Teoria delle stringhe, effetto
entanglement e fotosintesi clorofilliana
Gruppo “B. Riemann”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
*Gruppo amatoriale per la ricerca matematica sui numeri primi, sulle loro congetture e sulle
loro connessioni con le teorie di stringa.
Abstract
In this paper we show some connection between string theory,
entanglement and plants’ photosynthesis
Riassunto
Come abbiamo scritto in lavori precedenti, l’effetto entanglement è
una conseguenza della teoria delle stringhe , ed ha applicazioni
artificiali (teletrasporto quantistico, computer quantistici, crittografia
quantistica, ecc.) e naturali (calcolatori prodigio. orientamento
negli uccelli migratori, vedi Riferimenti finali).
Ora leggiamo : “Antenne proteiche per la fotosintesi” , Le Scienze
di Agosto 2013 ) che anche nella fotosintesi clorofilliana, alla base della
vita vegetale, sembra chiaramente coinvolto l’effetto entanglement.
1
“ Antenne proteiche per la fotosintesi
Da tempo si cercava di capire come facessero piante e batteri a convertire
Fino al 95% dell’energia solare assorbita tramite la fotosintesi, mentre l’efficienza di
conversione di un pannello solare è di circa il 20%. Un gruppo di ricercatori del
l’Università di Glasgow e dell’Istituto di scienze fotoniche del Parco tecnologico
mediterraneo di Barcellona ha analizzato i processi fotosintetici di un batterio,
Rhodopseutomonas acidophila , con un’innovativa tecnica di spettroscopia. In questo
modo, come spiegano su << Scienze >>, hanno visualizzato gli stati delle proteine
antenna …responsabili dell’assorbimento della luce e del trasporto dell’energia ai
centri di razione fotochimica.
In pratica hanno potuto osservare come l’energia scorre attraverso i sistemi
fotosintetici con una risoluzione spaziale e temprale senza precedenti, rilevando i
fenomeni quantistici in atto. Osservando gli effetti quantistici nella fotosintesi nelle
normali condizioni ambientali, i ricercatori hanno dimostrato che l’efficienza dei
processi fotosintetici è resa possibile dalla coerenza quantistica, che << tiene in fase
>> due diversi stati delle proteine antenna,, rendendo il processo di trasporto
dell’energia più robusto rispetto alle variazioni ambientali
Michele Bellone
Un articolo sul web, reperibile sul sito di Appunti Digitali:
www.appuntidigitali.it/6808/le-piante-sapevano-gia-tutt..., che riportiamo
per intero, è più completo e più chiaro ( ma esistono anche altri link
sull’argomento, noi abbiamo scelto questo)
Le piante sapevano già tutto: utilizzano effetti quantistici per la fotosintesi
di Eleonora Presani - lunedì 8 febbraio 2010
2
Uno dei concetti più difficili da comprendere e da
accettare della Meccanica Quantistica è la dualità onda-particella. La meccanica quantistica,
infatti, sostiene che ogni particella, pur essendo corpuscolare, e quindi seguendo le leggi della
meccanica newtoniana, è allo stesso tempo anche un’onda, e quindi segue le proprietà della
fisica ondulatoria. È un concetto molto strano, come fa una cosa ad essere sia un’onda che una
particella allo stesso tempo? Se dal punto di vista teorico quest’idea è molto complessa, il
metodo per vederlo coi propri occhi è di semplicissima realizzazione, e lo può fare chiunque a
casa propria. Anzi, al giorno d’oggi chiunque lo può fare con risultati molto più soddisfacenti
di Young, che dà il nome al relativo esperimento. Si può anche vedere il risultato con una
piccola applet java dimostrativa. L’idea è che se prendiamo un pannello con due fenditure,
una sorgente luminosa da una parte e una lastra fotografica (o ancora meglio, un sensore
digitale) dall’altra possiamo verificare questa dualità.
Chiudendo una delle due fenditure, la luce la attraverserà, andando ad incidere sulla lastra
fotografica lasciando un’immagine unica. In questo senso la luce si è comportata seguendo la
meccanica newtoniana, come se fosse composta da palline che attraversano una porta aperta.
Dopo questa osservazione, aprendo entrambe le fenditure, uno si aspetterebbe di vedere la
luce distribuita uniformemente attorno a due zone più luminose di fronte alle fenditure.
Invece non si osserva niente di tutto ciò. Quello che si vede è ciò che viene chiamato “pattern
di interferenza” con delle strisce più luminose alternate a strisce buie (a seconda che
l’interferenza sia costruttiva o distruttiva). Questo comportamento è tipico di un’onda
(pensate per esempio a cosa vedreste lanciando due sassi nello stesso momento in un lago) e
dimostra come la luce sia effettivamente anche un’onda.
3
Questo esperimento può essere condotto anche con gli elettroni, al posto
della sorgente luminosa. Se mettiamo una sorgente di elettroni da un lato, il solito pannello a
due fessure in mezzo e un pannello rivelatore dall’altra, possiamo osservare come, con
l’aumentare del flusso di elettroni, si osservi un pattern di interferenza. Le immagini a fianco
sono prese dopo l’invio di 10 (a), 200 (b), 6000 (c), 40000 (d), 140000 (e) elettroni. È facile
osservare come gli elettroni comincino a mostrare un comportamento via via sempre più
ondulatorio. La capacità di interferire con le altre particelle come delle onde, in meccanica
quantistica, viene identificata con il nome di “quantum coherence” o coerenza quantistica.
L’idea di base di questo concetto è che, nell’esempio delle due fenditure, l’elettrone può
passare per entrambe le fessure contemporaneamente, proprio come se fosse un’onda. In
pratica una particella, quando viaggia, prende contemporaneamente tutte le strade possibili,
riuscendo così a minimizzare lo sforzo necessario per arrivare a destinazione. È un po’ come
se noi potessimo, per andare da casa al posto di lavoro, prendere tutte le strade
contemporaneamente, in modo da evitare i semafori, le code, le deviazioni istante per istante.
In un articolo comparso sulla rivista Nature dello scorso 4 Febbraio, alcuni fisici-chimici
dimostrano come alcune piante siano in grado di sfruttare questa proprietà quantistica della
luce, per ottenere la massima energia dalla fotosintesi.
L’autore, Greg Scholes, con i suoi colleghi, sono riusciti ad isolare in laboratorio la proteina
che alcune alghe sensibili alla luce, chiamate Rhodomonas CS24 e Chroomonas CCMP270,
utilizzano per raccogliere la luce. Queste alghe fanno parte della famiglia delle Cryptophytes e
hanno una caratteristica che le contraddistingue dalle altre piante. Non utilizzano un’unica
proteina come recettore della luce (come la clorofilla nelle piante verdi), ma “personalizzano”
le loro proteina in base alla luce che raccolgono, con diversi colori.
Questa particolarità ha aiutato molto i ricercatori a seguire la luce nel suo percorso verso le
proteine che la sintetizzano in energia utilizzabile per la vita. Scholes ha utilizzato dei raggi
laser monocromatici molto brevi e intensi per illuminare queste alghe. Poi, attraverso una
4
tecnica già sperimentata nel campo della cristallografia, il team di scienziati ha “seguito” il
percorso dell’energia, osservando dove si trovava in ciascun istante. Avere una luce
monocromatica e quasi istantanea (il flash laser ha una durata dell’ordine del femtosecondo,
un quadrimilionesimo di secondo) ha permesso di tracciare la luce e misurare il tempo di
sopravvivenza della stessa in ciascun stato. Quello che si è osservato è decisamente
sorprendente. Questa alghe riescono a mantenere l’energia “attiva” per un periodo 400 volte
superiore al tempo di esposizione alla luce (quindi circa 400 femtosecondi) e in diverse zone
della struttura stessa. In pratica utilizzano pienamente il concetto di coerenza quantistica,
facendo fare alla luce più percorsi contemporaneamente, in una sovrapposizione di stati
quantistici.
Questa osservazione non è del tutto nuova, nel senso che si erano già visti comportamenti
simili in particolari batteri viola, e altri batteri che hanno dimostrato di utilizzare questa
tecnica in condizioni di freddo estremo, 77 gradi kelvin (-196 celsius).
Queste alghe, però, sono le prime a mostrare come effetti quantistici possano diventare più
importanti della meccanica newtoniana anche in condizioni “standard”, a temperatura
ambiente e all’interno di strutture macroscopiche come delle alghe complesse.
L’utilizzo del laser intenso e monocromatico è stato un “trucco” per osservare il fenomeno,
non per crearlo. È quindi possibile estendere questa osservazione anche in strutture più
complesse ed aspettarsi che tutte le piante sfruttino la coerenza quantistica per ottimizzare
l’assunzione di energia per effetto della fotosintesi.
Perché questa osservazione è così importante? Beh, a parte l’amore della conoscenza che ci
porta ad esultare per ogni passo verso la comprensione della natura, possiamo cercare di
imparare da essa, e dalle tecniche che essa ha sviluppato dopo milioni di anni di evoluzione.
A chi vengono in mente, per esempio, le celle fotovoltaiche? …”
Questo significa che in futuro, potremmo usare lo stesso effetto per
catturare convenientemente energia solare tramite idonei dispositivi
connessi con pannelli solari molto efficienti, e sfruttare l’effetto
quantistico entanglement per strumenti ed effetti macroscopici, come
le celle fotovoltaiche e la produzione sostenibile ed ecologica di
energia elettrica. A questo proposito, riportiamo un altro articolo
interessante in questo senso, dal sito di Cyberscienza:
www.cyberscienza.it/2013/07/22/i-fotoni-e-i-confini-del...
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Fisica quantistica
I fotoni e i confini dell’entanglement su scala
macroscopica
Posted by
cyberscienza
22 luglio 2013
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Da quando Erwin Schrödinger ha elaborato il suo noto esperimento mentale i fisici sono alla
ricerca di una sistema per mostrare se e in che modo le regole della fisica quantistica possano
applicarsi agli oggetti ordinari: gatti, sedie, tavoli. La creazione di uno stato entangled tra un
sistema macroscopico ed uno microscopico è uno degli obiettivi principali delle ricerche in
questo ambito. Complessi atomici, circuiti superconduttori, sistemi elettrici ed optomeccanici
sfruttano tutti le incredibili proprietà della fisica quantistica. Come testate a quale limite di
grandezza si può realizzare questo “intreccio”? Ora, i fisici dell’Università di Calgary hanno
compiuto un significativo passo avanti in questa direzione creando un sistema in cui sono
presenti le proprietà quantistiche su larga scala. I risultati sono stati presentati in un articolo
pubblicato sulla rivista Nature Physics.
Schrödinger ci aveva presentato il suo gatto: immaginiamo un gatto chiuso in una scatola
d’acciaio insieme ad un dispositivo (che deve essere tenuto al riparo dall’interferenza diretta
del felino) in grado di rilevare l’emissione di una particella da un atomo radioattivo che si
annichila. Connettiamo a questo dispositivo un contatore Geiger che contiene una fiala piena
di un gas mortale in modo tale che, se si verifica il decadimento radioattivo a seguito
dell’annichilamento dell’atomo, un martello si abbatta sulla fiala contenente il gas mortale e
la rompa, provocando la morte del gatto. Ammesso di lasciare l’intero sistema indisturbato
per un tempo congruo (mettiamo un’ora), si può dire che il gatto è ancora vivo se nel
frattempo nessun atomo è decaduto.
Il vettore di stato del sistema completo (scatola, gatto, martello, fiala) deve essere descritto
secondo lo schema (x+y), benché contenga molti elementi in più. Questo sistema è dato dalla
sovrapposizione di due stati: (i) stato-x = atomo non annichilato + martello alzato + fiala
integra + gatto vivo, e (ii) stato-y = atomo annichilato + martello abbassato + fiala rotta +
gatto morto. Ma finché non viene fatta un’osservazione, il gatto non è né vivo né morto. In
questo esperimento abbiamo un oggetto di taglia media, macroscopico, il gatto, e un oggetto
microscopico, il nucleo in decadimento.
In questo nuovo esperimento sono coinvolti due sistemi: il sistema macroscopico che è
costituito da un centinaio di milioni di fotoni, e il sistema microscopico strutturato a livello di
un singolo fotone. È stato possibile mostrare che le fluttuazioni quantistiche rilevate a livello
microscopico con misurazioni di campo sono correlate con fluttuazioni macroscopiche che,
statisticamente, coinvolgono ovviamente un pacchetto di fotoni. Più semplicemente, il risultato
ottenuto è questo: esattamente come accade per un singolo fotone, anche i pacchetti di fotoni
mantengono una correlazione con il sistema microscopico. Dato che il sistema occupato dal
pacchetto di fotoni è certamente più grande di quello che ne ospita uno solo, si tratta di capire
6
qual è il confine esatto che consente ai sistemi di questo tipo di non perdere la coerenza
quantistica.
In pratica è come se al pacchetto di fotoni corrispondesse il gatto e al singolo fotone il nucleo
atomico; è evidente che le differenze permangono, ma l’idea è sostanzialmente quella di
“rileggere” l’esperimento mentale per testare i limiti dell’entanglement stesso. Sebbene
l’esperimento mentale di Schrödinger sia stato originariamente pensato per mostrare
l’assurdità di un’applicazione della meccanica quantistica agli oggetti macroscopici, questo
studio suggerisce che può applicarsi non solo a singoli atomi – ossia a realtà individuali – ma
anche a raggruppamenti di atomi, ad una molteplicità di cui, per ora, non sappiamo granché.
Fonte: http://phys.org/news/2013-07-big-schroedinger-cats-quantum-boundary.html.
Aspetta, potresti leggere anche:
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Il significato di “macroscopico” nel vocabolario della fisica quantistica
Cos’è l’entanglement? Lo strano caso dei “guanti entangled”
Fotoni come araldi? Nuovo record nell’osservazione degli stati entangled
Dimostrato l’entanglement tra sistemi quantistici “sfasati” nel tempo
Il Teletrasporto “discreto” di singole particelle non è l’unica realtà
Tags: Entanglement Erwin Schrödinger
Aggiungiamo un ottimo articolo di “Le scienze” Marzo 2013, di
Mario Cattaneo sui cosiddetti “metalli strani”, a causa di un
massiccio effetto entanglement:
Le Scienze
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01 marzo 2013
Laggiù c’è ancora spazio
L'editoriale di Marco Cattaneo
VAI AL SOMMARIO
Era il 29 dicembre 1959 quando Richard Feynman tenne al California Institute of Technology
la sua celebre lezione intitolata There’s Plenty of Room at the Bottom, «c’è un sacco di spazio
laggiù in fondo», in cui profetizzava l’avvento delle nanotecnologie, di un’epoca in cui si
sarebbe potuto manipolare la materia su scala atomica. «Quando andiamo a studiare il
mondo davvero piccolo, diciamo circuiti di sette atomi, accade una quantità di nuovi fenomeni
– disse davanti a una platea probabilmente impreparata a una visione così rivoluzionaria –
che rappresentano opportunità completamente nuove in termini di progettazione. Gli atomi, a
piccola scala, si comportano come null’altro che conosciamo a grande scala, perché essi
soddisfano le leggi della meccanica quantistica».
Oggi le nanotecnologie sono una realtà che ha già invaso i mercati con migliaia di brevetti
applicazioni commerciali. Ma il comportamento quantistico dei materiali ci sta riservando
sorprese che nemmeno il genio visionario di Feynman avrebbe potuto prevedere. Partiamo
dall’entanglement, il singolare fenomeno di «accoppiamento» tra particelle che ha permesso,
tra gli altri, i primi esperimenti di teletrasporto quantistico. O, se volete, di quella
«inquietante azione a distanza» che Albert Einstein aveva illustrato e pesantemente criticato
con Podolski e Rosen nel paradosso EPR.
Normalmente si pensa all’entanglement come a un fenomeno che coinvolge una coppia di
particelle, diciamo due elettroni, in modo che quando misuriamo lo spin di uno dei due
istantaneamente l’altro assume spin opposto. Ma ci sono materiali – racconta Subir Sachdev
in Strane stringhe, a p. 50 – in cui gli elettroni entangled non sono due, ma miliardi di miliardi.
I fisici li chiamano «metalli strani», proprio perché esibiscono questo sorprendente
comportamento quantistico a scala macroscopica.
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Scoperta pochi anni fa, questa singolare fase della materia è ancora in larga parte misteriosa,
ma una cosa è certa: in vicinanza di un punto critico quantistico, spiega Sachdev, «gli elettroni
non hanno più un comportamento indipendente, e neppure a coppie, ma acquisiscono un
comportamento complessivo» che i teorici non sono in grado di descrivere.
O almeno non lo erano, fino a quando in loro soccorso non è arrivata la potente matematica
sviluppata per la teoria delle stringhe. Che oggi sembra permettere di compiere qualche
progresso nella descrizione dei metalli strani e di altri stati della materia, come per esempio la
transizione da un superfluido a un isolante.
È presto per immaginare che cosa ne potrà derivare, ma almeno un paio di cose sono certe. La
prima è che ancora una volta gli strumenti teorici messi a punto per risolvere un problema si
rivelano utili per inquadrarne altri. La seconda, e più importante, è che c’è ancora un sacco di
cose da scoprire, laggiù in fondo nel bizzarro regno dove dominano i fenomeni quantistici.
L’evidenza in rosso è nostra
Conclusioni
Possiamo concludere dicendo che, essendo l’effetto quantistico (forse
anche altri, come per esempio l’effetto tunnel e l’effetto
Casimir), conseguenza delle teorie di stringa, i loro effetti naturali
(come in questo caso della fotosintesi) potrebbero estendersi dal
microcosmo invisibile (batteri) al macrocosmo visibile (piante
superiori), e quindi essere studiati e possibilmente copiati dapprima
in laboratorio e poi sul campo (possibili future celle fotovoltaiche ad
effetto entanglement) per le necessità energetiche del mondo moderno,
come auspicato nel secondo articolo sopra riportato, nel l’interessante
brano:
“Da quando Erwin Schrödinger ha elaborato il suo noto esperimento mentale i fisici sono alla
ricerca di una sistema per mostrare se e in che modo le regole della fisica quantistica possano
applicarsi agli oggetti ordinari: gatti, sedie, tavoli. La creazione di uno stato entangled tra un
sistema macroscopico ed uno microscopico è uno degli obiettivi principali delle ricerche in
questo ambito”
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L ‘evidenza in rosso e nostra, per mostrare tutta l’importanza di
questi studi.
A monte però di questi studi ci sono quelli sulle teorie di stringa,
tramite la teoria dei numeri (in particolare primi, di Fibonacci, di Lie),
ai quali abbiamo dedicato alcuni lavori, e altri ne stiamo preparando
per il futuro, in base al seguente schema generale:
Teoria dei Numeri – Teoria delle stringhe – Effetti quantistici –
Fenomeni micro e macroscopici –Esperimenti di laboratorio –
Applicazioni industriali (energetiche , ma anche mediche, ecc.)
Nel caso di questo lavoro, dedicato alla fotosintesi, avremo
Teoria dei Numeri – Teoria delle stringhe – Effetti entanglement
Fotosintesi batterica – Fotosintesi nelle piante superiori – celle
fotovoltaiche sperimentali ad effetto entanglement - Celle fotovoltaiche
utilizzabili per possibile ed efficiente produzione di energia elettrica.
L’attuale ricerca in materia è ancora ferma allo studio della
fotosintesi batterica, e dello studio sulle possibilità di creare celle
fotovoltaiche connesse artificialmente in qualche modo all’effetto
entanglement, insomma a circa metà strada, ma la moderna ricerca
continua sempre più velocemente verso gli obiettivi finali , cioè le
10
applicazioni pratiche laddove sia possibile.
Lo stesso si potrebbe dire per altri effetti quantistici: per esempio, per
l’effetto Casimir (con produzione di energia negativa) , è stato già
brevettato di recente un dispositivo per possibili usi nell’astronautica.
(vedi Riferimenti finali)
Riferimenti finali
Alcuni sulle relazioni tra la teoria dei numeri e le teorie di stringa, altri
tra le teorie di stringe e i fenomeni naturali, soprattutto quantistici)
1)” DALLE TEORIE DI STRINGA AI MATERIALI
SUPERCONDUTTORI TRAMITE LA SEZIONE AUREA”
Gruppo “B. Riemann”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
2) “Percorso riepilogativo Teoria dei Numeri →Teorie di
stringa → effetti quantistici → realtà fisica”
Gruppo “B. Riemann”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
3)”Serie di Fibonacci nel microcosmo (effetto Hall quantistico, cariche
frazionarie , masse dei quark, numeri quantici, stabilità nucleare)
11
Gruppo “B. Riemann”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
4)”NOTA AGGIUNTIVA AL LAVORO “EFFETTO CASIMIR
SPERIMENTALE”
Gruppo “B. Riemann”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
5) –“NOTA AGGIUNTIVA SUL GRUPPO DI LIE E8”Francesco Di Noto, Michele Nardelli
6) “Studi ed osservazioni sul Gruppo di Lie”
7) “I Doppi di Fibonacci ( 2F(n) ) in fisica e nel calcolo delle
probabilità”
Gruppo “B.Riemann”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
8) “DAI NUMERI COMPLESSI ALLA REALTA’ FISICA
(in particolare gli ottonioni)”
Gruppo “B. Riemann”
Michele Nardelli, Francesco Di Noto
12
9)”L ’EQUAZIONE PREFERITA DALLA NATURA
E I RELATIVI GRAFICI PARABOLICI “
Gruppo “B. Riemann”
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
10) “DAI NUMERI PRIMI AL BOSONE DI HIGGS TRAMITE LE
SIMMETRIE (numeri primi-numeri di Lie-gruppi eccezionali di Liesimmetrie-teorie di stringa-E8xE8-bosone di Higgs) “
Gruppo “B. RIEMANN”*
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
11) “Dai numeri primi alla realtà fisica attraverso i numeri primi, i
numeri di Fibonacci, i numeri di Lie (e relative simmetrie), le
partizioni di numeri, la funzione zeta, l’ipotesi di Riemann, e le teorie
di stringa (effetti quantistici microscopici e macroscopici)”
“Gruppo B. Riemann”*
Michele Nardelli, Francesco Di Noto
12)” Effetto Casimir sperimentale (aspetti sperimentali e tecnologici)
Seconda Parte”
13
Gruppo B. Riemann
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
13)”Le dimensioni frattali e la sezione aurea “
Gruppo “B. Riemann”
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
14) “I tre principi matematici alla base delle teorie di
stringa (geometrico, aritmetico, algebrico)”
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
15) “DALLA TEORIA DEI NUMERI ALLE TEORIE DI STRINGA
CONNESSE AD EFFETTI QUANTISTICI (ES: ENTANGLEMENT),
SULLE FORME DI TELETRASPORTO E ALCUNI ALTRI
FENOMENI NATURALI “
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
16) “Teletasporto quantistico temporale (I viaggi nel tempo e i mondi
paralleli) “
Francesco Di Noto e Michele Nardelli
17) “I CALCOLATORI PRODIGIO E L’EFFETTO
ENTANGLEMENT”
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
14
18) “Nuove connessioni aritmetiche tra i “numeri magici” degli
elementi chimici più stabili, i livelli energetici nei gas nobili ed i
numeri di Fibonacci “
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
19) “La teoria delle stringhe come la teoria dei quanti?
Francesco Di Noto, Michele Nardelli
20) “Sulla funzione zeta di Riemann e connessioni con la teoria di
superstringa (M.Nardelli) - 05:44, 5/2/2005
21) “ Scoperto il legame tra la sezione aurea e la simmetria”
Michele Nardelli
15
