Referat Teleportarea

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Teleportarea si de asemenea puteti face Download Referat Teleportarea

Citeste fragmente din Referat Teleportarea

TELEPORTAREA CUANTICĂ Unul dintre mijloacele de transport inventate de scriitorii de SF este teleportarea. Oricine a văzut o imagine dintr-un film al unei teleportări. Subiecţii se aşază în nişte camere speciale, şi … dispar încetul cu încetul, pentru ca să apară vii şi nevătămaţi în altă locaţie. Cred că nimeni nu a putut să uite o asemenea imagine. Aşa cum apare ea în imaginea scriitorilor de SF, teleportarea are mai multe faze: scanarea subiectului – transmiterea informaţiilor – recrearea subiectului. Lucruri ce par relativ simple. Oamenii de ştiinţă au găsit însă câteva impedimente. Primul dintre ele se referă la posibilităţile de scanare. În lumea cuantică nu putem măsura parametrii unei particule cu o valoare precisă datorită principiului nedeterminismului, ci doar probabilistic. Astfel dacă am dori să aflăm viteza unei particule nu vom şti nimic despre poziţia ei. Apare apoi un alt impediment reprezentat de argumentul Penrose. Acesta spune că nu putem măsura o stare cuantică fără distrugerea ei. Deci pentru a obţine informaţiile necesare teleportării va trebui să distrugem originalul. Astfel teleportarea ar fi de fapt o secvenţă de tipul scanarea subiectului – distrugerea lui – transmiterea informaţiei – recrearea subiectului. Recent însă a apărut un paradox care pare a da speranţa că în viitorul îndepărtat va putea fi realizată teleportarea cel puţin a obiectelor dacă nu a oamenilor. Este vorba despre efectul Einstein - Podolski – Rosen (efect EPR). Cu toţii ştim că, conform teoriei relativităţii, viteza maximă în univers este viteza luminii. Totuşi s-a demonstrat că o pereche de fotoni gemeni (obţinuţi prin trecerea unei lumini monocromatice printr-un cristal) par a dezminţi aceasta regula. Dacă ceva interacţionează cu primul foton, al doilea foton resimte instantaneu această interacţiune. SCHEMA CLASICĂ Schema clasică, teoretică, primordială – sau cum doriţi să o numiţi – schema, care într-un an, doi, va fi studiată în şcoală şi cunoscută pe de rost de orice puşti, mai mult sau mai puţin sârguincios, revoluţionara schemă propusă de Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Jozsa, Asher Peres şi William K. Wooters este extrem de simplă. Fie I(> - starea particulei care trebuie teleportată. Vom numi două personaje fictive ale poveştii noastre, Alice – căreia I se încredinţează spre teleportare – şi Bob – care aşteaptă cu nerăbdare să se petreacă minunea şi să-l capete pe I(>. Presupunem că Alice şi Bob au împărţit deja pe din două o pereche de particule EPR. Acum Alice nu mai are nimic de făcut decât să efectueze o măsuratoare Bell asupra sistemului format din I(> şi propria sa particulă EPR. În urma acestei măsurători, Alice va obţine patru rezultate posibile, corespunzând celor patru stări ortogonale numite stări Bell. Stabilindu-şi anterior un cod prin care fiecărui rezultat îi era asociată o singură transformare locală, Alice îi poate transmite lui Bob un semnal constând din doi biţi de informaţie, printr-un canal de comunicaţie clasic. Astfel Bob va afla că propriei sale particule EPR i s-a întâmplat “ceva” şi că, aplicându-i transformarea corespunzatoare codului primit de la Alice, îl va obţine tocmai pe I(>. GĂURI NEGRE - GĂURI DE VIERME (WORMHOLES) “Găurile negre deţin premiul cel mare în vrăjitoria modernă şi se spune că sunt tuneluri legând Universul nostru cu tărâmul de basm al unui număr infinit de alte universuri. Trucurile matematice care leagă între ele diverse spaţiu-timpuri nu generează neapărat o fizică de calitate…” (E.R. Harrison) Găurile negre sunt obiecte cereşti, care, într-un fel, pot dicta soarta Universului nostru. Karl Schwarschild reuşeşte să găsească o soluţie de mare eleganţă pentru un corp sferic aflat într-un spaţiu gol (lipsit deci de materie). Această soluţie vine imediat după publicarea de către Einstein a faimoasei ecuaţii care sta la baza teoriei relativităţii generale, soluţie cunoscută sub numele de “metrica lui Schwartschild” : ds2=c2(1-2GM/c2r)dt2-dr2/(1-2GM/c2r)-r2(dθ2+sin2θ dφ2) Spaţiu-timpul este curbat într-o asemenea măsură în jurul corpului respectiv, încât acesta devine practic invizibil. Altfel spus, dacă raza corpului a atins valoarea r, am putea spune “pragul” Schwarschild, el şi-a început călătoria fără întoarcere spre nefiinţă, devenind o gaură neagră. Înăuntru se petrec fenomene la care lumea “normală” nu are acces – spaţiul devine timp, iar totul se prăbuşeşte spre centrul care s-a transformat într-o singularitate. Ceea ce ne interesează însă pe noi în continuare este că, pe lângă spectaculozitatea unor asemenea rezultate, trebuie spus că găurile negre au o importanţă cu totul aparte în fizică, astronomie şi cosmologie. În primul rând pentru că, ţinănd seama că ele reprezintă stadiul final al colapsului unor stele cu masa egală cu cel puţin trei mase solare, este de presupus că foarte multe stele s-au şi transformat sau urmează să se transforme în găuri negre. Apoi, pentru că neuniformităţile gravitaţionale este posibil să fi generat o mulţime de minigăuri negre în Universul timpuriu. În fine, pentru că formarea unei găuri negre este foarte importantă pentru evoluţia Universului, mai ales că în timpul Big-Bang-ului, ca şi în momentul morţii universului, condiţiile sunt extrem de asemănătoare cu cele dintr-o gaură neagră. Evident că o gaură neagră nu poate fi observată direct, şi anume pentru că lumina, “vehiculul” care ne aduce informaţia vizuală despre orice “lucru” existent în afara fiinţei noastre, nu poate părăsi suprafaţa sa şi în consecinţă … nu are “ce” să ajungă la noi. Şi totuşi, găurile negre sunt unele dintre cele mai studiate corpuri cereşti, mai ales de către fizicienii teoreticieni şi matematicieni. Metrica Schwarzschild descrie şi o a doua posibilitate, cea a ceea ce putem numi “găurile albe”. Adică, în loc de o particulă, de exemplu, a cărei distanţă, r, să scadă până la raza Schwarzschild, rs (orizont), şi în continuare până la zero – singularitatea, am putea avea o particula care să “migreze” spre orizont din interior, r crescând deci dinspre singularitate spre rs şi mai departe, transformând ceea ce în interiorul găurii este timp în ceea ce în exterior este spaţiu. Particula “iese” astfel spre orizont şi nu se mai poate întoarce. În loc de o gaură neagră, avem acum de-a face cu o gaură albă. După un exerciţiu cu care ne-am obişnuit, particulei îi trebuie, în sistemul propriu, un timp finit (câteva microsecunde) pentru a realiza acest lucru. Pentru un observator extern al fenomenului, aceasta durată de timp are însă dimensiuni infinite. Există totuşi o deosebire fundamentală faţă de “soluţia neagră” (şi “pesimistă”)! Nu putem explica originea găurii albe. Din acest punct de vedere, gaura albă este acauzală. Iar dacă vă veţi imagina cumva că răspunsul ar putea fi identificarea acestei origini cu însăşi singularitatea, atinsă în mod fatal de particulele transgresând orizontul evenimentelor, veţi realiza imediat că nu se poate. Pentru că din nou ne-am lovi de imposibile paradoxuri temporale, generate în ultima instanţă de violarea cazualităţii: simplificând lucrurile, particula ar urma să “iasă” înainte de a fi “intrat” ! Sau, dacă nu despre o particulă este vorba, ci despre o fiinţă, aceasta ar reapare în lume înainte de a se fi născut, şi-ar putea întâlni părinţii sau bunicii sau chiar pe sine – cu libertate nelimitată de acţiune, inclusiv de a-şi ucide propriul ego. WORMHOLES Şi dacă totuşi găurile albe ar putea fi create şi ar exista în perechi cu găuri negre, aceasta nu s-ar putea întâmpla în acelaşi univers sau dacă s-ar întâmpla în acelaşi univers, ar implica spaţiu-timp diferite.Aşa se naşte ideea – unii ar spune chiar necesitatea – existenţei, generării unor punţi de legătură, neaşteptate căi de acces, între universuri sau spaţiu-timpuri paralele. Adevărate tuneluri care au primit straniul nume de “găuri de vierme” – wormholes. Un concept nu foarte nou şi, mai ales, imaginat de oamenii de ştiinţă înaintea autorilor de science-fiction. Pentru că încă de prin anii 1950, Einstein şi Rosen (acelaşi din faimosul “paradox Einsten-Podolski-Rosen”) au imaginat un nou tip de sfârşit pentru existenţa materiei care se prăbuşeşte într-o gaură neagră. Cum spune Isaac Asimov în minunata sa carte “The Collapsing Universe”, materia care se “îmbulzeşte” în gaura neagră poate, în principiu, să se “strecoare” afară… Acest transfer de materie, care se poate efectua practic instantaneu pe distanţe enorme (milioane sau miliarde de ani lumină), nu se poate face în mod “obişnuit”, căci nu se poate pune de acord viteza luminii, ca viteză limită în Univers. El implică nişte…cai speciale, un fel de tunele, “punţi Einstein-Rosen”, cu le numeşte Asimov, care nu pot avea caracteristicile temporale ale Universului nostru şi prin care materia comprimată, strivită, în gaura neagră, explodează cu o enormă degajare de energie într-un alt univers. Găurile albe (despre care a început să se vorbească sub acest nume spre mijlocul anilor 1960 şi pentru care, conform ideii lui Novikov şi Ne’eman, quasarii ar putea fi un bun candidat), se pot foarte bine imagina ca niste mini-Big Bang-uri, care tot adună mereu energia lor, pregătindu-se pentru Big-Bang-ul adevărat care dă naştere Universului şi generează radiaţia de fond care “umple” întreg Universul la o temperatură de trei grade Kelvin şi pentru a cărei descoperire, Arno Penzias şi Robert Wilson au luat în 1980 Premiul Nobel. Marea problemă care apare aici este următoarea: de unde îşi ia Universul enorma energie de care are nevoie pentru a parcurge ciclurile evoluţiei sale ? Dacă nu cumva Universul nostru însuşi este o imensă gaură neagră, care, la sfârşitul expansiunii, se “angajează” în procesul de comprimare, sfârşind prin a trece printr-o gaură de vierme înapoi în timp într-un alt… el însuşi ! ori mai grea va avea o densitate de numai 1g/cm3, iar densitatea unei găuri negre de trei miliarde de mase solare ar fi mai mică decât cea a aerului la nivelul mării ! Cu alte cuvinte, dacă o navă cosmică ar ajunge în vecinătatea unei asemenea supergăuri negre, ea nu va întâmpina nici un fel de … “neplăceri”; mai mult pasagerii navei s-ar putea să nici nu-şi dea seama când au traversat orizontul evenimentelor. Drumul este deschis spre gaura de vierme, care urmează să “canalizeze” nava spre poarta de ieşire, adică spre gaura albă. Doar că, aşa cum spuneam, cauzalitatea face imposibilă “ieşirea” în acelaşi univers sau măcăr în acelaşi spaţiu-timp ! SALTUL ÎN HIPERSPAŢIU Desenele de pe pagina următoare exprimă mai clar decât orice cuvinte ideea – pe cât de simplă, pe atât de dificil de realizat – a saltului în hiperspaţiu: atunci când avem nevoie să ajungem “în timp util” dintr-un punct în altul, pe traseul călătoriei noastre cosmice, nu avem decât să … “îndoim” spaţiul, ca atunci când ne jucăm, de pildă, cu o furnică pusă pe o foaie de hârtie, pe care o îndoim pentru a o face să ajungă, să “cadă”, practic instantaneu, într-o altă zonă. Se ridică bineînţeles două întrebări: este posibil de realizat “tehnic” acest lucru ? Şi, cealaltă întrebare, mult mai dificilă şi mai profundă: este posibil, în principiu, să luam în considerare o asemenea posibilitate ? Să ne oprim la prima întrebare. La nivelul dezvoltării tehnologice actuale, dar şi al înţelegerii ştiinţifice a naturii, răspunsul cel mai cinstit este : nu. Este însă acesta un lucru cu adevărat irealizabil ? Să ne amintim câteva dintre discuţiile legate de unificarea forţelor fundamentale în natură şi, din nou, să facem apel la “zestrea” pe care ne-a lăsat-o Einstein. După cum bine ştiţi, există – sau mai bine zis, cunoaştem – la ora actuală patru forţe fundamentale: gravitaţională, slabă, electromagnetică şi tare. Ele s-au desprins, dacă ne putem exprima altfel, dintr-un trunchi comun, existent încă din prima secundă de viaţă a Universului. Marea provocare pe care şi-au autoasumat-o fizicienii este deci de a întelege modalitatea de realizare a unificării lor. Lăsând la o parte termenii tehnici, unificarea a două forţe, să zicem, de exemplu, gravitaţia şi electromagnetismul, care, după cum vom vedea imediat, ne interesează şi pe noi, înseamnă înlocuirea lor cu o singură forţă, având caracteristicile ambelor. Altfel spus, într-o astfel de situaţie, “surse” de câmp electromagnetic ar putea fi utilizate pentru a produce câmp gravitaţional. Soluţia, la nivelul sugestiei teoretice naïve, ar fi deci simplă: folosim, pe navă, o sursă electromagnetică suficient de puternică, pentru a produce un câmp gravitaţional suficient de intens pentru a “îndoi” spaţiul de o zonă suficient de extinsă. Îndoirea spaţiului ar urma să fie calculată în aşa fel încât să permită deplasarea navei între două puncte, într-un interval de timp rezonabil de scurt pentru a da sens călătoriei. Evident că o suită de asemenea “îndoiri” ar duce la parcurgerea unor distanţe cosmice într-un timp care să servească atingerii scopului propus. Şi aici apare şi prima problemă “de principiu”: presupunând realizabilă ceea ce am numit o îndoire a spaţiului, nu va avea acelaşi efect şi asupra timpului ? Ar fi evident tentant să încercăm, oricât de aproximativă, o estimare cantitativă. Să presupunem, de exemplu, că am dori să încercăm “scurtarea” drumului între două puncte situate la o distanţă de un an-lumină. Să mai presupunem că am lua în considerare doar masa totală a regiunilor spaţiale de plecare şi sosire, pe care le vom nota cu M1, respectiv M2. Conform legii atracţiei universale, între cele două mase (zone, în cazul nostru) se exercită o forţă: F=G M1 M2/r2, unde G este constanta atracţiei universale, iar r este distanţa dintre cele două mase. A îndoi spaţiul este echivalent în cazul nostru cu a reduce distanţa r la o distanta r1, mai mică decât r de, să presupunem, K ori: r1=r/K. Se vede imediat că acest lucru este echivalent cu multiplicarea forţei de atracţie cu un factor K2. Să vedem deci mai întâi ce s-ar întâmpla în condiţiile pe care le-am presupus noi. Pentru a nu vă obosi cu prea multe cifre şi calcule, să alegem o “îndoire” de numai K2=106 . În acest caz, distanţa iniţială pe care o avem de parcurs, r =1 a.l.=9,46x1012 km, va fi redusă de 1000 de ori, la r1=9,46x109 km, cam de o sută de ori distanţa Pământ-Soare. Întrebarea legitimă următoare ar fi: ce economie de timp am realizat astfel ? Înainte de a răspunde, va trebui să mai verificăm ceva: dacă viteza pe care o atribuim navei noastre cosmice nu cade cumva sub incidenţa paradoxurilor temporale, în particular cel aşa-numit “al gemenilor”. Pentru aceasta trebuie să ne amintim din teoria einsteiniană a relativităţii că factorul de dilatare temporală este : γ= (1-β2)-1/2 Într-o formulare aproximativă, ( este factorul cu care se multiplică pentru observatorul “din punctul de plecare” timpul scurs pe navă. Să alegem pentru viteza de deplasare, v, valori care să reprezinte diferite “fracţiuni” din viteza luminii, de la o miime (300 km/s) până la 99%. ( va fi astfel: (=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 arată că factorul ( începe să ridice probleme începând cu viteze de peste 75% din viteza luminii (pentru care ( = 1,51 , ajungând la ( = 7,088 pentru v=0,99 c). Să ne mulţumim atunci cu o viteză “modestă” de numai 3000 km/s, adică v=0,01 c. Astfel, distanţa r1 va fi parcursă de navă în timpul t=r1/v=3,15x106 s, adică aproximativ 875 ore, puţim mai mult de o lună (ceea ce, faţă de durata iniţială de un an, reprezintă evident un progres). In fine, presupunând la urma urmei că a) problema este rezolvabilă în principiu şi că b) viteze de ordinul sutelor şi miilor de kilometri pe secundă sunt (vor fi) efectiv realizabile, mai rămân încă probleme tehnice legate de efectul acestor viteze asupra navei, ca să nu mai vorbim, de efectul îndoirii în sine a spaţiului asupra tuturor obiectelor şi fiinţelor care intră ăn joc. Un ultim comentariu la acest punct: marile probleme pentru orice vehicul în deplasare provin nu atât de la viteza cu care se deplasează, cât de la acceleraţiile la care este supus. Ne putem gândi, însă, în cazul saltului în hiperspaţiu că, din nou într-o formulare aproximativă, ar fi vorba de fapt de un fel de … “cădere liberă” a navei pe disţante de unul sau câteva zeci sau cine ştie câţi ani-lumină. Evident însă în final va trebui să ne confruntăm cu problema deceleraţiei. Ce poate să însemne acest lucru ? De exemplu, în cazul discutat mai sus, dacă presupunem că frânăm în două etape, mai întâi pe durata a 50 de ore până la atingerea vitezei de 12 km/s (cam cât viteza de desprindere de pe Pământ), apoi pe parcursul a încă 20 de minute, până la o viteză de “aterizare” de circa 500 km/h, acceleraţiile implicate (de fapt deceleraţiile) ar fi de ordinul a 1,69 g, respectiv g (unde g este acceleraţia gravitaţională la suprafaţa Pământului), adică fără să ridice probleme. WARP Unul dintre mijloacele de transport inventate de scriitorii de SF pentru a depăşi viteza luminii este tehnica WARP. În traducere warp vine de la verbul englez “to warp” adică “a îndoi”. Ideea de bază este următoarea. În jurul navei va fi creat un câmp gravitaţional astfel încât spaţiul de dinaintea navei se va contracta iar cel din spatele navei se va dilata. Einstein, prin teoria sa spune că nici un fenomen nu poate depăşi viteza luminii dar nu spune că spaţiul nu ar putea fi contractat şi dilatat cu o viteză mai mare decât cea a luminii. În plus nava noastră se va afla într-o bulă spaţio-temporală care o va proteja de îndoirea spaţiu-timpului. În interiorul acestei bule nava nu va depăşi viteza luminii dar în exterior bula (prin contracţia şi dilatarea spaţiului) se va mişca mai repede decât lumina. În acest tip de transport apar două dificultăţi majore. Prima este aceea că pentru a menţine bula (care are tendinţa de a fi strivită de forţele de greutate implicate în contracţia şi dilatarea spaţiului) avem nevoie de o forţă antigravitaţională care este deocamdată de domeniul viitorului (cercetări se fac cu magneţi supraconductibili). O altă problemă este energia necesară care trebuie folosită. De unde putem obţine o astfel de energie. Există mai multe variante: energia punctului 0 (energia care ţine protonii legaţi între ei şi dă consistenţă materiei), energia vidului (extragere de energie din fluctuaţiile vidului = crearea şi anihilarea spontană de particule), capturarea unui quasar şi folosirea energiei sale. Toate aceste variante sunt de abia la începutul descoperirii lor, aşteptând să fie puse în aplicare de vreun alt Einstein, şi să dea umanităţii roadele unei ştiinţe extrem de importantă în viaţa de zi cu zi, fizica…. SCHEMA CLASICĂ DE TELEPORTARE După ce Alice şi Bob au împărţit o pereche de particule cuplate, Alice realizează o măsurătoare Bell a stării rezultate în urma interacţiunii dintre particula sa EPR şi particula de teleportat, comunicându-i lui Bob. Prin mijloace clasice, care dintre cele patru rezultate posibile a fost obţinut. Atunci Bob îi aplică particulei sale, care, cuplată fiind cu geamăna lui Alice, a suferit deja transformarea menită să reproducă starea particulei de teleportat, transformarea unitară corespunzătoare. Teleportarea a reuşit ! Iφ > Bob Alice Iφ > EXPERIMENTUL DE LA ROMA EXPERIMENTUL DE LA INNSBRUCK Un puls ultraviolet străbate de 2 ori un cristal (al cărui indice de refracţie are un comportament nelinear), generând o pereche de fotoni cuplaţi deplasându-se către stânga (T, X) şi o alta - către dreapta - care va fi folosită drept pereche Alice-Bob. Fotonul de teleportat este preparat prin modificarea polarizării lui T şi apoi combinat cu fotonul lui Alice - A - într-un beam-splitter. Când ambele detectoare sunt declanşate simultan, s-a “măsurat” starea Bell Iφ> a perechii de fotoni A şi T, care nu necesită nici un fel de transformare unitară. Rezultă că particula lui Bob - B - este în starea preparată din T. X este folosit doar pentru a se vedea că T a fost într-adevăr produs. Perechea de fotoni produsă de un puls UV într-un cristal nelinear este prelucrată, separându-se componentele orizontală şi verticală ale polarizării fiecărui foton. Rezultatul constă într-o superpoziţie de căi, a1 şi a2, ale unui foton polarizat vertical, deplasându-se spre stânga şi o a doua superpoziţie, b1 şi b2, a unui foton polarizat deplasându-se spre dreapta. Căile respective sunt cuplate două câte două. Fotonul de teleportat se obţine tot prin prepararea polarizării căilor a1 şi a2, după care Alice efectuează măsurarea stării Bell a celor două grade de libertate a fotonului - polarizare şi poziţie. Unul dintre cele patru detectoare va fi declanşat, indicându-i lui Bob ce transformare unitară trebuie să îi aplice fotonului obţinut prin combinarea căilor b1 şi b2, pentru a obţine fotonul preparat anterior. Alice a2 a1 b2 b1 puls ultraviolet Bob beam-splitter mesaj clasic Iφ> Alice polarizator Iφ> X A T Puls ultraviolet Bob B WORMHOLE GAURĂ ALBĂ GAURĂ NEAGRĂ 2 1 d1 d2 1 2 쥁@