giovedì 15 marzo 2018

L'universo è un ologramma

Cosa succede se c'è una realtà è più profonda là fuori? E se il nostro universo fosse un'illusione? E se vivessimo in un ologramma?

Oppure, in alternativa, possiamo chiedere al professore associato di fisica Matthew Headrick della sua ricerca. Headrick lavora su una delle teorie più all'avanguardia della fisica teorica, il principio olografico. Essa sostiene che l'universo è un'immagine tridimensionale proiettata su una superficie bidimensionale, proprio come un ologramma emerge da un foglio di pellicola fotografica.
"Secondo me, la scoperta dell'entanglement olografico e delle sue generalizzazioni è stata finora uno degli sviluppi più eccitanti della fisica teorica di questo secolo", ha detto Headrick. "Quali altri nuovi concetti sono in attesa di essere scoperti e quali altre connessioni inattese? Non vediamo l'ora di scoprirlo."

Dal 2016, Headrick è stato vicedirettore del progetto "It from Qubit: Quantum Fields, Gravity and Information", uno sforzo internazionale di 18 scienziati e dei loro laboratori per determinare se il principio olografico è corretto. È finanziato con una sovvenzione di 10 milioni di dollari della Fondazione Simons di New York.

Se Headrick e i suoi colleghi potessero dimostrare il principio olografico, avrebbero compiuto un passo importante verso il raggiungimento del Santo Graal nella fisica teorica, una grande teoria unificata che può spiegare tutte le leggi e i principi che governano la realtà. "Non ci siamo ancora arrivati", ha detto Headrick, "ma stiamo facendo progressi".

Analizziamo passo per passo il principio olografico:

Informazione
Cominciamo dal piccolo, molto piccolo. Si è a lungo pensato che l'universo al suo livello più fondamentale fosse costituito da particelle subatomiche come elettroni o quark. Ma ora i fisici credono che quelle particelle siano costituite da qualcosa di ancora più piccolo.

Quando i fisici parlano di informazioni, intendono i dati che descrivono i fenomeni fisici. La massa di un oggetto, la direzione della rotazione di un elettrone e la formula e=mc2 sono tutte unità di informazione.

Se raccogliessimo tutte le informazioni che ci sono là fuori, avremmo il ​​libretto di istruzioni completo per costruire tutto nel nostro universo.

Qubit
I più piccoli livelli dell'universo sono governati dalle leggi della meccanica quantistica. Qui le cose cominciano a diventare molto strane e controintuitive.
Le unità di informazione nel regno della meccanica quantistica sono chiamate qubit.

Headrick studia l'entanglement quantistico dei qubit, un fenomeno molto strano, unico nel regno della meccanica quantistica.
Supponiamo di avere due qubit i cui valori possono essere 1 o 0. Quando i qubit sono intrappolati, i loro valori diventano correlati. Quando misuri il primo qubit, il suo valore potrebbe essere 0. Controlla l'altro qubit e il suo valore sarà 0. Ma cosa succede se il primo qubit ha un valore di 1? Il valore del secondo qubit potrebbe anche cambiare a 1.

È come se i qubit comunicassero tra loro, con il primo che dice al secondo: "Ehi, questo fisico qui ha appena scoperto che sono un 1. Faresti meglio ad essere un 1 anche tu". Sorprendentemente e stranamente, questa comunicazione può accadere a grandi distanze con messaggi apparentemente trasmessi più velocemente della velocità della luce.

I qubit sono piatti
Nella maggior parte dei casi, quando lasci cadere un oggetto in un barattolo, useremo un jelly bean, cadrà dentro e occuperà spazio. Inserite un altro jelly bean e la quantità di spazio vuoto si restringe e aumenta il volume delle jelly bean.

Non funziona in questo modo con i qubit. Il qubit non cadrà nel barattolo ma si diffonderà invece su una superficie. Aggiungi un altro qubit, aderirà al lato del barattolo. Aggiungi un altro qubit, farà lo stesso. Aumentando il numero di qubit non aumenta il volume. Invece, aumenta la superficie occupata dai qubit.
Sempre più qubit si diffondono su una superficie piana: ecco come si ottiene il piano bidimensionale descritto dal principio olografico.

Quindi come si raggioungono le tre dimensioni?

Una volta che vai oltre il regno del piccolo, le leggi della meccanica quantistica non funzionano più. Per quanto strano possa sembrare, a livello macrocosmico, è necessario un diverso insieme di leggi della fisica per spiegare cosa sta succedendo.

Entra in campo la teoria della relatività di Einstein. Per calcolare gli eventi cosmici come il percorso seguito dalla luce o l'orbita di Mercurio attorno al sole, hai bisogno della teoria della relatività.
Anche gli elementi costitutivi della relatività sono unità di informazione. Ora però, sono chiamati bit.
E i bit si comportano in un modo che ci è molto più familiare. Esistono in tre dimensioni.

Quindi come si ottiene un ologramma?
Torniamo a quella superficie bidimensionale coperta da qubit entangled. Poiché il valore di un qubit cambia a seconda del valore della sua coppia entangled, c'è un grado di indeterminazione incorporato nel sistema. Se non hai ancora misurato il primo qubit, non puoi essere sicuro del secondo. La quantità di incertezza in ogni dato sistema è chiamata entropia.

Man mano che i qubit si impigliano e si districano, il livello di entropia aumenta e diminuisce.

Si finisce con i campi di entropia in uno stato in costante cambiamento. Il principio olografico sostiene che il nostro mondo tridimensionale è una rappresentazione o proiezione di tutta questa attività che si svolge su una superficie bidimensionale piena di qubit.

Mettiamo tutto insieme.
Ha sempre disturbato i fisici che esista un insieme di regole per il microcosmo, la meccanica quantistica, e un altro per il macrocosmico, la teoria della relatività.

Non ha senso che ci debbano essere due gruppi diversi e incompatibili di formule matematiche al lavoro nel nostro universo. I fisici presumono che ci debba essere un modo per portarli in armonia.

Qui sta la questione centrale per Headrick e i suoi colleghi: partendo dal regno bidimensionale dei qubit e della meccanica quantistica e poi aumentando di dimensioni, quando precisamente finiamo ad avere bit e relatività?

È necessario costruire un singolo modello matematico che spieghi la trasformazione. Disegnalo e avrai risolto uno dei più grandi misteri della fisica teorica. Dal più piccolo al più grande fenomeno, avremo una teoria unificata della realtà.

Adesso il principio olografico rimane una teoria non dimostrata. Dove condurrà il prossimo è una domanda aperta. Le probabilità sono però che sarà più strano di qualsiasi altra cosa mai immaginata dalla fantascienza.

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