TELEPORTAREA CUANTICA Unul dintre mijloacele de transport inventate de scriitorii de SF este teleportarea. Oricine a vazut o imagine dintr-un film al unei teleportari. Subiectii se asaza in niste camere speciale, si … dispar incetul cu incetul, pentru ca sa apara vii si nevatamati in alta locatie. Cred ca nimeni nu a putut sa uite o asemenea imagine. Asa cum apare ea in imaginea scriitorilor de SF, teleportarea are mai multe faze: scanarea subiectului – transmiterea informatiilor – recrearea subiectului. Lucruri ce par relativ simple. Oamenii de stiinta au gasit insa cateva impedimente. Primul dintre ele se refera la posibilitatile de scanare. In lumea cuantica nu putem masura parametrii unei particule cu o valoare precisa datorita principiului nedeterminismului, ci doar probabilistic. Astfel daca am dori sa aflam viteza unei particule nu vom sti nimic despre pozitia ei. Apare apoi un alt impediment reprezentat de argumentul Penrose. Acesta spune ca nu putem masura o stare cuantica fara distrugerea ei. Deci pentru a obtine informatiile necesare teleportarii va trebui sa distrugem originalul. 52759jvf46ymf9b Astfel teleportarea ar fi de fapt o secventa de tipul scanarea subiectului – distrugerea lui – transmiterea informatiei – recrearea subiectului. Recent insa a aparut un paradox care pare a da speranta ca in viitorul indepartat va putea fi realizata teleportarea cel putin a obiectelor daca nu a oamenilor. Este vorba despre efectul Einstein - Podolski – Rosen (efect EPR). Cu totii stim ca, conform teoriei relativitatii, viteza maxima in univers este viteza luminii. Totusi s-a demonstrat ca o pereche de fotoni gemeni (obtinuti prin trecerea unei lumini monocromatice printr-un cristal) par a dezminti aceasta regula. Daca ceva interactioneaza cu primul foton, al doilea foton resimte instantaneu aceasta interactiune. SCHEMA CLASICA Schema clasica, teoretica, primordiala – sau cum doriti sa o numiti – schema, care intr-un an, doi, va fi studiata in scoala si cunoscuta pe de rost de orice pusti, mai mult sau mai putin sarguincios, revolutionara schema propusa de Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Jozsa, Asher Peres si William K. Wooters este extrem de simpla. vm759j2546ymmf Fie Ij> - starea particulei care trebuie teleportata. Vom numi doua personaje fictive ale povestii noastre, Alice – careia I se incredinteaza spre teleportare – si Bob – care asteapta cu nerabdare sa se petreaca minunea si sa-l capete pe Ij>. Presupunem ca Alice si Bob au impartit deja pe din doua o pereche de particule EPR. Acum Alice nu mai are nimic de facut decat sa efectueze o masuratoare Bell asupra sistemului format din Ij> si propria sa particula EPR. In urma acestei masuratori, Alice va obtine patru rezultate posibile, corespunzand celor patru stari ortogonale numite stari Bell. Stabilindu-si anterior un cod prin care fiecarui rezultat ii era asociata o singura transformare locala, Alice ii poate transmite lui Bob un semnal constand din doi biti de informatie, printr-un canal de comunicatie clasic. Astfel Bob va afla ca propriei sale particule EPR i s-a intamplat “ceva” si ca, aplicandu-i transformarea corespunzatoare codului primit de la Alice, il va obtine tocmai pe Ij>. SCHEMA CLASICA DE TELEPORTARE If > Alice Bob Dupa ce Alice si Bob au impartit o pereche
de particule cuplate, Alice realizeaza o masuratoare Bell
a starii rezultate in urma interactiunii dintre particula
sa EPR si particula de teleportat, comunicandu-i lui Bob.
Prin mijloace clasice, care dintre cele patru rezultate posibile
a fost obtinut. Atunci Bob ii aplica particulei sale, care,
cuplata fiind cu geamana lui Alice, a suferit deja transformarea
menita sa reproduca starea particulei de teleportat, transformarea
unitara corespunzatoare. Teleportarea a reusit ! If > B Bob Puls ultraviolet T A X If> polarizator Alice If> mesaj clasic beam-splitter Un puls ultraviolet strabate de 2 ori un cristal
(al carui indice de refractie are un comportament nelinear),
generand o pereche de fotoni cuplati deplasandu-se catre stanga
(T, X) si o alta - catre dreapta - care va fi folosita drept
pereche Alice-Bob. Fotonul de teleportat este preparat prin
modificarea polarizarii lui T si apoi combinat cu fotonul
lui Alice - A - intr-un beam-splitter. Cand ambele detectoare
sunt declansate simultan, s-a “masurat” starea
Bell If> a perechii de fotoni A si T, care nu necesita
nici un fel de transformare unitara. Rezulta ca particula
lui Bob - B - este in starea preparata din T. X este folosit
doar pentru a se vedea ca T a fost intr-adevar produs. EXPERIMENTUL DE LA INNSBRUCK EXPERIMENTUL DE LA ROMA Bob puls ultraviolet b1 b2 a1 a2 Alice Perechea de fotoni produsa de un puls UV intr-un
cristal nelinear este prelucrata, separandu-se componentele
orizontala si verticala ale polarizarii fiecarui foton. Rezultatul
consta intr-o superpozitie de cai, a1 si a2, ale unui foton
polarizat vertical, deplasandu-se spre stanga si o a doua
superpozitie, b1 si b2, a unui foton polarizat deplasandu-se
spre dreapta. Caile respective sunt cuplate doua cate doua.
Fotonul de teleportat se obtine tot prin prepararea polarizarii
cailor a1 si a2, dupa care Alice efectueaza masurarea starii
Bell a celor doua grade de libertate a fotonului - polarizare
si pozitie. Unul dintre cele patru detectoare va fi declansat,
indicandu-i lui Bob ce transformare unitara trebuie sa ii
aplice fotonului obtinut prin combinarea cailor b1 si b2,
pentru a obtine fotonul preparat anterior. GAURI NEGRE - GAURI DE VIERME (WORMHOLES) “Gaurile negre detin premiul cel mare in vrajitoria moderna si se spune ca sunt tuneluri legand Universul nostru cu taramul de basm al unui numar infinit de alte universuri. Trucurile matematice care leaga intre ele diverse spatiu-timpuri nu genereaza neaparat o fizica de calitate…” (E.R. Harrison) Gaurile negre sunt obiecte ceresti, care, intr-un fel, pot dicta soarta Universului nostru. Karl Schwarschild reuseste sa gaseasca o solutie de mare eleganta pentru un corp sferic aflat intr-un spatiu gol (lipsit deci de materie). Aceasta solutie vine imediat dupa publicarea de catre Einstein a faimoasei ecuatii care sta la baza teoriei relativitatii generale, solutie cunoscuta sub numele de “metrica lui Schwartschild” : ds2=c2(1-2GM/c2r)dt2-dr2/(1-2GM/c2r)-r2(dθ2+sin2θ dφ2) Spatiu-timpul este curbat intr-o asemenea masura in jurul corpului respectiv, incat acesta devine practic invizibil. Altfel spus, daca raza corpului a atins valoarea r, am putea spune “pragul” Schwarschild, el si-a inceput calatoria fara intoarcere spre nefiinta, devenind o gaura neagra. Inauntru se petrec fenomene la care lumea “normala” nu are acces – spatiul devine timp, iar totul se prabuseste spre centrul care s-a transformat intr-o singularitate. Ceea ce ne intereseaza insa pe noi in continuare este ca, pe langa spectaculozitatea unor asemenea rezultate, trebuie spus ca gaurile negre au o importanta cu totul aparte in fizica, astronomie si cosmologie. In primul rand pentru ca, tinand seama ca ele reprezinta stadiul final al colapsului unor stele cu masa egala cu cel putin trei mase solare, este de presupus ca foarte multe stele s-au si transformat sau urmeaza sa se transforme in gauri negre. Apoi, pentru ca neuniformitatile gravitationale este posibil sa fi generat o multime de minigauri negre in Universul timpuriu. In fine, pentru ca formarea unei gauri negre este foarte importanta pentru evolutia Universului, mai ales ca in timpul Big-Bang-ului, ca si in momentul mortii universului, conditiile sunt extrem de asemanatoare cu cele dintr-o gaura neagra. Evident ca o gaura neagra nu poate fi observata direct, si anume pentru ca lumina, “vehiculul” care ne aduce informatia vizuala despre orice “lucru” existent in afara fiintei noastre, nu poate parasi suprafata sa si in consecinta … nu are “ce” sa ajunga la noi. Si totusi, gaurile negre sunt unele dintre cele mai studiate corpuri ceresti, mai ales de catre fizicienii teoreticieni si matematicieni. Metrica Schwarzschild descrie si o a doua posibilitate, cea a ceea ce putem numi “gaurile albe”. Adica, in loc de o particula, de exemplu, a carei distanta, r, sa scada pana la raza Schwarzschild, rs (orizont), si in continuare pana la zero – singularitatea, am putea avea o particula care sa “migreze” spre orizont din interior, r crescand deci dinspre singularitate spre rs si mai departe, transformand ceea ce in interiorul gaurii este timp in ceea ce in exterior este spatiu. Particula “iese” astfel spre orizont si nu se mai poate intoarce. In loc de o gaura neagra, avem acum de-a face cu o gaura alba. Dupa un exercitiu cu care ne-am obisnuit, particulei ii trebuie, in sistemul propriu, un timp finit (cateva microsecunde) pentru a realiza acest lucru. Pentru un observator extern al fenomenului, aceasta durata de timp are insa dimensiuni infinite. Exista totusi o deosebire fundamentala fata de “solutia neagra” (si “pesimista”)! Nu putem explica originea gaurii albe. Din acest punct de vedere, gaura alba este acauzala. Iar daca va veti imagina cumva ca raspunsul ar putea fi identificarea acestei origini cu insasi singularitatea, atinsa in mod fatal de particulele transgresand orizontul evenimentelor, veti realiza imediat ca nu se poate. Pentru ca din nou ne-am lovi de imposibile paradoxuri temporale, generate in ultima instanta de violarea cazualitatii: simplificand lucrurile, particula ar urma sa “iasa” inainte de a fi “intrat” ! Sau, daca nu despre o particula este vorba, ci despre o fiinta, aceasta ar reapare in lume inainte de a se fi nascut, si-ar putea intalni parintii sau bunicii sau chiar pe sine – cu libertate nelimitata de actiune, inclusiv de a-si ucide propriul ego. WORMHOLES Si daca totusi gaurile albe ar putea fi create si ar exista in perechi cu gauri negre, aceasta nu s-ar putea intampla in acelasi univers sau daca s-ar intampla in acelasi univers, ar implica spatiu-timp diferite.Asa se naste ideea – unii ar spune chiar necesitatea – existentei, generarii unor punti de legatura, neasteptate cai de acces, intre universuri sau spatiu-timpuri paralele. Adevarate tuneluri care au primit straniul nume de “gauri de vierme” – wormholes. Un concept nu foarte nou si, mai ales, imaginat de oamenii de stiinta inaintea autorilor de science-fiction. Pentru ca inca de prin anii 1950, Einstein si Rosen (acelasi din faimosul “paradox Einsten-Podolski-Rosen”) au imaginat un nou tip de sfarsit pentru existenta materiei care se prabuseste intr-o gaura neagra. Cum spune Isaac Asimov in minunata sa carte “The Collapsing Universe”, materia care se “imbulzeste” in gaura neagra poate, in principiu, sa se “strecoare” afara… GAURA ALBA GAURA NEAGRA WORMHOLE Acest transfer de materie, care se poate efectua practic instantaneu pe distante enorme (milioane sau miliarde de ani lumina), nu se poate face in mod “obisnuit”, caci nu se poate pune de acord viteza luminii, ca viteza limita in Univers. El implica niste…cai speciale, un fel de tunele, “punti Einstein-Rosen”, cu le numeste Asimov, care nu pot avea caracteristicile temporale ale Universului nostru si prin care materia comprimata, strivita, in gaura neagra, explodeaza cu o enorma degajare de energie intr-un alt univers. Gaurile albe (despre care a inceput sa se vorbeasca sub acest nume spre mijlocul anilor 1960 si pentru care, conform ideii lui Novikov si Ne’eman, quasarii ar putea fi un bun candidat), se pot foarte bine imagina ca niste mini-Big Bang-uri, care tot aduna mereu energia lor, pregatindu-se pentru Big-Bang-ul adevarat care da nastere Universului si genereaza radiatia de fond care “umple” intreg Universul la o temperatura de trei grade Kelvin si pentru a carei descoperire, Arno Penzias si Robert Wilson au luat in 1980 Premiul Nobel. Marea problema care apare aici este urmatoarea: de unde isi ia Universul enorma energie de care are nevoie pentru a parcurge ciclurile evolutiei sale ? Daca nu cumva Universul nostru insusi este o imensa gaura neagra, care, la sfarsitul expansiunii, se “angajeaza” in procesul de comprimare, sfarsind prin a trece printr-o gaura de vierme inapoi in timp intr-un alt… el insusi ! Pare ciudat ? Desigur. Nu contrazic toate acestea ceea ce am prezentat si am incercat sa si justificam, nu doar sa explicam, pana acum ? Cum s-ar putea concepe “viata” in interiorul unei gauri negre ? Fara a renunta la toate cele spuse, lucrurile pot sta si putin altfel. Pentru ca, asa cum se intampla destul de des in fizica, este importanta scara la care se discuta procesele si fenomenele ! In ce fel ? Exista o diferenta esentiala intre gaurile negre “normale”, cele despre care am vorbit pana acum, si posibilele gauri negre uriase. Caci, pe parcursul unor perioade suficient de indelungate de timp – sa zicem de cateva miliarde de ani – in nucleele masive ale unor galaxii gigante se pot dezvolta si asemenea gauri negre, de dimensiuni enorme : supergauri, cum le numeste E.R. Harrison. Riscul pentru ca un corp sa fie distrus, anihilat, in prezenta unei gauri negre, apare atunci cand densitatea medie a corpului este inferioara celei a gaurii negre. Densitatea unei gauri negre este insa invers proportionala cu patratul masei sale (usor de verificat). O gaura neagra cu masa egala cu o masa solara are o densitate de 1016 g/cm3, pe cand una de o suta de milioane de ori mai grea va avea o densitate de numai 1g/cm3, iar densitatea unei gauri negre de trei miliarde de mase solare ar fi mai mica decat cea a aerului la nivelul marii ! Cu alte cuvinte, daca o nava cosmica ar ajunge in vecinatatea unei asemenea supergauri negre, ea nu va intampina nici un fel de … “neplaceri”; mai mult pasagerii navei s-ar putea sa nici nu-si dea seama cand au traversat orizontul evenimentelor. Drumul este deschis spre gaura de vierme, care urmeaza sa “canalizeze” nava spre poarta de iesire, adica spre gaura alba. Doar ca, asa cum spuneam, cauzalitatea face imposibila “iesirea” in acelasi univers sau macar in acelasi spatiu-timp ! SALTUL IN HIPERSPATIU Desenele de pe pagina urmatoare exprima mai clar decat orice cuvinte ideea – pe cat de simpla, pe atat de dificil de realizat – a saltului in hiperspatiu: atunci cand avem nevoie sa ajungem “in timp util” dintr-un punct in altul, pe traseul calatoriei noastre cosmice, nu avem decat sa … “indoim” spatiul, ca atunci cand ne jucam, de pilda, cu o furnica pusa pe o foaie de hartie, pe care o indoim pentru a o face sa ajunga, sa “cada”, practic instantaneu, intr-o alta zona. Se ridica bineinteles doua intrebari: este posibil de realizat “tehnic” acest lucru ? Si, cealalta intrebare, mult mai dificila si mai profunda: este posibil, in principiu, sa luam in considerare o asemenea posibilitate ? Sa ne oprim la prima intrebare. La nivelul dezvoltarii tehnologice actuale, dar si al intelegerii stiintifice a naturii, raspunsul cel mai cinstit este : nu. Este insa acesta un lucru cu adevarat irealizabil ? Sa ne amintim cateva dintre discutiile legate de unificarea fortelor fundamentale in natura si, din nou, sa facem apel la “zestrea” pe care ne-a lasat-o Einstein. Dupa cum bine stiti, exista – sau mai bine zis, cunoastem – la ora actuala patru forte fundamentale: gravitationala, slaba, electromagnetica si tare. Ele s-au desprins, daca ne putem exprima altfel, dintr-un trunchi comun, existent inca din prima secunda de viata a Universului. Marea provocare pe care si-au autoasumat-o fizicienii este deci de a intelege modalitatea de realizare a unificarii lor. Lasand la o parte termenii tehnici, unificarea a doua forte, sa zicem, de exemplu, gravitatia si electromagnetismul, care, dupa cum vom vedea imediat, ne intereseaza si pe noi, inseamna inlocuirea lor cu o singura forta, avand caracteristicile ambelor. Altfel spus, intr-o astfel de situatie, “surse” de camp electromagnetic ar putea fi utilizate pentru a produce camp gravitational. Solutia, la nivelul sugestiei teoretice naïve, ar fi deci simpla: folosim, pe nava, o sursa electromagnetica suficient de puternica, pentru a produce un camp gravitational suficient de intens pentru a “indoi” spatiul de o zona suficient de extinsa. Indoirea spatiului ar urma sa fie calculata in asa fel incat sa permita deplasarea navei intre doua puncte, intr-un interval de timp rezonabil de scurt pentru a da sens calatoriei. Evident ca o suita de asemenea “indoiri” ar duce la parcurgerea unor distante cosmice intr-un timp care sa serveasca atingerii scopului propus. Si aici apare si prima problema “de principiu”: presupunand realizabila ceea ce am numit o indoire a spatiului, nu va avea acelasi efect si asupra timpului ? Ar fi evident tentant sa incercam, oricat de aproximativa, o estimare cantitativa. Sa presupunem, de exemplu, ca am dori sa incercam “scurtarea” drumului intre doua puncte situate la o distanta de un an-lumina. Sa mai presupunem ca am lua in considerare doar masa totala a regiunilor spatiale de plecare si sosire, pe care le vom nota cu M1, respectiv M2. Conform legii atractiei universale, intre cele doua mase (zone, in cazul nostru) se exercita o forta: F=G M1 M2/r2, d1 1 2 2 1 d2 unde G este constanta atractiei universale, iar r este distanta dintre cele doua mase. A indoi spatiul este echivalent in cazul nostru cu a reduce distanta r la o distanta r1, mai mica decat r de, sa presupunem, K ori: r1=r/K. Se vede imediat ca acest lucru este echivalent cu multiplicarea fortei de atractie cu un factor K2. Sa vedem deci mai intai ce s-ar intampla in conditiile pe care le-am presupus noi. Pentru a nu va obosi cu prea multe cifre si calcule, sa alegem o “indoire” de numai K2=106 . In acest caz, distanta initiala pe care o avem de parcurs, r =1 a.l.=9,46x1012 km, va fi redusa de 1000 de ori, la r1=9,46x109 km, cam de o suta de ori distanta Pamant-Soare. Intrebarea legitima urmatoare ar fi: ce economie de timp am realizat astfel ? Inainte de a raspunde, va trebui sa mai verificam ceva: daca viteza pe care o atribuim navei noastre cosmice nu cade cumva sub incidenta paradoxurilor temporale, in particular cel asa-numit “al gemenilor”. Pentru aceasta trebuie sa ne amintim din teoria einsteiniana a relativitatii ca factorul de dilatare temporala este : γ= (1-β2)-1/2 Intr-o formulare aproximativa, g este factorul cu care se multiplica pentru observatorul “din punctul de plecare” timpul scurs pe nava. Sa alegem pentru viteza de deplasare, v, valori care sa reprezinte diferite “fractiuni” din viteza luminii, de la o miime (300 km/s) pana la 99%. b va fi astfel: b=v/c-0,001;0,01;0,1;0,2;0,3;0,4;0,5;0,6;0,75;0,9;0,99; ceea ce arata ca factorul g incepe sa ridice probleme incepand cu viteze de peste 75% din viteza luminii (pentru care g = 1,51 , ajungand la g = 7,088 pentru v=0,99 c). Sa ne multumim atunci cu o viteza “modesta” de numai 3000 km/s, adica v=0,01 c. Astfel, distanta r1 va fi parcursa de nava in timpul t=r1/v=3,15x106 s, adica aproximativ 875 ore, putim mai mult de o luna (ceea ce, fata de durata initiala de un an, reprezinta evident un progres). In fine, presupunand la urma urmei ca a) problema este rezolvabila in principiu si ca b) viteze de ordinul sutelor si miilor de kilometri pe secunda sunt (vor fi) efectiv realizabile, mai raman inca probleme tehnice legate de efectul acestor viteze asupra navei, ca sa nu mai vorbim, de efectul indoirii in sine a spatiului asupra tuturor obiectelor si fiintelor care intra an joc. Un ultim comentariu la acest punct: marile probleme pentru orice vehicul in deplasare provin nu atat de la viteza cu care se deplaseaza, cat de la acceleratiile la care este supus. Ne putem gandi, insa, in cazul saltului in hiperspatiu ca, din nou intr-o formulare aproximativa, ar fi vorba de fapt de un fel de … “cadere libera” a navei pe distante de unul sau cateva zeci sau cine stie cati ani-lumina. Evident insa in final va trebui sa ne confruntam cu problema deceleratiei. Ce poate sa insemne acest lucru ? De exemplu, in cazul discutat mai sus, daca presupunem ca franam in doua etape, mai intai pe durata a 50 de ore pana la atingerea vitezei de 12 km/s (cam cat viteza de desprindere de pe Pamant), apoi pe parcursul a inca 20 de minute, pana la o viteza de “aterizare” de circa 500 km/h, acceleratiile implicate (de fapt deceleratiile) ar fi de ordinul a 1,69 g, respectiv g (unde g este acceleratia gravitationala la suprafata Pamantului), adica fara sa ridice probleme. WARP Unul dintre mijloacele de transport inventate de scriitorii de SF pentru a depasi viteza luminii este tehnica WARP. In traducere warp vine de la verbul englez “to warp” adica “a indoi”. Ideea de baza este urmatoarea. In jurul navei va fi creat un camp gravitational astfel incat spatiul de dinaintea navei se va contracta iar cel din spatele navei se va dilata. Einstein, prin teoria sa spune ca nici un fenomen nu poate depasi viteza luminii dar nu spune ca spatiul nu ar putea fi contractat si dilatat cu o viteza mai mare decat cea a luminii. In plus nava noastra se va afla intr-o bula spatio-temporala care o va proteja de indoirea spatiu-timpului. In interiorul acestei bule nava nu va depasi viteza luminii dar in exterior bula (prin contractia si dilatarea spatiului) se va misca mai repede decat lumina. In acest tip de transport apar doua dificultati majore. Prima este aceea ca pentru a mentine bula (care are tendinta de a fi strivita de fortele de greutate implicate in contractia si dilatarea spatiului) avem nevoie de o forta antigravitationala care este deocamdata de domeniul viitorului (cercetari se fac cu magneti supraconductibili). O alta problema este energia necesara care trebuie folosita. De unde putem obtine o astfel de energie. Exista mai multe variante: energia punctului 0 (energia care tine protonii legati intre ei si da consistenta materiei), energia vidului (extragere de energie din fluctuatiile vidului = crearea si anihilarea spontana de particule), capturarea unui quasar si folosirea energiei sale. Toate aceste variante sunt de abia la inceputul descoperirii lor, asteptand sa fie puse in aplicare de vreun alt Einstein, si sa dea umanitatii roadele unei stiinte extrem de importanta in viata de zi cu zi, fizica…. Made by Terzi Razvan
