Universo quantistico

Oggetto: Universo quantistico Ven Mag 09, 2008 11:59 am

Universo quantistico (parte I)

redazione ECplanet

In meccanica quantistica, il “computer quantico universale” o “universal quantum Turing machine” (UQTM) è una macchina teorica che combina la tesi di Church-Turing (secondo cui se un problema si può calcolare, allora esisterà una macchina di Turing, ovvero un computer, in grado di risolverlo, cioè di calcolarlo) con le leggi quantistiche.

È stato proposto per la prima volta nel 1985 dal fisico David Deutsch della Oxford University che suggerì delle “porte quantistiche” che avrebbero potuto funzionare al posto delle tradizionali porte logiche associate alla computazione digitale binaria. L'idea, insieme a quella di Richard Feynman di sfruttare il fenomeno quantistico della sovrapposizione di stati delle particelle subatomiche (entanglement), ha portato alla concezione moderna di “qubit” - bits quantistici - e computazione quantistica.

I

mmagine: sethlloyd (illustrazione di Chuck Anderson/NOPATTERN basata su una fotografia di Donna Coveny. Credits: Wired News)

Ad un paio di decenni di distanza, Seth Lloyd, professore al MIT di ingegneria meccanico-quantistica, sostiene nel suo ultimo libro, “Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes On the Cosmos”, che la macchina quantistica di Turing universale altro non è che l'universo stesso, una sorta di mega-computer a stati quantici, e di sapere come programmarlo. Seguono alcuni brani dell'intervista rilasciata da Lloyd a Kevin Kelly, guru di Wired e autore di “Out of Control Nuova Biologia delle Macchine dei Sistemi Sociali e dell'Economia Globale”. (Urra Apogeo)

“L'Universo computa se stesso. Computa il flusso di un succo d'arancia mentre lo beviamo, computa la posizione di ogni atomo nelle nostre cellule. Quando manipoliamo la materia o la luce per costruire un computer quantistico è come se stessimo 'piratando' il sistema esistente. È come 'dirottare' la computazione che già avviene nell'universo, così come un hacker viola i computers altrui”.

Stai parlando forse di una sorta di Matrix ?

“No. Tutto quello che vedi nella matrice è un falso, una simulazione digitale, è solo una facciata di ciò che di reale c'è dietro. Il nostro universo invece è una simulazione così esatta che è indistinguibile dalla realtà. È un grande computer meccanico-quantistico. Questa non è un'idea nuova, o una mia idea. La nozione di universo quantistico è vecchia come 'The Last Question' di Isaac Asimov, o i lavori di Ed Fredkin e Konrad Zuse negli anni '60”.

“Quando insegno la programmazione ai miei allievi, dico loro che tutto nell'universo è fatto di bits, zeri e uni, pezzetti di informazione. Mia figlia Zoey dice: 'No papà, tutto è fatto di atomi, eccetto che la luce'. E io le rispondo: 'Sì, Zoey, ma gli atomi sono anche informazione'. Puoi pensare agli atomi anche come dei vettori che trasportano bits di informazione, oppure puoi pensare ai bits di informazione come trasportatori di atomi. È la relazione tra energia e materia scoperta da Einstein. L'informazione corrisponde a energia, gli atomi alla materia. Ma le due cose non sono separabili”.

Dunque, “tutto è computabile” ?

“I computers costituiscono al momento la migliore metafora, con cui possiamo descrivere tutto. La realizzazione che il mondo è informazione si deve alla meccanica statistica, alla base di tutta la chimica. La definizione matematica di informazione si deve invece a Claude Shannon e Norbert Weiner, che tra gli anni '30 e '40 hanno fondato la teoria dell'informazione. Senza dimenticare il lavoro fondamentale di James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann che nel corso del Novecento hanno esplorato la natura dell'atomo, lavorando sulla termodinamica, scoprendo che il mondo è costituito da informazione”.

Si può anche dire che l'universo è una grande mente ?

“Si può usare anche questa metafora. In questo modo, tutto diventa pensiero, le persone, gli animali, le cose. Ma, purtuttavia, la grande maggioranza del pensiero dell'universo riguarda sempre sottili vibrazioni e collisioni di atomi”. Sembri voler dire che il concetto di universo come un grande computer quantistico non sia solo una metafora, ma una realtà...

“Assolutamente. Atomi ed elettroni sono come bits che entrano continuamente in collisione. L'universo è un sistema in cui gli specifici dettagli e le specifiche strutture sono create dalla de-coerenza quantistica, quando i qubits - bits quantistici - scelgono un percorso tra i molteplici possibili. Questo processo corrisponde alla computazione quantica. In questo senso intendo la programmazione dell'universo”.

Sarà. Rimangono sempre dei quesiti insoluti e forse insolubili. Chi è il programmatore ? Chi scrive il software ? Chi sceglie ? Chi o che cosa dà forma all'universo-multiverso ? E a quale scopo ?

“DATI INSUFFICIENTI PER UNA RISPOSTA SIGNIFICATIVA”, rispose l'AC Cosmico.

Fonte: Wired News Marzo 2006

Universo quantistico (parte II)

Gabriel Yulaw, ex agente del Multiverse Bureau of Investigation, la sezione investigativa del “Multiverso”, attraversa 123 universi dando la caccia alle sue “vite alternative”. Ogni volta che ne uccide una, i suoi alterego superstiti ne assorbono l'energia, acquistando poteri soprannaturali. Eliminando “se stesso” in ogni universo, Yulaw persegue con furia omicida il suo obiettivo finale: essere l'unico.

Il doppio di Yulaw, meglio conosciuto come Gabe, è l'ultima forma di vita alternativa che lo separa dal suo obiettivo finale. Marito ideale e onorato veterano del Dipartimento Sceriffi della Contea di Los Angeles, Gabe vede sconvolta la propria vita quando Yulaw, braccato dalla polizia del Multiverso, entra nel suo universo. Per salvarsi, non gli basterà eliminare il suo doppio...

(“The One”, James Wong, 2001)

David Deutsch e colleghi della University of Oxford hanno presentato le equazioni chiave della meccanica quantistica che descrivono la matematica degli universi paralleli. “Si tratta di uno dei lavori più importanti nella storia della scienza”, ha detto Andy Albrecht, unfisicodella University of California.

Oggetto: Universo quantistico Ven Mag 09, 2008 11:59 am

L'indeterminazione quantistica permette di prevedere solo la probabilità di misurare determinati valori all'atto dell'esperimento. Secondo la meccanica quantistica, le particelle non osservate sono descritte come “funzioni d'onda” o “onde di probabilità”, perché rappresentano una serie di stati probabili (la dualità onda-particella è una caratteristica fondamentale, ndr). Quando un osservatore fa una misurazione, in qualche modo determina la natura corpuscolare della particella che si posiziona secondo una delle multiple opzioni. Il team di Oxford guidato da David Deutsch ha mostrato matematicamente come la natura probabilistica degli esiti quantistici può spiegare la struttura multiversale degli universi paralleli.

Secondo Deutsch, che è uno dei padri della computazione quantistica, la possibilità di realizzare computer quantistici costituisce la prova sperimentale dell'esistenza di una iper-struttura cosmologica “multiversale”. Per “multiverso” si intende un insieme di universi alternativi al di fuori del nostro spazio-tempo, spesso denominati dimensioni parallele o universi paralleli, che nascono come possibile conseguenza di alcune teorie scientifiche, o fanta-scientifiche, come la teoria dell'Inflazione eterna di A. Linde o quella secondo cui da ogni buco nero esistente nascerebbe un nuovo universo, ideata dal fisico Lee Smolin (le dimensioni parallele sono contemplate in tutti i modelli correlati alla teoria delle stringhe).

Il nostro universo è nato per effetto di costanti naturali fissate al tempo del Big Bang, come la carica dell'elettrone o la velocità della luce, straordinariamente calibrate per favorire la nascita del mondo in cui viviamo. Se la gravità fosse stata leggermente più forte, le stelle avrebbero bruciato il loro combustibile nucleare in meno di un anno. Se invece la forza che tiene uniti gli atomi fosse stata più debole, gli astri non sarebbero neanche esistiti. Insomma, la vita nell'Universo, e in particolare sulla Terra, è il risultato di circostanze così specifiche e di condizioni così restrittive, da essere considerato di per sé un evento altamente improbabile (principio antropico). Ammettere che si formino di continuo interi universi, ognuno con caratteristiche del tutto casuali, aumenterebbe la probabilità statistica che, tra i tanti, possa nascere un Universo con le condizioni giuste per generare l'uomo così com’è. Questa è l'idea del “multiverso” o universo quantistico.

Lee Smolin ha addirittura azzardato una teoria sull'origine e l'evoluzione degli universi in termini di selezione naturale. Secondo la sua teoria, ogni qualvolta che da un universo ne nasce un altro, le leggi fisiche si modificano un po', come avviene per gli esseri viventi. Così ci sono universi che nascono e si estinguono in breve tempo. Questa idea è basata sulla constatazione della meccanica quantistica che a livello microscopico la particella è come se interferisse con una “controparte”, invisibile, oscura, ma reale. Se queste piccole particelle hanno tutte una controparte, ne deriva che anche gli oggetti più grossi hanno a loro volta una controparte. Queste due realtà potrebbero non essere alternative, ma verificarsi entrambe: il minimo cambiamento nello stato di una particella subatomica crea una biforcazione nella storia dell’Universo, generando una rete pressoché infinita di mondi, tutti dotati di una propria concretezza.

Può darsi che esistano infiniti altri universi, e che fra gli altri mondi e il nostro avvengano scambi, separazioni ed intersezioni che forse un giorno si riusciranno a rivelare. Le cosiddette costanti universali, come la velocità della luce, forse non sono così costanti, né così universali. Lo sostiene uno dei fondatori della teoria delle stringhe, Leonard Susskind, dell'Università di Stanford (California). Il suo libro “Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design”, illustra il concetto di “multiverso”: l'universo in cui viviamo sarebbe solo uno dei tanti universi che compongono il multiverso, ognuno con diverse costanti fondamentali.

La visione cosmologica convenzionale non permette di interpretare il nostro spazio (o spazio-tempo) come immerso all'interno di qualcos'altro: lo spazio-tempo costituisce la totalità assoluta e completa di ciò che esiste. Secondo la teoria delle stringhe, invece, il nostro spazio è immerso in qualcosa di più grande: un volume multidimensionale (bulk) dove lo spazio-tempo in cui viviamo rappresenta solo una piccola parte della totalità dell'universo (identificata con il bulk).

Il punto debole di questa affascinante teoria è sempre stata la verifica sperimentale: nessuno finora è mai tornato da un universo parallelo, se non nei racconti fantastici. Secondo Susskind, però, un indizio a favore della teoria potrebbe essere vicino: se i calcoli basati sulle osservazioni astronomiche indicheranno che la curvatura dello spazio è negativa, cioè che lo spazio non è né piatto né sferico, allora il concetto di multiverso diventerà molto più plausibile per i fisici.

Tutto nasce dalla cosiddetta “interpretazione a molti mondi” della meccanica quantistica, originariamente proposta da Hugh Everett III nella sua tesi di dottorato (“The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics”), secondo cui ogni misura quantistica porta alla divisione dell'universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell'operazione di misura (Deutsch è sempre stato uno dei maggiori sostenitori di questa teoria, ndr).

Nel 1957, Everett, studente di John Wheeler a Princeton, propose una nuova interpretazione della meccanica quantistica che, nonostante le sue implicazioni sorprendenti, non suscitò grande interesse fino a quando, dieci anni più tardi, non fu portata all'attenzione generale da Bryce DeWitt, che coniò l'espressione “molti mondi” per descrivere l'idea principale. Everett aveva usato un titolo più sobrio: “Formulazione a stati relativi della meccanica quantistica”. Un noto fisico fu spinto a definirla «il segreto più custodito della fisica».

Everett non pubblicò altri articoli scientifici. Quando fu pubblicato il suo articolo, stava già lavorando per il Weapons Systems Evaluation Group del Pentagono. Pare che fosse un fumatore accanito e morì a poco più di cinquant'anni. La base dell'interpretazione di Everett è l'endemico fenomeno dell'entanglement quantistico. Per sua stessa natura, l'entanglement si può avere soltanto nei sistemi composti (che consistono di due o più parti). L'elemento essenziale dell'interpretazione dei molti mondi, cosi come la si intende quasi universalmente oggi, è che l'universo può e deve essere diviso in almeno due parti - una parte che osserva e una parte che è osservata.

Everett desiderava trovare un'applicazione delle proprie idee nel contesto delle teorie del campo unificato, «dove non è possibile supporre di isolare gli osservatori e gli oggetti. Sono tutti rappresentati in un'unica struttura, il campo».

[...] La grossolana contraddizione tra un universo quantistico statico e la nostra esperienza diretta del tempo e del movimento fu individuata chiaramente da DeWitt, che accennò alla sua soluzione nel 1967: sono le correlazioni quantistiche che, in qualche modo, devono dar vita al mondo. L'idea centrale di DeWitt è che si possano descrivere e dunque prevedere le correlazioni di un mondo che in effetti si evolve, in modo classico o quantistico, nel tempo. Sono passati circa quindici anni prima che i fisici, e comunque soltanto alcuni, iniziassero a prendere sul serio l'idea. La verità è che la maggior parte degli scienziati tende a lavorare su problemi concreti nell'ambito di programmi consolidati: pochi si possono permettere il lusso di tentare di creare un nuovo modo di considerare l'universo. Un problema particolare in tutto quel che riguarda la gravitazione quantistica è che al momento attuale è assolutamente impossibile effettuare prove sperimentali dirette, poiché le scale a cui si prevedono effetti osservabili sono troppo piccole [...],

(Julian Barbour, “La fine del tempo La rivoluzione fisica prossima ventura”, Einaudi, Torino, 2003)

In sintesi: l'interpretazione dei molti mondi sostiene che ad ogni atto di misurazione corrisponde una scissione del nostro universo in una miriade di universi paralleli, uno per ogni possibile risultato del processo di misurazione. Deutsch ha descritto un esperimento in cui un osservatore può sentirsi “come se fosse stato scisso in due parti di sé esistenti parallelamente allo stesso tempo poi riunitesi per formare il suo sé attuale”.

Nella Teoria Quantistica dei Molti Mondi di Andrew Gray, l'intera storia cosmica è frutto di selezioni spazio-temporali, con uguali probabilità per ogni selezione di essere assegnata ad ogni possibile storia. Ogni intera storia cosmica verrebbe selezionata calcolando anche tutte le possibili interferenze su livello microscopico. Per Henry Stapp, gli effetti quantici hanno una grande influenza anche sul modo di operare del cervello, che può essere visto proprio come un “computer quantico”.

Roger Penrose, in “La mente nuova dell'imperatore” e “Ombre della mente”, osserva che le leggi della fisica conosciute non costituiscono un sistema completo e che l'intelligenza artificiale non potrà mai eguagliare l'intelligenza dell'uomo. Penrose ipotizza che la consapevolezza umana potrebbe essere il risultato di fenomeni quantistici ancora ignoti che avrebbero luogo nei microtubuli dei neuroni e che rientrerebbero in una nuova teoria capace forse di unificare la teoria della relatività di Einstein con la meccanica quantistica.

Max Tegmark, in uno scritto pubblicato sulla rivista Physical Review E, ha calcolato che la scala di tempo di attivazione ed eccitazione di un neurone nei microtubuli è più lento del tempo di decoerenza pari a un fattore di almeno 10.000.000.000. Nel luglio del 2007, Tom Gehrels della University of Arizona ha pubblicato un articolo dal titolo “The Multiverse and the Origin of our Universe”, in cui vengono suggeriti degli effetti misurabili dell'esistenza del multiverso.

Data articolo: ottobre 2007