomalie dell'orbita del pianeta Urano siano dovute alla presenza di un ulteriore pianeta ancora sconosciuto, la cui presenza ne altererebbe il moto. E Le Verrier calcola, applicando proprio le leggi fisiche dell'epoca, quale dovrebbe essere la posizione nel cielo di questo nuovo ipotetico pianeta. E lo dice agli astronomi: "Astronomi, puntate i vostri telescopi lì, e vedrete che ci troverete un pianeta ancora ignoto".

Gli astronomi lo fanno e scoprono, proprio dove aveva detto Le Verrier, a meno di un grado di distanza nel cielo, quello che in seguito verrà chiamato il pianeta Nettuno.

Un successo incredibile: l'esistenza di un nuovo pianeta scoperta a tavolino, applicando le leggi fisiche note.

Sull'onda di questo successo, e nella convinzione che ormai la conoscenza dei fenomeni fisici sarebbe stata tutta una discesa, si entra nel ventesimo secolo, e si scoprono gli atomi. E dentro gli atomi i loro costituenti, gli elettroni, i nuclei, e così via. Quello che in gergo verrà chiamato il mondo dei quanti.

E qui... "Huston we have a problem"

Abbiamo un problema perché quelle leggi deterministiche, che pure avevano riscosso successi così clamorosi da farci prevedere la posizione di un nuovo pianeta sconosciuto nel cielo, falliscono miseramente se applicate al mondo dell'estremamente piccolo.

Falliscono talmente tanto che i fisici, nei primi 30 anni del ventesimo secolo, inventano una nuova meccanica per descrivere il mondo dei quanti: la meccanica quantistica.

La meccanica quantistica funziona benissimo. Descrive tutti quei fenomeni dove la fisica di Newton alzava bandiera bianca, ci da una spiegazione chiara degli spettri atomici, e combinata alla teoria della relatività ci indicherà perfino l'esistenza dell'antimateria.

Però ha un problema. Ha il problema che, contrariamente alla fisica di Newton, non è possibile dal punto di vista concettuale prevedere quale sarà l'esito di una misura su un sistema quantistico.

Infatti, mentre secondo la fisica classica una misura svela una condizione preesistente del sistema, una sua proprietà che esisteva già prima di effettuare la misura, nella fisica quantistica è l'atto della misura a determinare la condizione del sistema. Condizione che non è quindi determinata prima della misura stessa. Ma non nel senso che non è determinata perché non la conosciamo, ma proprio perché il sistema non ha una condizione determinata prima di effettuarne la misura (vedi nota 1 a piè pagina)

Quello che sa fare questa nuova fisica non è quindi quello di prevedere con certezza l'esito di una misura su un sistema quantico. La meccanica quantistica può soltanto calcolare la probabilità che, a seguito di una misura, il nostro sistema ci appaia in un certo modo, oppure un altro, o un altro ancora. L'atto della misura, secondo la meccanica quantistica, obbliga il sistema a "scegliere" fra una delle condizioni possibili, a caso in base alle probabilità assegnate (che - quelle sì - la meccanica quantistica può calcolare). Come avvenga questa "scelta", ovvero ciò che tecnicamente si chiama il "collasso della funzion d'onda", o anche la "riduzione del pacchetto", la meccanica quantistica non lo dice.

E' come se, immaginando il sistema solare come un sistema quantistico (cosa che ovviamente non è), non fosse possibile prevedere dove ci apparirà il pianeta Nettuno andandolo a cercare col telescopio, ma fossimo soltanto in grado di calcolare quale sarà la probabilità di trovarlo in un certo punto o in un altro dell'orbita. E è solo nel momento in cui puntiamo il telescopio nel cielo che il pianeta Nettuno assume una posizione definita.

Questo aspetto della nuova meccanica viene accettato per quello che è dalla maggior parte dei fisici (la cosiddetta "scuola di Copenaghen"), senza stare troppo a cavillare. Il motivo è che la meccanica quantistica funziona meravigliosamente bene, e permette e permetterà in futuro la scoperta di nuovi fenomeni, e la realizzazione di applicazioni pratiche, un paio fra tutte il laser e il transistor, il cui funzionamento è spiegabile solo tramite la meccanica quantistica.

Quindi i fisici dicono sostanzialmente "va bé, non capiamo questo aspetto della natura, ci sembra strano, assurdo o contro intuitivo, ma chi se ne frega: la meccanica quantistica funziona troppo bene per essere sbagliata, e se la natura ha deciso di funzionare così a livello microscopico, noi ne prendiamo atto". Shut up and calculate, insomma.

Questa situazione però non piace ad alcuni, tra cui Albert Einstein, che pur essendo stato uno dei padri fondatori della meccanica quantistica con la sua spiegazione dell'effetto fotoelettrico e della quantizzazione della radiazione elettromagnetica, e pur conoscendo bene l'efficacia della meccanica quantistica nel descrivere il comportamento del mondo microscopico, non se ne capacita che "Dio giochi ai dadi".

In questa frase, una delle più travisate e non capite della storia dell'umanità, in particolare da parte dei pensatori della domenica che si cimentano in tuttologia, Einstein vuole sottolineare come ritenga impossibile che un sistema, ancorché quantistico, non abbia realmente una condizione determinata prima di effettuarne la misura. Egli crede piuttosto che la natura ci appaia comportarsi così semplicemente perché la nostra conoscenza della meccanica quantistica è incompleta, ci manca un pezzo. Se conoscessimo realmente tutto del funzionamento del mondo quantistico, scopriremmo che l'esito di una misura, anche nel caso di un sistema quantistico, è perfettamente determinato fin dall'inizio, come per la fisica classica, e come per il caso del pianeta Nettuno.

Per fare una analogia (è solo una analogia, per capire cosa intende Einstein, non la prendete troppo alla lettera), è come quando lanciamo una moneta: l'esito del lancio ci appare indeterminato finché la moneta non si posa sul tavolo, e possiamo calcolarne soltanto la probabilità. Tuttavia, se conoscessimo con precisione il modo in cui lanciamo la moneta, la direzione, la velocità, le asperità del tavolo, le micro correnti d'aria, e tutti i dettagli del problema, potremmo addirittura calcolare, e quindi prevedere su che faccia si poserà la moneta.

Quindi è solo la nostra ignoranza di questo insieme di informazioni che ci fa credere che l'esito del lancio sia intrinsecamente indeterminato prima che la moneta si posi. In realtà, invece, è tutto scritto fin dall'inizio, e la moneta sa già su che faccia dovrà posarsi, fin dal momento in cui lascia la nostra mano.

E per sottolineare maggiormente quanto, secondo lui, fosse inaccettabile dal punto di vista concettuale la descrizione dei fenomeni quantistici, propone questo esperimento, all'epoca solo mentale ma realizzato in seguito, che prende il nome di argomento, o paradosso, di Einstein, Podolsky e Rosen (abbreviato EPR).

Il paradosso EPR, che rappresenta uno dei punti più importanti nella storia della comprensione dei fenomeni quantistici, e a mio parere anche uno dei contributi maggiori di Einstein alla fisica, è il seguente (vedi nota 2 a piè pagina).

Prendiamo una particella quantistica come un elettrone. Tra le varie proprietà che esso ha, c'è quella di avere uno spin. A noi in questo frangente non interessa affatto sapere cosa sia lo spin, ma ci basta sapere che, ogni volta che misuriamo lo spin di un elettrone, otteniamo o il valore "SU", o il valore "GIU'". L'elettrone, insomma, è come se avesse una freccetta che porta sempre con sé, che si presenta sempre soltanto rivolta verso l'alto o verso il basso.

La meccanica quantistica stessa prevede però che il valore dello spin non sia intrinsecamente determinato prima di effettuarne la misura, e è l'atto stesso della misura dello spin che -  in modo a noi sconosciuto, e che la meccanica quantistica non descrive -  "obbliga" l'elettrone ad assumere, in modo del tutto casuale, lo spin "SU", oppure "GIU'", con il 50% delle probabilità.

Fin qui, niente di nuovo rispetto a quanto sappiamo già.

A questo punto, dicono EPR, consideriamo una particella che abbia spin 0, e supponiamo che questa particella ad un certo punto decada in due elettroni. La particella iniziale improvvisamente - puff - scompare, e al suo posto compaiono due elettroni che si allontanano reciprocamente, uno che va da una parte, e uno dall'altra. Sembra una cosa strana, ma sono fenomeni molto comuni e molto studiati nel mondo della fisica quantistica.

Ora, siccome la particella iniziale aveva spin 0, e lo spin è una di quelle quantità che si conserva sempre nei processi fisici (come ad esempio la quantità di moto), anche la somma degli spin dei due elettroni in cui essa è decaduta dovrà essere pari a zero. E siccome gli spin degli elettroni possono essere soltanto "SU" o "GIU'", inevitabilmente i loro spin dovranno essere opposti per dare un risultato di spin nullo: se un elettrone ha spin "SU", l'altro dovrà avere lo spin "GIU'", o viceversa.

Stati di quest tipo si chiamano "entangled", che significa "intrecciato, aggrovigliato". Il motivo è che le proprietà dei due elettroni nello stato finale non sono indipendenti le une dalle altre, ma risentono del fatto che i due elettroni provengono da una particella comune, e quindi ne devono conservare certe proprietà, in questo caso lo spin. Il fenomeno di cui stiamo per parlare si chiama  "entanglement quantistico",

Sebbene lo spin dei due elettroni debba essere correlato, provenendo entrambi dalla stessa particella madre (sono entangled), la stessa meccanica quantistica ci dice che, prima della misura, il valore dello spin dei singoli elettroni è intrinsecamente non determinato, e sarà l'atto stesso della misura a "decidere" (attraverso un meccanismo che la meccanica quantistica non descrive) qual elettrone sarà "SU" e quale invece sarà "GIU'".

Allora supponiamo di fare la misura dello spin su uno dei due elettroni, mettiamo quello di destra. Un attimo prima della misura l'elettrone, secondo la meccanica quantistica, non aveva uno spin determinato, ma nel momento in cui andiamo a farne la misura l'elettrone - etvoilà! - sceglie, perfettamente a caso, uno dei due valori dello spin, o "SU", o "GIU'". Supponiamo scelga "SU". Aveva il 50% di probabilità, e ha scelto "SU" (il discorso vale analogo anche se avesse scelto "GIU'", ovviamente).

Bene: a questo punto però abbiamo la certezza che, a seguito del risultato "SU" sul nostro elettrone su cui abbiamo effettuato la misura, anche l'altro elettrone, su cui non abbiamo effettuato alcun tipo di misura, e anzi, che non ci siamo filati di striscio, assumerà istantaneamente lo stato di spin "GIU'". La misura dello spin su uno dei due elettroni ha avuto un effetto immediato e istantaneo anche sull'altro elettrone, sul quale non abbiamo agito in alcun modo.

Ma attenzione, questo avviene ovunque siano questi due elettroni, che quindi potrebbero essere ai capi estremi della galassia, o distanti miliardi di anni luce: l'atto della misura su uno dei due elettroni entangled, ha un effetto immediato e istantaneo anche sulla condizione dell'altro elettrone, ovunque esso sia nell'universo.

E questo - dice Einstein - è impossibile!

E' impossibile perché violerebbe uno dei principi sacrosanti non solo della fisica, ma più in generale del nostro modo di concepire e descrivere il mondo, anche senza sapere niente di fisica. Violerebbe la "località".

Località vuol dire che se compio un azione qui e adesso, affinché questa azione produca un effetto laggiù, qualcosa deve propagarsi fra qui e laggiù, e nel tempo che intercorre fra i due eventi. Qualcosa deve interconnettere localmente, punto per punto nello spazio e nel tempo, ciò che è avvenuto qui con ciò che si ripercuote laggiù. Non è possibile che quello che faccio qui e adesso svanisca e riappaia laggiù in un tempo successivo, senza che nulla sia avvenuto nel frattempo nello spazio che c'è fra qui e laggiù, e nel tempo che intercorre fra i due eventi.

Tutti i fenomeni che conosciamo, di qualunque tipo, rispettano questo principio, che si chiama appunto "principio di località". Questo fenomeno invece - dice EPR - lo violerebbe. E questo è impossibile.

E siccome, continua EPR, non ci credo neanche morto che possa essere violata la località, che è un cardine portante del nostro modo di descrivere tutto ciò che avviene, allora vuol dire - di nuovo - che la nostra conoscenza della meccanica quantistica è incompleta. Vuol dire che non conosciamo tutto, ci mancano dei pezzi, ci devono essere delle "variabili nascoste" che non conosciamo. Se conoscessimo questa parte che ci manca, continua EPR, come per il lancio della moneta scopriremmo che i due elettroni hanno già deciso in partenza come dovranno risultare a seguito della misura, e è solo la nostra ignoranza di come realmente funzionano i fenomeni quantistici che ci fa credere il contrario, e ci porta a concludere che venga violata la località. Se sapessimo tutto della meccanica quantistica, se conoscessimo queste variabili nascoste, scopriremmo che la località non viene affatto violata.

L'argomento EPR, quando fu proposto nel 1935, per certi versi cadde nel vuoto. I fisici in parte lo ignorarono, in parte non lo capirono, in parte lo snobbarono, sempre secondo il motto di "shut up and calculate". Se uno si va a leggere la risposta che Bohr, il guru della meccanica quantistica dell'epoca, diede a Einstein sull'argomento EPR (fonte), la reazione immediata che sorge spontanea è: "ma questo non aveva capito proprio!". La profondità e la sottigliezza del paradosso EPR deve aspettare quasi 30 anni per essere presa sul serio. Einstein nel frattempo muore.

Nel 1964 arriva John Steward Bell, un irlandese dell'Irlanda del Nord, che lavora nel gruppo teorico al Cern. John Bell prende un anno di congedo e nel frattempo mette a punto un "metodo" per mettere alla prova l'argomento EPR. Un metodo grazie al quale diventa possibile verificare sperimentalmente se i fenomeni quantistici sono realmente non locali, oppure, detto in poche parole, se gli elettroni sono d'accordo fin dall'inizio sull'esito delle misure, e quindi esistono variabili nascoste che rendono la meccanica quantistica così come la conosciamo una teoria incompleta, ed è solo per colpa di questa incompletezza che la località ci appare violata, mentre nella realtà essa viene preservata.

John Bell, formulando la "disuguaglianza" che prende il suo nome, ha l'immenso merito di trasformare quello che sembrava un problema puramente metafisico, come proposto da EPR, in un problema strettamente scientifico, proponendo un metodo per misurare, e quindi eventualmente falsificare le due ipotesi.

Nel 1964 non c'è ancora la tecnologia adatta per fare questo tipo di esperimento, e bisognerà aspettare una decina di anni. Oggi questi esperimenti sono stati effettuati una miriade di volte, in modi diversi e con tecniche sempre più raffinate. E il risultato è inequivocabile: i fenomeni quantistici violano la località. Gli esperimenti che utilizzano la disuguaglianza di Bell mostrano che nessun tipo di teoria a variabili nascoste che preservi la località è compatibile con i risultati sperimentali, risultati che al contrario sono perfettamente in accordo con le previsioni della meccanica quantistica in quanto teoria non locale.

John Bell muore improvvisamente il 1 ottobre del 1990, senza sapere che il comitato dei Nobel, che avrebbe reso noti i nomi dei vincitori di lì a pochi giorni, aveva già deciso di assegnargli il premio per la Fisica.

A questo punto abbiamo tutti gli ingredienti per capire dove nasce questo delirio sulla meccanica quantistica applicata nei campi più svariati, dal vino alla meditazione, dall'architettura alla medicina. E soprattutto abbiamo anche tutti gli ingredienti per capire dove questa gente sbaglia nel chiamare in causa la meccanica quantistica. Che siano in buona fede o in mala fede, la cosa cambia poco, perché in tutti i casi essi credono che la meccanica quantistica possa sdoganare scientificamente le loro frasi in libertà.

Vediamo dove sbagliano.

Innanzitutto l'utilizzo dell'entanglement per giustificare questa specie di olismo cosmico che caratterizza tante affermazioni, come ad esempio la dichiarazione del primario in psicologia riportata all'inizio, e addirittura l'intento di usarlo per curare le persone. Costoro basano le loro convinzioni partendo da fatto che l'entanglement mantiene una relazione fra due particelle, pur enormemente separate fra loro, tanto che una azione (una misura) compiuta su una delle due particelle si ripercuote immediatamente anche sulla condizione dell'altra, qualunque sia la distanza che le separa.

In una estrapolazione del tutto arbitraria, essi sostengono che l'entanglement indichi che tutto è in perennemente collegamento a tutto, e ogni azione che io compio si ripercuote ovunque nell'universo e allo stesso tempo tutto ciò che avviene nell'universo si ripercuote istantaneamente su di me e su tutti gli altri esseri dell'universo. Un volemosebene cosmico, insomma. Eh sì, perché l'olismo per i cazzari è sempre buono. L'olismo trasmette il bene, ma mai le cose orrende che pure continuamente avvengono nel mondo. Le molecole d'acqua si trasmettono olisticamente il ricordo di essere entrate in contatto con una molecola di principio attivo "buono", ma non si trasmettono mai il ricordo dei colibatteri.

L'errore in tutto questo sta innanzitutto nel non aver capito che il fenomeno dell'entanglement vale per coppie, o comunque per insiemi di particelle quantistiche opportunamente preparate. Non è che se prendo due elettroni a caso, questi sono entangled. Anzi, è vero il contrario! Ma oltre a questo, il  fenomeno avviene comunque solo su particelle o sistemi quantistici, e non su esseri umani di 90 chili! Ma su questo ci ritorneremo.

Non solo, ma questa gente ignora (non è colpa loro, non si può sapere tutto, ma bisognerebbe avere anche il buon senso e l'umiltà di chiedere a qualche esperto, se di mestiere fai lo psicologo e vuoi parlare di meccanica quantistica) che se si effettua una misura su una particella che è entangled con un'altra, le due particelle a quel punto smettono di essere entangled! La misura distrugge l'entanglement! A quel punto io posso prendere una delle due particelle, sbatterla contro il muro, schiacciarla sotto il tacco, modificarne il suo spin o il suo impulso, e l'altra particella non ne risentirebbe affatto! E' soltanto PRIMA della misura che sono entangled. La misura stessa fa cessare il loro essere entangled. 

Quindi non è affatto vero che tutto è in comunicazione perenne con tutto. In particolare la storia che si recita sull'equazione di Dirac (che comunque non c'entra nulla con l'entanglement, come descritto qui), secondo cui due esseri che sono stati uniti da qualcosa in passato (innamorati - ovviamente - la possibilità che uno facesse stalking all'altro non è nemmeno contemplata dagli olistici!) lo restano per sempre, è una sonora puttanata. La scemenza dell'equazione dell'amore! Non solo per la cosa in sé, ma anche perché la si vuole giustificare con l'entanglement quantistico, che dice invece proprio il contrario: lo stato di entanglement cessa di valere nel momento in cui compio qualunque azione su uno dei due elementi.

Ma andiamo avanti nell'elenco degli errori.

Una cosa che dicono spesso i cazzari (lo so, è brutto chiamarli così, ma per un fisico è difficile trovare un sinonimo adeguato, di fronte a certe scemenze) è che, siccome la misura su un sistema quantistico determina la condizione del sistema quantistico (ed è vero), e che, essendoci dietro la misura un misuratore, e quindi una mente pensante a interpretare i risultati, allora è la mente umana a determinare la realtà delle cose (vedi le dichiarazioni dello psicologo). Scemenza colossale. 

Infatti la misura in meccanica quantistica non implica affatto la presenza di un misuratore pensante. La misura è semplicemente l'interazione del sistema quantistico in questione con qualcos'altro, di dimensioni macroscopiche, ma non necessariamente. Anche l'interazione con un fotone può rappresentare una misura, addirittura senza che ci sia un'effettiva rivelazione dell'interazione stessa. Quindi la mente umana non c'entra proprio nulla, e è solo una sciocchezza messa in giro da chi vorrebbe dare all'uomo un ruolo di primo piano nell'universo, cosa che a certi piacerebbe moltissimo.

E' falsa anche perché l'universo è andato avanti da solo per quasi 14 miliardi di anni senza che nessuna "Mente" misurasse alcunché. Non è che l'universo ha aspettato l'homo sapiens, o peggio ancora i fisici quantistici, per darsi una configurazione decente. Noi sappiamo che già 13 miliardi di anni fa esistevano gli atomi, che si erano assemblati già da un pezzo, e sappiamo che quegli stessi atomi si erano uniti assieme a formare stelle e galassie, senza che nessun new ager fosse ancora in giro a scrivere libri sulla mente quantica e sul suo potere di decidere l'andamento delle cose.

Inoltre, e questo è l'aspetto cruciale, tutti questi fenomeni che rendono strano, affascinante e contro intuitivo il mondo dei quanti, cioè il mondo dell'estremamente piccolo, smettono di esistere nel mondo macroscopico! Il tavolo su cui sono appoggiato, se lo lascio qui e vado via, non è che se non lo guardo lui può andarsene ovunque nell'universo. Se nessuno lo sposta e torno fra 10 anni, trovo che ha lasciato il segno di polvere sul pavimento, che significa che lui non si è mai mosso!

Sebbene tutto sia fatto di atomi, che singolarmente obbediscono alle leggi della meccanica quantistica, tuttavia non devo rivolgermi alla meccanica quantistica per descrivere il comportamento di tavoli, sedie, montagne e esseri umani. Se così non fosse, se il mondo macroscopico obbedisse alle leggi della meccanica quantistica come i singoli atomi, se fosse vero che per esso vale il principio di sovrapposizione, e che soltanto a seguito di una misura un oggetto può assumere una posizione, una velocità o altre proprietà ben definite, col cavolo che Le Verrier avrebbe scoperto il pianeta Nettuno!

E quindi le regole del mondo quantistico semplicemente non si applicano al mondo macroscopico, cosa che peraltro è sotto gli occhi di tutti. Perché questo accada, e dove sia il "confine" fra quantistico e non quantistico, questo è tutto un altro paio di maniche, e è un problema su cui la scienza dibatte moltissimo. Ma che per un tavolino, un albero un moscerino o un essere umano non valga il principio di sovrapposizione o l'etanglement è semplicemente un dato di fatto.

E infine, è vero, come certi dicono, che l'entanglement quantistico permetterebbe di trasmettere segnali a velocità superiori a quelle della luce, violando quindi la teoria della Relatività? Sembrerebbe di sì, da quello che abbiamo detto. E non solo la velocità usata per la trasmissione sarebbe maggiore di quella della luce, ma sarebbe addirittura una trasmissione istantanea!

Invece no. L'entanglement non solo non permette di trasmettere informazioni a velocità superluminali, ma proprio non permette di trasmettere alcun tipo di informazioni, punto! Per capirlo, supponiamo che la misura dello spin SU o GIU' degli elettroni dell'esperimento sull'entanglement equivalga a ottenere un bit su o giù, 1 o zero. Noi facciamo la misura dello spin su un elettrone, e otteniamo zero o 1. Di conseguenza, se qualcuno decidesse di misurare lo spin dell'altro elettrone, otterrebbe 1 quando noi otteniamo zero, e zero quando noi otteniamo 1. Ma il punto è che noi non possiamo decidere quale sarà l'esito della nostra misura. Possiamo solo constatarlo dopo che abbiamo effettuato la misura! Questo dice la meccanica quantistica. Quindi, se misurassimo lo spin degli elettroni che ci arrivano, prodotti in modo entangled, otterremmo una serie del tutto casuale di 0 e 1, ovvero nessun tipo di informazione.

Allo stesso tempo, colui che decidesse di effettuare le misure sugli elettroni entangled ai nostri, che vanno dalla parte opposta, otterrebbe anche lui una serie del tutto casuale di 1 e zero. Non solo, ma non avrebbe nemmeno la possibilità di sapere che noi abbiamo effettuato misure sui nostri elettroni! A lui semplicemente arrivano elettroni, misura il loro spin, e ottiene risultati che corrispondono a una sequenza casuale di zero e 1. Lui non può dire altro in proposito. Non può sapere che quella serie di bit che ha trovato è il risultato del fatto che noi abbiamo effettuato, prima di lui, la misura sugli elettroni che andavano in direzione opposta, perché quella serie di bit da lui trovata è del tutto casuale, come sarebbe anche se noi non avessimo effettuato alcuna misura. Quindi, quello che sembra una trasmissione di informazioni istantanea, un modo di comunicare superluminale, di fatto non è in grado di trasmettere alcuna informazione. E' solo lo stato entangled che si manifesta per quello che è.

Concludo suggerendo un libro interessante che mi sento di consigliare, utile e molto comprensibile sulla meccanica quantistica e sull'uso improprio che se ne fa: "Il mondo quantistico. Errate interpretazioni, teorie improbabili e bufale quantiche", di Enrico Gazzola.


PS: alcuni new agers con l'infatuazione per i quanti citeranno a questo punto il libro "Il Tao della fisica" di Fritjof Capra, a supporto delle loro convinzioni. Capra era un fisico esperto di meccanica quantistica che, assieme ad altri suoi colleghi, negli anni 70, forse complice qualche sostanza di troppo, ha creduto di vedere nella meccanica quantistica analogie con la meditazione tibetana e le filosofie orientali, e altre discipline simili. Il mondo è bello perché e vario. Ecco quello che scrive capra nelle prime pagine del suo libro:
«Cinque anni fa ebbi una magnifica esperienza che mi avviò sulla strada che doveva condurmi a scrivere questo libro. In un pomeriggio di fine estate, seduto in riva all'oceano, osservavo il moto delle onde e sentivo il ritmo del mio respiro, quando all'improvviso ebbi la consapevolezza che tutto intorno a me prendeva parte a una gigantesca danza cosmica. […] Sedendo su quella spiaggia, le mie esperienze precedenti presero vita; «vidi» scendere dallo spazio esterno cascate di energia, nelle quali si creavano e si distruggevano particelle con ritmi pulsanti; «vidi» gli atomi degli elementi e quelli del mio corpo partecipare a quella danza cosmica di energia; percepii il suo ritmo e ne «sentii» la musica: e in quel momento seppi che questa era la danza di Siva, il Dio dei Danzatori adorato dagli Indù.»
(Il Tao della fisica, Adelphi, 1993, pp. 11-12)
A parte che queste sensazioni, senza invocare il Dio dei Danzatori, si possono provare anche dopo essersi scofanati una teglia di parmigiana di melanzane con sottofondo di Gran Premio automobilistico, queste analogie con le religioni orientali non hanno mai portato a niente di scientifico. Quasi tutti questi fisici hanno lasciato la fisica a livello professionale, e la loro deriva ascetica ha preso vie divergenti con la fisica stessa. Per quello che mi riguarda, il Tao della Fisica è un ottimo libro se uno ha un tavolino che non spiana. Ricordo di averlo abbandonato a metà, perché mentre lo leggevo mi chiedevo continuamente: "ma cosa cazxz sto leggendo!?!?" La frase citata sopra è solo un esempio dei tanti. Per fortuna nella scienza la validità di una teoria scientifica non si misura dal numero di copie che l'autore ha venduto.

Nota 1: non uso il termine stato, ma "condizione", perché nel gergo della meccanica quantistica lo "stato" di un sistema è in realtà perfettamente determinato, tramite la funzione d'onda. Lo stato del sistema, cioè la funzione d'onda, evolve nel tempo in modo perfettamente deterministico secondo quanto previsto dall'equazione di Schrödinger, descrivendo come variano nel tempo le probabilità di trovare il sistema stesso a seguito della misura. L'atto della misura, però, causa il cosiddetto "collasso della funzione d'onda", e cioè il fatto che, fra tutte le possibili configurazioni finali, una sola ne viene scelta, in base alle probabilità che esse hanno di avverarsi. Questo processo di "scelta", avviene in modo casuale, e la meccanica quantistica non ci descrive come avvenga realmente.

Nota 2: il paradosso EPR nella formulazione originale è diverso, ma concettualmente identico a quello descritto qui. In questo caso ho anche cercato di semplificare la descrizione dell'esperimento ideale, eliminando tutti quegli aspetti che non hanno direttamente a che fare con la questione. Questo potrebbe togliere un po' di rigore, ma certamente aiuta per la comprensione.