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quatum_fire_bannerIl nuovo progetto QuantumFIRE muove i suoi primi passi agli inizi di marzo 2010 ed attira subito l'attenzione per l'argomento trattato: la meccanica quantistica. Non è proprio un argomento nuovo per BOINC, infatti da molto è attivo QMC@home, ma la novità è che QuantumFIRE vuole studiare le fondamenta della teoria dei quanti.
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Mike Towler, ricercatore della Royal Society presso il Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge (membro del TCM) e responsabile del progetto QuantumFIRE su BOINC, introduce il senso e i retroscena del progetto con un breve scritto sul sito ufficiale (è disponibile anche la traduzione integrale ).
 
La meccanica quantistica, afferma Towler, è la miglior teoria in circolazione per spiegare come funziona il mondo a livello atomico.
Il team TCM (dall'inglese Theory of Condensed Matter) ha sviluppato un software chiamato CASINO per analizzare i problemi relativi ai quanti: questo software è molto probabilmente il più accurato strumento di analisi utile per risolvere le equazioni di meccanica quantistica applicate a un sistema complesso, composto cioè da più di qualche singolo elettrone.
Non è possibile trovare una soluzione esatta alle equazioni ma il Metodo Monte Carlo utilizzato dal codice CASINO è stato portato a livelli di approssimazione così elevati che quasi sempre fornisce la risposta corretta al problema. Questa elevata approssimazione si paga in termini di difficoltà di calcolo; è infatti una tecnica molto costosa in termini di tempo CPU ma con abbastanza PC a disposizione per abbastanza tempo, questo non sarà un problema.

Ora, questo è solo un aspetto del lavoro che stanno facendo con il progetto QuantumFIRE. E non è neppure una novità - molti di voi conosceranno infatti il progetto QMC@HOME che da poco ha iniziato ad utilizzare, in collaborazione con loro, lo stesso software (anche se con il nome di QASINO).
 
Ciò che invece non è mai stato fatto prima, almeno nel mondo del calcolo distribuito, è una ricerca nel campo delle fondamenta della teoria dei quanti. Cos'è questa teoria dei quanti? La cosa suona più o meno così:
 
 

Nessuno ha la più pallida idea di cosa sia la meccanica quantistica.


Le equazioni ci permettono di fare delle accurate previsioni sul comportamento del mondo che ci circonda, ma sul perché ci riescano o a cosa realmente si riferiscano i termini delle equazioni è fondamentalmente un mistero. Basti pensare che non sappiamo nemmeno bene cosa sia un elettrone - una particella, una forma d'onda, entrambi o qualcosa di completamente diverso?

Per avere un'idea di cosa si stia parlando è consigliata una occhiata alla pagina che tratta del noto esperimento della doppia fenditura.

Le equazioni contengono un termine chiamato funzione d'onda (vagamente, è la probabilità di un sistema di trovarsi in un certo punto dello spazio in un certo istante) e le conclusioni che si traggono circa il significato della meccanica quantistica derivano fondalmentalmente da cosa si creda che essa sia.

Alcuni credono che la funzione d'onda si riferisca alla conoscenza che un osservatore ha del sistema, altri pensano che si riferisca a qualcosa chiamato "potenzialità". Per esempio: un elettrone potrebbe NON avere una posizione definita fino al momento in cui qualcuno decide di osservarlo, e quando quel qualcuno lo fa, allora l'elettrone appare in una posizione casuale - la probabilità di apparire proprio in quel punto è data dal quadrato del modulo della funzione d'onda.

La natura sarebbe così fondalmentalmente casuale o probabilistica, con buona pace di chi pensa all'elettrone come ad una particella che viaggia seguendo traiettorie ben definite.

In realtà qualcuno cercò di dare una spiegazione, addirittura nel lontano 1927: il fisico francese Louis de Broglie introdusse infatti la sua teoria dell'onda pilota. L'idea di base è che non solo la funzione d'onda è un campo oggettivamente reale, ma che esistono anche le particelle e che il moto di queste ultime viene guidato dal campo (da cui il nome "onda pilota").
 
Le idee di L. de Broglie furono derise e completamente ignorate dal mondo accademico e solo nei primi anni '50 un giovane fisico il cui nome è David Bohm (quasi certamente ispirato dallo stesso Einstein) decise di metterci mano. La teoria risultante, nota ora come Interpretazione di De Broglie-Bohm, è ancora in uso al giorno d'oggi ed è poi l'oggetto di interesse di quelli che lavorano al progetto QuantumFIRE.
 
Normalmente la formulazione ortodossa della meccanica quantistica dice che le particelle sono sempre distribuite secondo il quadrato del modulo della funzione d'onda (qualsiasi cosa sia). Invece nella formulazione di De Broglie-Bohm le particelle e le onde sono entità separate e la distribuzione nello spazio di una non necessariamente è in relazione con la distribuzione dell'altra.
Si può però dimostrare che nel tempo le particelle si distribuiscono secondo il quadrato nel modulo dell'onda e una volta che sono distribuite in questo modo rimangono tali per sempre (è una sorta di "stato di equilibrio della distribuzione").
 
Una delle conseguenze della teoria di De Broglie-Bohm (formulata dal fisico inglese Antony Valentini) è che quando lo spazio si espande rapidamente (come ad esempio si suppone sia successo all'universo dopo il Big Bang) non vi sia più questa tendenza delle particelle alla situazione di equilibrio. Una prova di questo dovrebbe essere la Radiazione Cosmica di Fondo (CMB, dall'inglese Cosmic Microwave Background) misurata e mappata accuratamente dai satelliti.
 
Il software LOUIS, basato sull'idea dell'onda pilota, è stato progettato per studiare questo approccio all'equilibrio, e noi possiamo aiutarli in questa ricerca! Il video (in alto nell'articolo) mostra la distribuzione iniziale (quasi-circolare) di alcuni elettroni contenuti in una scatola - scelta deliberatamente in modo da avere una forma diversa dal quadrato del modulo della funzione d'onda.
Con l'andare del tempo la distribuzione degli elettroni viene influenzata dal campo legato alla funzione d'onda e si evolve verso una situazione di equilibrio. Riuscite a notare le spirali in movimento?
 
Vedremo se sarà possibile fare delle previsioni quantitative (oggettive, con dei valori) sulla radiazione cosmica di fondo e su come dovrebbe essere. E finalmente la meccanica quantistica non sembrerà così bizzarra dopo tutto.
 
L'applicazione LOUIS non è ancora distribuita da QuantumFIRE ma è il loro prossimo passo.
 


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