Neil Degrasse Tyson and the Vatican Observatory

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Pope Gregory XIII, Jesuits, the V.O., and the Big Bang – all on The Late Show with Stephen Colbert

Pope Gregory XIII, Jesuits, the V.O., and the Big Bang – all on The Late Show with Stephen Colbert January 20, 2018 Christopher M. Graney Readers of The Catholic Astronomer, did you catch the little discussion of Catholic Astronomers on a recent episode of The Late Show with Stephen Colbert?  Neil deGrasse Tyson was the guest (apparently Tyson is Colbert’s most frequent guest) and he prompted a short discussion of the astronomical connection of many holidays, which in turn lead into a discussion of Pope Gregory XIII and the Gregorian Calendar, Jesuit Astronomers, the Vatican Observatory, Fr. Georges Lemaître and the Big Bang theory, and the science of “Team RC” (i.e. “Team Roman Catholic”).  Wow—astronomy and history on late night television!  And, the exchange was entertaining and the information was accurate enough.  So, for this astronomer-and-historian-of-science-who-writes-for-the-Vatican-Observatory, it was a good day!  Check out the Colbert-Tyson discussion below: If you want to know more about these topics that Colbert and Tyson touched upon, they are topics that are well-covered in the Vatican Observatory Faith and Science on-line resource. Have a look and explore: Calendars and Pope Gregory XIII—click here The Vatican Observatory—click here (seven pages of entries related to the V.O.!) Jesuit Astronomers—click here Lemaître and the Big Bang theory—click here Or just browse the whole resource (and it is searchable, too)—click here.

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Adam and the Big Bang

Noah’s Ark has been re-built, right here in Kentucky.  It just opened to the public this summer.  It is supposed to bring in many tourists who will see something from Genesis on a Kentucky landscape.  The Kentucky Ark will probably generate plenty of the usual discussion of science versus traditional belief systems—that is (from an astronomy perspective), The Big Bang versus Genesis. Some years back in the Communicating Astronomy with the Public Journal, two authors, Martin Griffiths and Carlos F. Oliveira, wrote a contribution to that usual discussion. Their article, “The Big Bang—a Hot Issue in Science Communication,”* portrayed the communication of ideas from science that challenge traditional belief systems as “an ideological war that is worth the fight.”  They said— The Big Bang theory strikes at the heart of human philosophical and cultural meaning, uprooting a secure humanity from a known place in the Universe to one of unimaginable smallness, adrift in the unfathomable sea of space.  This is … Continue reading →

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What do the Kentucky Ark and Soviet Scientists have in common? Opposition to the Big Bang Theory! (re-run) — The Catholic Astronomer

This is a re-run of a post that I originally wrote for October 5, 2016. I think it goes well with the posts on the expanding universe from two weeks ago and last week. Last week [in 2016], in a post about discussing theories like the Big Bang theory with those who hold traditional views of…

via What do the Kentucky Ark and Soviet Scientists have in common? Opposition to the Big Bang Theory! (re-run) — The Catholic Astronomer

16 marzo 2011

LHC, prima macchina del tempo?

LHC, prima macchina del tempo?

Potrebbe produrre bizzarre particelle in grado di percorrere “scorciatoie” attraverso le dimensioni extra dello spazio-tempo ipotizzate da alcune teorie cosmologiche

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN potrebbe essere la prima “macchina del tempo”, capace di far viaggiare nel tempo alcune particolari particelle subatomiche “senza violare alcuna legge fisica o limite sperimentale”, come scrivono i ricercatori che hanno formulato questa ipotesi, Tom Weiler e Chui Man Ho della Vanderbilt University, in un articolo pubblicato sul sito di ricerca arXiv.

Uno degli scopi principali di LHC è quello di scoprire il bosone di Higgs, la particella la cui esistenza dovrebbe spiegare perché particelle come protoni, neutroni ed elettroni possiedono una massa. Se l’acceleratore riuscisse a produrre bosoni di Higgs, secondo alcuni fisici nel processo potrebbe venire creata anche un’altra particella detta singoletto di Higgs. Quest’ultima particella, secondo Weiler e Ho, dovrebbe avere la capacità di spostarsi in una quinta dimensione che le permetterebbe di “saltare” nel passato o nel futuro delle usuali quattro dimensioni.

“Uno degli aspetti attraenti di questo approccio al viaggio nel tempo è che evita tutti i grandi paradossi”, osserva Weiler. “Dato che il viaggio nel tempo è limitato a queste particolari particelle, non è possibile per un uomo tornare indietro nel tempo e uccidere uno dei propri genitrori prima della propria nascita, per esempio. Tuttavia, se i ricercatpori potessero controllare la produzione di singoletti di Higgs, potrebbero essere in grado di inviare messaggi nel passato o nel futuro.”

L’ipotesi di Weiler e Ho si basa sulla “teoria del tutto”, o M-teoria, che alcuni ricercatori hanno sviluppato in modo da comprendere le proprietà note di tutte le particelle subatomiche e di tutte le forze, gravità inclusa. Questa teoria presuppone però l’esistenza, a seconda delle versioni,

di ben 10 o 11 dimensioni al posto delle solite quattro. Questo ha portato a ipotizzare che il nostro universo possa essere una sorta di di membrana quadri-dimensionale, o “brana”, immersa in uno spazio-tempo multi-dimensionale detto “bulk”.

In questa prospettiva, i “mattoni costitutivi” del nostro universo sarebbero permanentemente attaccati alla propria brana, e per questo non possono viaggiare nelle altre dimensioni. Esisterebbero però delle eccezioni: la gravità, per esempio, sarebbe più debole delle altre forze proprio perché si diffonde anche nelle altre dimensioni. Un’altra possibile eccezione sarebbero proprio i singoletti di Higgs, che interagiscono con la gravità ma non con le altre forze.

Anni fa Weiler era giunto a una possibile spiegazione di alcuni comportamenti anomali dei neutrini ipotizzando l’esistenza di un particolare tipo di neutrino detto neutrino sterile, ancor più difficilmente rilevabile dei già sfuggenti neutrini perché in grado di interagire solo con le forze gravitazionali. Per questo i neutrini sterili dovrebbero poter sfuggire alla brana e viaggiare attraverso le dimensioni extra.

Weiler, insieme ad alcuni colleghi ha quindi avanzato l’ipotesi che questi neutrini sterili, potendo sfruttare “scorciatoie” attraverso queste dimensioni extra, potrebbero di fatto spostarsi a velocità superiori a quelle della luce. Secondo la teoria della relatività generale viaggiare a una velocità superiore a quella della luce corrisponderebbe però a un viaggio a ritroso nel tempo. (gg)

I viaggi nel tempo e il paradosso del nonno

Il 28 giugno del 2009, il fisico di fama mondiale Stephen Hawking organizzò una festa all’Università di Cambridge, con tanto di palloncini, tartine e champagne ghiacciato. Erano diramati molti inviti, ma poi non si era presentato nessuno. Hawking se lo aspettava, perché aveva spedito gli inviti solo dopo la conclusione del ricevimento. Era, disse, “un ricevimento di benvenuto per i futuri viaggiatori del tempo”, un ironico esperimento per rafforzare la sua congettura del 1992 secondo cui viaggiare nel passato è di fatto impossibile.

I viaggi nel tempo e il paradosso del nonno
Un buco nero in rotazione potrebbe deformare il tessuto dello spazio-tempo facendolo ripiegare su se stesso (© Mehau Kulyk/Science Photo Library/Corbis)

Ma Hawking potrebbe sbagliarsi. Recenti esperimenti offrono un sostegno sperimentale alla fattibilità dei viaggi nel tempo, almeno da un punto di vista matematico. Lo studio punta al cuore della nostra conoscenza dell’universo, e la soluzione del problema relativo alla possibilità di viaggiare nel tempo, lungi dall’essere un argomento riservato alla fantascienza, avrebbe profonde implicazioni per la fisica fondamentale e per applicazioni pratiche come crittografia e calcolo quantistico.

Curve temporali chiuse 
La speculazione su questi viaggi nel passato è alimentata dal fatto che le nostre migliori teorie fisiche non sembrano contenere alcun divieto a viaggiare a ritroso nel tempo. L’impresa dovrebbe essere possibile sulla base della teoria della relatività generale di Einstein, che descrive la gravità come la deformazione dello spazio-tempo prodotta da energia e materia. Un campo gravitazionale estremamente potente, come quello prodotto da un buco nero in rotazione, in linea di principio potrebbe deformare profondamente il tessuto dello spazio-tempo facendolo ripiegare su se stesso. Questo creerebbe una “curva chiusa di tipo tempo”, o CTC (closed timelike curve), un anello che potrebbe essere percorso per viaggiare indietro nel tempo.

Hawking e molti altri fisici ritengono che la

CTC sia un’aberrazione, perché qualsiasi oggetto macroscopico che la percorresse creerebbe inevitabilmente paradossi che sovvertono la relazione di causa ed effetto. In un modello proposto dal teorico David Deutsch nel 1991, tuttavia, a scala quantistica i paradossi creati dalla CTC potrebbero essere evitati a causa del comportamento delle particelle fondamentali, che seguono solo le regole “sfumate” della probabilità e non un rigido determinismo. “E’ affascinante che la relatività generale preveda questi paradossi, che però poi spariscono se considerati in termini di meccanica quantistica,”, dice Tim Ralph, fisico all’Università del Queensland. “Viene da chiedersi se questo sia importante ai fini della formulazione di una teoria che unifichi relatività generale e meccanica quantistica.”

I viaggi nel tempo e il paradosso del nonno
Una rottura (tear)  nel continuo dello spazio-tempo potrebbe permettere la creazione di una curva chiusa di tipo tempo (closed timelike curve, CTC). (Cortesia Dmitry Schidlovsky)

Esperimenti con una curva 
Recentemente, Ralph e il suo dottorando Martin Ringbauer hanno diretto un gruppo di ricerca che per la prima volta ha simulato sperimentalmente il modello di Deutsch della CTC, testando e confermando molti aspetti di quella teoria. I loro risultati sono stati pubblicati su “Nature Communications”. Gran parte della simulazione ruotava attorno al modo in cui il modello di Deutsch tratta il “paradosso del nonno”, un ipotetico scenario in cui una persona usa una CTC per viaggiare indietro nel tempo e uccidere il proprio nonno, impedendo così la propia successiva nascita.

La soluzione quantistica di Deutsch al paradosso del nonno funziona nel modo seguente.

Invece di pensare a un essere umano che segue una CTC per uccidere un proprio antenato, immaginate una particella fondamentale che torna indietro nel tempo per girare un interruttore della macchina da cui è stata creata. Se la particella gira l’interruttore, la macchina emette una particella – la particella – che percorre la CTC; se l’interruttore non è girato, la macchina non emette nulla. In questo scenario non vi è una certezza deterministica a priori dell’emissione della particella, solo una distribuzione di probabilità.

L’intuizione di Deutsch è stata postulare l’autoconsistenza nel regno quantico, insistendo sul fatto che ogni particella che entri a un’estremità di una CTC debba emergere all’altra estremità con proprietà identiche. Pertanto, una particella emessa dalla macchina con una probabilità di un mezzo entrerebbe nella CTC e uscirebbe dall’altra estremità per girare l’interruttore con una probabilità di un mezzo, conferendo a se stessa alla nascita una probabilità di un mezzo di tornare a girare l’interruttore. Se la particella fosse una persona, sarebbe nata con una probabilità di un mezzo di uccidere il nonno, dando al nonno una probabilità di un mezzo di sfuggire alla morte per sua mano, un valore abbastanza buono, in termini probabilistici, per chiudere il ciclo causale e sfuggire al paradosso. Per quanto strano possa essere, questa soluzione è in linea con le leggi note della meccanica quantistica.

I viaggi nel tempo e il paradosso del nonno
Apparecchiatura per la produzione di fasci laser in esperimenti di meccanica quantistica. (© VOLKER STEGER/Science Photo Library/Corbis)

Nella loro nuova simulazione Ralph, Ringbauer e colleghi hanno studiato il modello di Deutsch usando le interazioni tra coppie di fotoni polarizzati all’interno di un sistema quantistico che sostengono essere equivalente dal punto di vista matematico a un singolo fotone che percorra una CTC. “Codifichiamo la loro polarizzazione in modo che il secondo agisca come una specie di incarnazione storica del primo”, dice Ringbauer. In altri termini, invece di inviare una persona attraverso un anello temporale, hanno creato una controfigura della persona e l’hanno fatta passare attraverso un simulatore dell’anello temporale per vedere se il sosia che emerge da una CTC somigliava perfettamente alla persona originale come era in quel momento del passato.

Misurando gli stati di polarizzazione del secondo fotone dopo la sua interazione con il primo, il gruppo di ricercatori ha dimostrato, in più prove, l’autoconsistenza di Deutsch in azione. “Lo stato che abbiamo ottenuto come output, il secondo fotone all’uscita simulata della CTC, era lo stesso di quello in ingresso, il primo fotone codificato all’ingresso della CTC”, dice Ralph. “Naturalmente, non inviamo nulla realmente indietro nel tempo, ma la simulazione ci permette di studiare strane evoluzioni normalmente non ammesse in meccanica quantistica.”

Quelle “strane evoluzioni” consentite dalla CTC, nota Ringbauer, avrebbero notevoli applicazioni pratiche, per esempio la rottura della crittografia quantistica grazie alla clonazione degli stati quantistici di particelle fondamentali. “Se si possono clonare gli stati quantici – dice – è possibile violare il principio di indeterminazione di Heisenberg” che viene sfruttato nella crittografia quantistica: quel principio vieta infatti misurazioni accurate contemporanee di alcuni tipi di variabili collegate, come posizione e quantità di moto. “Ma se si clona quel sistema, è possibile misurare una grandezza nel primo sistema e l’altra quantità nel secondo, permettendo di decifrare un messaggio in codice.”

“In presenza di CTC, la meccanica quantistica permette di eseguire funzioni di elaborazione delle informazioni molto più potenti di quanto noi crediamo possano fare i computer classici o addirittura i normali computer quantistici”, dice Todd Brun, un fisico dell’Università della Southern California che non è stato coinvolto nell’esperimento. “Se il modello di Deutsch è corretto, questo esperimento simula fedelmente ciò che potrebbe essere fatto con una CTC reale. Ma questo esperimento non può testare il modello di Deutsch in quanto tale, una cosa che potrebbe essere fatta solo con l’accesso a una CTC reale.”

Un ragionamento alternativo 

Il modello di Deutsch non è, però, l’unico in circolazione. Nel 2009, Seth Lloyd, un fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology, ha proposto un modello alternativo, meno radicale, della CTC che risolve il paradosso del nonno con il teletrasporto quantistico e una tecnica chiamata post-selezione, invece che con l’autoconsistenza quantistica di Deutsch. Insieme ad alcuni collaboratori canadesi, nel 2011 Lloyd ha effettuato con successo simulazioni di laboratorio del suo modello. “La teoria di Deutsch ha lo strano effetto di distruggere le correlazioni”, dice Lloyd. “Cioè, un viaggiatore del tempo che emerge da una CTC di Deutsch entra in un universo che non ha nulla a che fare con quello da cui era uscito in futuro. Al contrario, le CTC della post-selezione conservano le correlazioni, in modo che i viaggiatori del tempo tornano allo stesso universo che ricordano nel passato.”

La struttura del modello di Lloyd renderebbe la CTC molto meno potente ai fini dell’elaborazione delle informazioni, sebbene sempre di gran lunga superiore a quello che potrebbero fare i computer nelle regioni di spazio-tempo ordinarie. “Le classi di problemi che le nostre CTC potrebbero contribuire a risolvere sono più o meno equivalenti al trovare gli aghi nei pagliai”, dice Lloyd. “Ma un computer in una CTC di Deutsch potrebbe anche spiegare perché esistono quei pagliai.”

Lloyd, però, ammette la natura speculativa delle CTC. “Non ho idea di quale modello sia quello giusto. Probabilmente sono sbagliati entrambi”, dice. Certo, aggiunge, l’altra possibilità è che Hawking abbia ragione, “che semplicemente le CTC non esistono né possono esistere.” Chi dunque volesse organizzare feste per viaggiatori nel tempo farebbero bene a tenere lo champagne per sé: l’arrivo degli ospiti dal futuro sembra improbabile.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 2 settembre 2014 su www.scientificamerican.com Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)

08 agosto 2018

Il punto debole dei viaggi nel tempo

Spostarsi avanti e indietro nel tempo è uno dei temi preferiti della fantascienza. Ma scrittori e sceneggiatori trascurano invariabilmente un particolare importante: anche avendo un macchinario che permette di viaggiare nel tempo, com’è possibile che il viaggiatore arrivi esattamente nello stesso luogo da cui è partito, dato che la Terra, il Sole e l’intero universo sono in continuo movimento?di Cabel Scharf/Scientific American

Nell’emisfero nord è estate, e di tanto in tanto la mente si allontana dai pensieri puramente scientifici. Prendiamo per esempio l’idea del viaggio nel tempo. Per quanto ne sappiamo, su scale fisiche macroscopiche l’unico tipo di viaggio nel tempo che funziona è muoversi verso il futuro.

Possiamo sederci e aspettare, oppure possiamo scappare a velocità molto elevate e sfruttare la dilatazione del tempo relativistica per alterare il passare del tempo rispetto all’universo che ci circonda. Il famoso paradosso dei gemelli (che non è proprio un paradosso, poiché ha perfettamente senso) è un esempio di come si possa raggiungere il futuro sperimentando un tempo trascorso inferiore (la chiave sta nel cambiamento dei sistemi di riferimento inerziali).

Ma viaggiare nel passato o trasferirsi istantaneamente in qualsiasi momento voluto del tempo rimane, per ora, nel regno della fantasia. E di ottime fantasie sul tema ce ne sono parecchie: a partire da H.G. Wells fino a Ritorno al futuro, e un fanstatilione di altre storie e film che vanno da Doctor Who a Star Trek a Bruce Willis.

Tuttavia, malgrado i lodevoli sforzi per radicare alcune di queste storie nella fisica conosciuta, c’è un aspetto di tutti i viaggi temporali della fiction che, a mio avviso, è stato costantemente trascurato. Io lo chiamo il “problema spaziale” del viaggio nel tempo.

Il punto debole dei viaggi nel tempo
Donald Iain Smith/AGF

Facciamo un rapido esperimento mentale. Immaginiamo di avere un’ingegnosa macchina del tempo e di decidere di fare un salto nel passato. Magari è per evitare di pagare una multa per scaduto parcheggio o di subire le conseguenze di un curry particolarmente indigesto, ma la ragione specifica del viaggio non è importante. In una tipica storia, appariremmo esattamente nella stessa posizione, però un mese prima. Ma come mai la nostra macchina del tempo

(o qualsiasi altro dispositivo, incantesimo o strana entità aliena che stiamo usando) ci porterà proprio in quello specifico luogo fisico?

Sulla superficie della Terra siamo in costante movimento. La rotazione del pianeta ci fa correre in cerchio a 1.600 chilometri all’ora, se siamo all’equatore. La Terra orbita intorno al Sole a una media di 110.000 chilometri all’ora.

Il Sole si sta attualmente spostando rispetto al centro della Via Lattea a circa 828.000 chilometri all’ora, e il nostro Gruppo Locale di galassie sta attraversando il cosmo a una velocità di circa 2,4 milioni di chilometri all’ora rispetto al fondo cosmico a microonde. Quel campo di radiazione offre un modo per stabilire una misura dello stato di quiete o di moto universalmente accettata. Ma lo spazio, naturalmente, è in espansione, quindi su scale molto grandi, per nessun oggetto fisico si può stabilire che se sia veramente in quiete rispetto agli altri: può essere ugualmente non a riposo in tutte le direzioni.

Questo ci riporta ai nostri esperimenti sui viaggi nel tempo. Per tornare indietro di un mese e apparire nello stesso posto – il nostro bar preferito, la nostra sala da pranzo, la nostra DeLorean che si muove lungo una strada principale – devi anche percorrere una notevole distanza fisica. E devi farlo con estrema precisione. Questo è il problema spaziale.

Prendiamo il moto della Terra attorno al Sole. Un mese di orbita corrisponde a muoversi su un arco di circa 78 milioni di chilometri. In questo stesso periodo, l’intero sistema solare si sarà anche spostato di circa 600 milioni di chilometri intorno alla nostra galassia, e il nostro intero Gruppo Locale di galassie avrà attraversato circa 1,7 miliardi di chilometri di spazio rispetto al fondo cosmico a microonde. Non solo è necessario attraversare questo tipo di distanze, ma bisogna farlo con una precisione di una parte su un milione di miliardi.

In altre parole: il vostro dispositivo per viaggiare nel tempo deve essere estremamente bravo a capire anche dove metterti nell’universo, e non solo quando.

Il punto debole dei viaggi nel tempo
Colin Anderson/AGF

Ora, lo so che è sciocco mettersi a discutere con la fantasia. Dopo tutto, a chi importa? Sappiamo che è tutto per divertimento e un po’ di provocazione intellettuale. Ma in questo caso ci sono alcune cose davvero interessanti da considerare, anche se del tutto ipotetiche.

Da una parte è scientificamente interessante pensare a come gestire effettivamente le coordinate in un universo reale e molto dinamico. Dove ci troviamo in questo istante non è un punto fisso in alcun senso cosmico. In realtà, ciascuno segue una traiettoria piuttosto complessa attraverso l’universo e, grazie a complicate interazioni e comportamenti gravitazionali e meccanici, questa traiettoria probabilmente non è del tutto prevedibile. Lo spin della Terra varia; anche la sua orbita varia leggermente in tempi molto lunghi, e anche il nostro movimento intergalattico avrà un’evoluzione con l’avvicinarsi di altre galassie e concentrazioni di massa nel corso del tempo.

È anche divertente pensare che questo potrebbe spiegare come mai, se il viaggio nel tempo è stato inventato, non siamo stati visitati da esseri del futuro (per esempio, appena prima di certe elezioni presidenziali o in altri momenti cruciali). Forse la ragione è che nessuno ha (mai) risolto il problema spaziale, e il cosmo è disseminato di viaggiatori del tempo alla deriva tra stelle e galassie.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 1° agosto 2018. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

01 giugno 2007

La teoria delle stringhe è scienza?

Considerata da molti la migliore candidata per unificare le forze della natura, finora non ha predetto un solo risultato sperimentale. A prescindere da come si evolverà la questione, la storia della teoria delle superstringhe è un episodio che non ha alcun precedente nella storia della fisica moderna. Più di vent’anni di intensa ricerca, portata avanti da migliaia tra i migliori scienziati del mondo intenti a produrre decine di migliaia di lavori scientifici, non hanno condotto a una sola predizione verificabile della teoria. Questa situazione spinge a chiedersi se si possa realmente descrivere la ricerca nella teoria delle superstringhe come ricerca scientifica nel campo della fisica.

Peter Woit

Il paesaggio della teoria delle stringhe

Secondo la teoria delle stringhe l’universo occupa una valle a caso tra una scelta pressoché infinita di conche in un immenso paesaggio di possibilità

– Secondo la teoria delle stringhe, le leggi fisiche che operano nel nostro mondo dipendono dal modo in cui le dimensioni extra dello spazio sono arrotolate in un minuscolo «fagotto». – Una mappa di tutte le possibili configurazioni delle dimensioni extra produce un «paesaggio» all’interno del quale ciascuna valle corrisponde a un insieme stabile di leggi. – L’intero universo visibile esiste in una regione dello spazio associata a una valle del paesaggio che dà casualmente luogo a leggi fisiche compatibili con l’evoluzione di forme di vita.

di Raphael Bousso, Joseph Polchinski

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