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Fisica quantistica, teoria della relatività, spazio, citazioni. L'universo non avrà più segreti dopo aver visitato questa sezione.

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particle accelerator 1903642 640 - Cos'è e come funziona un acceleratore di particelle
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Cos’è e come funziona un acceleratore di particelle

Prima di illustrarvi in cosa realmente consista un acceleratore di particelle vorrei parlarvi della famosa equazione E=mc^2. Scommetto l’avrete intravista su molte magliette. Einstein ci ha insegnato che qualsiasi particella avente una benché minima massa viaggerà sempre e comunque più lentamente della velocità della luce; è un dato di fatto che solo il fotone riesca a raggiungere tale velocità solo perché la sua massa è zero. Il perché è presto detto: conseguenza della equazione iniziale, se un minuscolo elettrone raggiungesse la velocità della luce arriverebbe ad avere una massa infinita, quindi più di quella dell’intero universo! Ciò tra l’altro ci permette di riflettere riguardo al fatto che secondo le leggi della fisica conosciuta, è praticamente impossibile lanciare una astronave, la cui massa non sarebbe ovviamente nulla, in viaggi interstellari a tale velocità limite. Ma tornando agli acceleratori di particelle: cosa sono e cosa li lega alle considerazioni di Einstein? Gli acceleratori di particelle sono laboratori costruiti essenzialmente per studiare le particelle, costituiti da grandi tunnel sotterranei a forma di anello, all’interno dei quali le particelle vengono accelerate tramite campi magnetici, a velocità che potremmo definire davvero vertiginose. In tali tunnel si fanno esperimenti su particelle talmente piccole da non poter essere …

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einstein - L'universo è una complicata rete di relazioni tra le varie parti di un tutto unificato
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L’universo è una complicata rete di relazioni tra le varie parti di un tutto unificato

La meccanica quantistica ci costringe a vedere l’universo non come una collezione di oggetti fisici separati, bensì come una complicata rete di relazioni tra le varie parti di un tutto unificato. Questo, peraltro, è anche il tipo di esperienza che i mistici orientali hanno del mondo, e alcuni di essi hanno espresso tale esperienza con parole che sono quasi identiche a quelle usate dai fisici atomici. Da: L’evoluzione della fisica, saggio del 1938, scritto da Albert Einstein e Leopold Infeld.

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titan touchdown 260x165 - La discesa della sonda Huygens verso Titano
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La discesa della sonda Huygens verso Titano

Nel 2005 la sonda Huygens dell’ESA ha compiuto la sua discesa verso la superficie della sabbiosa luna di Saturno: Titano. Portata fino a Saturno dalla sonda Cassini della NASA, Huygens ha fatto l’atterraggio più distante mai avvenuto, l’unico atterraggio su un corpo del sistema solare esterno. Questo video utilizza immagini reali scattate dalla sonda durante la sua caduta di due ore e mezza. Per maggiori informazioni è possibile visitare il seguente link: https://saturn.jpl.nasa.gov/mission/spacecraft/huygens-probe/ Credits: NASA

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esperimento LUX 260x165 - Esperimento LUX: della materia oscura nemmeno l'ombra
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Esperimento LUX: della materia oscura nemmeno l’ombra

Parliamo dell’esperimento LUX, uno degli esperimenti tesi ad osservare particelle di materia oscura e basato su strumenti tra i più sensibili al mondo in questo campo di ricerca: purtroppo anche questa volta nulla di fatto, il risultato è negativo. A conferma dell’esito di un esperimento analogo condotto pochi mesi fa dalla collaborazione PandaX-II a Sichuan, in Cina, i cui risultati sono stati pubblicati nel settembre 2016. Ora i dubbi sulla validità del modello teorico attualmente più accreditato per spiegare la composizione della materia oscura si fanno atroci. A seguire il link ad un articolo pubblicato su Physical Review Letters che ne discute abbondantemente. Ma in cosa ha consistito l’esperimento? Il cuore della prova che si è svolta in South Dakota è una grande vasca (detta “camera a proiezione temporale”) contenente xenon liquido ultrapuro. L’interazione tra una particella di materia oscura o ordinaria con gli atomi di xenon può generare fotoni (i quanti di luce). Essi, raccolti da appositi rivelatori disposti alle estremità della camera, a seconda delle “firme” lasciate (il percorso dei fotoni è diverso a seconda che lo xenon interagisca con particelle di materia oscura o di materia ordinaria), danno modo ai ricercatori di riconoscere l’eventuale passaggio di materia oscura. …

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moon cat 260x165 - Misura nella meccanica quantistica: verifica o generazione della realtà? Una ipotesi.
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Misura nella meccanica quantistica: verifica o generazione della realtà? Una ipotesi.

Poco prima della sua scomparsa, avvenuta nel 1990, John Stewart Bell pubblicò su “Physics World” un interessante articolo dal titolo “Against ‘measurement’” (contro la ‘misura’); una sorta di saggio dedicato al tema cardine della meccanica quantistica: “la misura nella meccanica quantistica consiste in un atto di verifica o concorre alla generazione della realtà fisica”? Abraham Pais rivelò la questione con parole semplici: Deve essere stato attorno al 1950. Camminavamo, io e Einstein, lungo la strada che dall’Institute for Advanced Study conduceva alla sua abitazione, quando a un tratto egli si fermò. “Veramente è convinto – mi chiese – che la Luna esista solo se qualcuno la guarda?”. La domanda sembrerebbe banale, eppure non lo è. Nessuno di noi dubiterebbe riguardo il fatto che la Luna è lì a prescindere dal fatto che noi la osserviamo o meno, non accade ciò però nel mondo dei quanti. La ‘Luna quantica’ non è lì – in un punto preciso dello spazio e con una velocità definita – se qualcuno non la guarda. Nel mondo dei quanti la misura è un’operazione che genera la realtà. Ma perché, per citare il gatto di Schrödinger, esso riesce a trovarsi sempre e solo in un unico stato? …

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pianeta 260x165 - Cos’è il red shift?
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Cos’è il red shift?

Vi siete mai chiesti il motivo per cui la teoria del big bang è considerata molto attendibile? Beh, uno dei motivi è da ricercarsi nelle caratteristiche dell’effetto Doppler. Pensate alla sirena di un’ambulanza. Essa inizierà ad essere percepita più alta quando è in corsa passando accanto all’osservatore e continuerà ad essere avvertita più bassa mentre si allontana dall’osservatore. Per le galassie essenzialmente accade qualcosa di simile. L’effetto Doppler, comune a tutte le onde, fu previsto per la prima volta dal fisico tedesco C. Doppler (1803-1853) per le onde sonore. Esso consiste in un cambiamento della frequenza (numero di oscillazioni al secondo) di un’onda, rilevato quando la sorgente dell’onda e un osservatore sono in movimento l’una rispetto all’altro. L’esempio dell’ambulanza è calzante. In caso di avvicinamento la frequenza aumenta – avremo più onde nell’unità di tempo, mentre nel caso di allontanamento si avrà una diminuzione di onde nell’unità di tempo. Ma cosa ha a che vedere con le galassie questo curioso fenomeno? Vengo al punto. L’effetto Doppler si manifesta per qualsiasi fenomeno ondulatorio, anche per la luce, provocando in questo caso variazioni di colore. La luce di una stella che si avvicina a noi ha una frequenza più elevata; tale situazione concorre …

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Richard Feynman 200x165 - Fisica e biologia
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Fisica e biologia

L’ipotesi più importante di tutta la biologia, per esempio, è che tutto ciò che gli animali fanno, lo fanno gli atomi. In altre parole, non vi è nulla che gli esseri viventi facciano che non possa essere inteso partendo dal punto di vista che essi sono composti di atomi i quali agiscono secondo le leggi della fisica. (da La Fisica di Feynman, volume I-1, cap. 1-3, 1994, p. 1-13) Richard Phillips Feynman (1918 – 1988), scienziato statunitense, premio Nobel per la fisica.  

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bigbang - E se l'universo fosse sempre esistito?
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E se l’universo fosse sempre esistito?

E se il Big Bang non fosse mai esistito? Una teoria, basata su un’equazione quantistica, propone un modello che lo nega. L’universo sarebbe infatti un fluido di gravitoni senza inizio né fine. Non tutti sanno infatti che uno studio pubblicato nel Febbraio del 2015 su Physics Letters B, avanza un’ipotesi abbastanza bizzarra: la nuova ricerca applica una “correzione quantistica” per integrare la teoria della relatività generale di Einstein, definendo di fatto un nuovo modello cosmologico. La cosa molto interessante è che questo nuovo studio eliminerebbe il problema derivante dalla singolarità che emerge dal modello cosmologico più diffuso, il quale riesce a spiegare cosa sia successo dopo il Big Bang, ma non nel momento esatto. Di fatto eliminerebbe il conflitto costante presente nel momento in cui la fisica classica tenta di conciliarsi con quella quantistica. «La singolarità è il problema più serio della relatività generale, perché lì le leggi della fisica perdono di significato», spiega Ahmed Farag Ali , uno dei due autori della ricerca (l’altro è Saurya Das). Secondo i due fisici, la singolarità può essere “risolta” dal loro modello, “semplicemente” con il fatto che il Big Bang non esiste, l’universo non ha inizio e, conseguentemente, non avrà fine. L’Universo …

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Richard Feynman 200x165 - La fisica quantistica supera l'immaginazione
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La fisica quantistica supera l’immaginazione

La nostra immaginazione è tesa al massimo; non, come nelle storie fantastiche, per immaginare cose che in realtà non esistono, ma proprio per comprendere ciò che davvero esiste. (citato all’inizio di Wheeler, Taylor, “Fisica dello spazio-tempo”) Richard Phillips Feynman (1918 – 1988), scienziato statunitense, premio Nobel per la fisica.  

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universe 11636 640 - Il destino dell'universo
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Il destino dell’universo

Concordiamo sul fatto che quasi tutti gli scienziati siano d’accordo sulla questione che l’universo abbia avuto origine dal big bang. Ma riguardo al suo futuro (ed alla sua fine), esistono altrettante certezze? Riguardo questa spinosa questione, c’è da considerare che le galassie e gli ammassi stellari sono soggetti a due forze che praticamente si fronteggiano da quando l’universo è nato. La forza di attrazione gravitazionale, che tenderebbe a far collassare l’universo su se stesso, e la spinta di espansione del Big Bang, che esercita una funzione praticamente contraria. Un po’ come le principali due forze antagoniste presenti nei gatti: la pigrizia, che impedirebbe loro di procacciarsi da mangiare, e la loro bramosia di cibo che alla fine li fa sprona comunque a farlo. L’equilibrio tra le due forze consente al gatto di non esplodere, satollo, come una supernova. Il punto ora è capire: quale delle due vincerà? Essenzialmente sembra che la risposta sia complessa, in quanto c’è da considerare quanta massa esattamente l’universo contenga. Considerando quella del mio gatto, la forza gravitazionale sembrerebbe dover vincere a tavolino, ma vedremo più avanti come il quesito possa prestarsi a responsi davvero non banali. Gli astronomi a riguardo si sono organizzati ed hanno definito …

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espansione universo 260x165 - Se l’universo è in espansione, in cosa si espande?
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Se l’universo è in espansione, in cosa si espande?

La confusione circa la domanda presente nel titolo deriva probabilmente dal fatto che si tende ad assimilare il big bang come una esplosione analoga a quella che potremmo osservare sulla Terra. Una granata esplode, ed a causa del limite insito nell’ambiente circostante il calore generato non può essere dissipato del tutto, il risultato è un aumento della temperatura, un aumento della la velocità di reazione, quindi un corrispondente aumento nella velocità di produzione del calore. Tutto ciò causa la localizzata liberazione di energia ed i conseguenti eventuali danni fisici a cose o persone. Certo è ovvio, le nostre intuizioni riguardo lo spazio sono costruite in base alla nostra esperienza ed è quindi chiaro che un atteggiamento del genere è del tutto ragionevole e giustificabile. Il problema però è che l’universo non si sta espandendo in qualcosa, si sta solo espandendo. Una analogia spesso utilizzata per spiegare tale concetto è spesso quella dell’uvetta presente in un panettone che lievita. Oppure quella di un palloncino con disegnati tanti puntini sulla sua superficie: gonfiatelo fino a farlo esplodere e mano a mano che lo gonfiate vedrete che tutti i punti (nel nostro caso le galassie) si allontanano gli uni dagli altri.

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wormhole 739872 640 - Cosa è un cunicolo spazio-temporale o wormhole?
Scienza

Cosa è un cunicolo spazio-temporale o wormhole?

Un ponte di Einstein-Rosen o cunicolo spazio-temporale, detto anche wormhole (in italiano letteralmente “buco di verme”, maltradotto in modo poco attinente col termine galleria di tarlo o cunicolo di tarlo), è una ipotetica scorciatoia che collega regioni lontane dell’universo. Definiti dal famoso fisico britannico Stephen Hawking (autore del libro Dal Big Bang ai buchi neri) come delle vere e proprie macchine del tempo cosmiche, i cunicoli possono anche collegare universi paralleli o neonati e si pensa quindi che possano rappresentare uno dei principali mezzi per viaggiare nel tempo (c’è da segnalare comunque come molti altri scienziati continuino a ritenere queste speculazioni come assurde). Essenzialmente la loro esistenza è prevista in due differenti macrotipologie: I cunicoli spazio-temporali intra-universo, i quali connettono una posizione con un’altra dello stesso universo in un tempo differente.Questi tipi di cunicoli, una sorta di tunnel gravitazionali, dovrebbero poter connettere punti distanti nell’universo a causa delle deformazioni spaziotemporali, permettendo di viaggiare tra gli estremi in tempi estremamente ridotti rispetto a percorrere lo stesso viaggio nello spazio consueto. I cunicoli spazio-temporali inter-universo, i quali collegano un universo ad un altro differente e sono definiti wormhole di Schwarzschild.Una sorta di tunnel spazio-temporali da utilizzare per viaggiare da un universo ad un altro parallelo …

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science kombat game - Science Kombat, un videogioco dove a combattere sono gli scienziati
Frivolezze

Science Kombat, un videogioco dove a combattere sono gli scienziati

Vi siete mai chiesti cosa accadrebbe se i più grandi scienziati di tutti i tempi decidessero di darsele di santa ragione? Ovviamente no. Eppure qualcun altro se lo è chiesto (il giornale brasiliano Superinteressante Magazine), anzi di più, ha ben pensato di ideare “Science Kombat”, gioco in cui Einstein si sposta alla velocità della luce, Marie Curie ti stordisce con il radio e Tesla ti fa fuori in un secondo. I personaggi in totale sono otto (Albert Einstein , Charles Darwin, Nikola Tesla , Isaac Newton , Stephen Hawking , Pitagora , Alan Turing, Marie Curie) ed ognuno si distingue per le proprie peculiari caratteristiche (che vi invito a scoprire). Difficile da credere, quindi proprio per questo vi riporto uno dei tanti link al gioco scovati sulla rete (ne troverete diversi, tutti ovviamente equivalenti):http://games.mi9.com/play_science-kombat/it Ed ora che si dia inizio ai combattimenti!  

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multiverso - Il multiverso
Scienza

Il multiverso

Il multiverso è una ipotesi scientifica che postula l’esistenza di universi coesistenti e alternativi al di fuori del nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele. Il termine fu coniato nel 1895 dallo scrittore e psicologo americano William James. Il concetto di universi paralleli fu poi certamente ripreso da parecchi scrittori di fantascienza, divenendo praticamente un classico del genere. Dal punto di vista filosofico, l’ipotesi è antica, ma da un punto di vista scientifico, il concetto di multiverso fu proposto in modo rigoroso per la  prima volta da Hugh Everett III nel 1957 nella interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica. E’ doveroso premettere che l’ipotesi si colloca attualmente nella scienza di confine, ma è talmente affascinante che devo assolutamente parlarvene. Tra i sostenitori di almeno uno dei modelli del multiverso ci sono comunque Stephen Hawking, Steven Weinberg, Brian Greene, Michio Kaku, Neil Turok, Lee Smolin, Max Tegmark, Andrej Linde e Alex Vilenkin. Non proprio gli ultimi arrivati. Il concetto di multiverso, quello proposto da Hugh Everett III nella sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, abbreviata in MWI), prevede essenzialmente che che ogni misura quantistica porti alla divisione dell’universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati …

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laser 63190 640 - Cos'è l'entanglement quantistico?
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Cos’è l’entanglement quantistico?

Cos’è l’entanglement quantistico? Ecco, voi appassionati di fisica quantistica sono sicuro che almeno una volta ve lo sarete chiesti. Wikipedia riporta: “L’entanglement quantistico o correlazione quantistica è un fenomeno quantistico, privo di analogo classico, per cui in determinate condizioni lo stato quantico di un sistema fisico non può essere descritto singolarmente, ma solo come sovrapposizione di più sistemi. Da ciò consegue che la misura di un’osservabile di uno determina istantaneamente il valore anche per gli altri.” Chiarissimo. Forse. Ok, provo a spiegarvelo meglio. Il fenomeno dell’entanglement, termine traducibile con qualcosa del tipo “intreccio-non-separabile” (ma che sta tra l’altro anche a significare “situazione imbarazzante”), è un fenomeno quantistico in cui lo stato quantico di due oggetti risulta strettamente dipendente l’uno dall’altro, anche se questi oggetti sono separati spazialmente. Un pochino meglio, ma approfondiamo. L’esempio classico usato per descrivere questo strano fenomeno è un sistema costituito da due particelle (tipicamente due elettroni appartenenti allo strato più esterno di un atomo o di una molecola), che hanno la caratteristica di mantenere sempre i loro spin in direzione opposta. Immaginate l’atomo ed il suo nucleo, ed immaginate che la zona attorno a quest’ultimo non possa contenere che al massimo due elettroni. Per di più le …

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sole 260x165 - Arte termonucleare
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Arte termonucleare

Il Sole è sempre splendente. Oltre a mantenere in vita tutti noi, esso invia un flusso costante di particelle chiamato vento solare ed esplode di tanto in tanto con delle nubi giganti di materiale solare chiamate brillamenti solari. Questi eventi possono davvero sconcertare il nostro ambiente. Nello spazio, il NASA Solar Dynamics Observatory, o SDO, tiene d’occhio la nostra stella più vicina ventiquattro ore su ventiquattro, sette giorni su sette. SDO cattura immagini del sole in 10 differenti lunghezze d’onda, ciascuno delle quali contribuisce ad evidenziare una temperatura differente. Nel video sono riportate immagini del sole con un dettaglio senza precedenti. Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center

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fractal 1280076 640 - Studi in corso per i computer quantistici
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Studi in corso per i computer quantistici

Secondo “Le scienze”, edizione italiana di “Scientific American”, i computer quantistici sarebbero a un passo dalla realtà e l’anno 2017 potrebbe essere finalmente l’anno della svolta. Google, Microsoft e una serie di start up e laboratori di ricerca stanno facendo davvero a gara per migrare il calcolo quantistico da ambito di ricerca pura verso la distribuzione di vere e proprie applicazioni concrete. L’innovazione sarebbe davvero sostanziosa ed il perché è presto detto: i computer classici (quelli che al momento utilizziamo) codificano le proprie informazioni sotto forma di bit, i quali possono assumere uno di due stati, 0 o 1.I “qubit” dei computer quantistici invece, avrebbero la possibilità di trovarsi in una condizione di “sovrapposizione” di quei due stati. Questo, insieme alla capacità degli stessi di condividere uno stato quantico chiamato entanglement, darebbe loro la possibilità di eseguire molti calcoli in una sola volta. In linea di principio, si otterrebbe una una accelerazione esponenziale della potenza di calcolo disponibile. L’articolo che riportiamo in calce illustra inoltre le varie ipotetiche implementazione su cui sono in corso studi: http://www.lescienze.it/news/2017/01/06/news/calcolo_quantistico_sfidaricerca_ingegneria-3373152/

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ISS dicembre 260x165 - Dicembre 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale
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Dicembre 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale

Questo eccezionale documento video è stato registrato il 29 Dicembre del 2011 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale sopra l’Africa Centrale durante lo svolgersi di tempeste locali. La tecnica utilizzata per realizzare questi video è denominata “time-lapse”, una tecnica cinematografica nella quale la frequenza di cattura di ogni fotogramma è molto inferiore a quella di riproduzione. A causa di tale diversità, la proiezione con un frame rate standard di 24 fps fa sì che il tempo, nel filmato, sembri scorrere più velocemente di quanto accada normalmente.

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werner heisenberg 156004 640 - Cosa causa il “realizzarsi della realtà?”
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Cosa causa il “realizzarsi della realtà?”

Partiamo dal principio di indeterminazione e vediamo come questo porti a profonde ripercussioni sulla realtà. Avete mai sentito parlare di Planck? Sono sicuro di si. Ecco, questo signore (premio Nobel per la fisica nel 1918), formalizzò la seguente legge (la famosa Legge di Planck), portando di conseguenza ad uno stravolgimento nel modo di porsi di fronte alla misurazione nella fisica delle particelle elementari: L’energia associata a una radiazione elettromagnetica è trasmessa in pacchetti discreti chiamati quanti, ciascuno dei quali è associato a un singolo fotone. Detta così, pare dire niente, ma pensateci bene. Qualsiasi misurazione voi facciate, questa darà sempre luogo ad una importante modifica nel sistema atomico osservato, visto che il più piccolo “mezzo” necessario all’osservazione (avente come costante di Planck il suo valore minimo) comporta una perturbazione affatto trascurabile! Ogni interazione non è più riducibile ad una mera registrazione del valore della grandezza misurata, ma comporta una importante modifica anche del sistema, che non è eliminabile né praticamente, né concettualmente. Ora la domanda che potremmo porci è: cosa causa il “realizzarsi della realtà?” Più precisamente, il collasso della funzione d’onda è causato dall’atto del misurare, oppure la riduzione della funzione d’onda si verifica a livello della coscienza di …

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einstein - Nella meccanica quantistica, la rappresentazione della realtà non è cosi facile.
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Nella meccanica quantistica, la rappresentazione della realtà non è cosi facile.

Prima dell’avvento della fisica quantistica, non c’era alcun dubbio in proposito: nella teoria di Newton, la realtà era rappresentata da punti materiali nello spazio e nel tempo; nella teoria di Maxwell, dal campo nello spazio e nel tempo. Nella meccanica quantistica, la rappresentazione della realtà non è cosi facile. Alla domanda se una funzione ψ della teoria quantistica rappresenti una situazione reale effettiva, nel senso valido per un sistema di punti materiali o per un campo elettromagnetico, si esita a rispondere con un semplice «sì» o «no». Perché? Einstein fu molto scettico riguardo i meccanismi insiti nella fisica quantistica. Egli infatti continuerà per vari anni a provare a confutare il principio di indeterminazione. I fatti dimostrano (per ora) che Einstein aveva torto.

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piastre - Effetto Tunnel
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Effetto Tunnel

Una delle proprietà più straordinarie dei quanti è rappresentata dal cosiddetto “Effetto Tunnel”. Nella meccanica classica è intuitivo che una particella non possa superare un ostacolo se non ha l’energia necessaria per farlo. Peggio ancora se parliamo di corpi. Ad esempio se un gatto non ha la forza per sfondare un muro di mattoni, non potrà mai essere trovato al di là di quella parete. Ciò però non accade nella fisica quantistica. Nel mondo quantistico la funzione d’onda di una particella, prevede una probabilità, piccola ma concreta, di attraversare spontaneamente una barriera più alta dell’energia posseduta dalla particella stessa. In sostanza un elettrone collocato in una scatola chiusa, può trovarsi, ad un certo punto, fuori dalla scatola stessa, in modo del tutto spontaneo. Pensateci. L’effetto tunnel è una conseguenza diretta del principio di indeterminazione di Heisenberg. Altrimenti potreste teoricamente poter confinare una particella in uno spazio molto stretto e quindi ridurre l’incertezza sulla sua posizione. Questo effetto, impossibile per la fisica classica, non solo è stato ampiamente dimostrato, ma permette, tra l’altro, anche il funzionamento delle memorie flash per computer (un approfondimento riguardo tale tipologia di memoria è presente su wikipedia: https://it.wikipedia.org/wiki/Memoria_flash).

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