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Tunnel quantistico e materia oscura

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Secondo il principio di indeterminazione della meccanica quantistica, un’auto può in linea di principio passare intatta attraverso un muro di mattoni. Ma poiché l’auto è un oggetto enorme, la possibilità che ciò accada è trascurabilmente piccola.

Tuttavia, le particelle elementari hanno una maggiore probabilità di sfruttare il tunneling quantistico attraverso una barriera. Questo perché non sono così localizzate come un oggetto massiccio e la funzione d’onda che caratterizza la distribuzione di probabilità della loro incerta localizzazione ha una coda estesa che potrebbe superare l’ostacolo.

La fusione nucleare negli interni stellari è resa possibile dal tunneling quantistico attraverso la barriera di repulsione elettrica tra i nuclei di fusione. Gli elementi pesanti, come l’ossigeno e il carbonio, essenziali per la vita, non sarebbero mai stati creati negli interni stellari se il principio di indeterminazione della meccanica quantistica non operasse effettivamente. In breve, dobbiamo la nostra esistenza alla meccanica quantistica.

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Ma il tunneling quantistico potrebbe anche avere un significato cosmologico?

In un nuovo articolo, il professor Avi Loeb di Harvard ha dimostrato che se la materia oscura fosse composta da particelle ultraleggere, il tunneling quantistico avrebbe permesso a queste particelle di evaporare dai pozzi di potenziale gravitazionale che le legano alle galassie nane all’interno dell’alone della Via Lattea.

Nella fisica classica, la gravità mareale della Via Lattea può fare a pezzi le particelle di materia oscura solo se risiedono alla periferia di queste galassie satellite. Ma nella meccanica quantistica, anche le particelle che sono legate gravitazionalmente all’interno dei nuclei di questi satelliti, potrebbero scavalcare la barriera gravitazionale che le lega. La probabilità di tunneling è alta per particelle di piccola massa la cui funzione d’onda è diffusa dal principio di indeterminazione su una grande distanza.

Il paradigma popolare della materia oscura fredda prevede la divergenza della densità di massa attraverso le cosiddette “cuspidi” al centro di tutte le galassie, ma le osservazioni implicano profili di densità più uniformi del previsto. Per alleviare la tensione tra teoria e osservazioni, è stato suggerito che la materia oscura potrebbe essere composta da particelle molto leggere per le quali il principio di indeterminazione appiana il profilo di densità al centro delle galassie.

Perché ciò avvenga, le particelle di materia oscura devono avere una massa di 31 ordini di grandezza inferiore a quella di un protone. Nel nuovo nuovo articolo, Loeb dimostra che se le particelle di materia oscura avessero questa massa, sarebbero uscite dal pozzo potenziale delle galassie nane all’interno dell’alone della Via Lattea.

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La meccanica quantistica è stata costruita per spiegare il comportamento dei sistemi più piccoli che conosciamo, come le particelle elementari legate negli atomi. Ma i suoi principi universali possono essere usati per studiare alcuni dei più grandi sistemi legati che conosciamo, le galassie. Questa non è una sorpresa, dal momento che il piccolo e il grande obbediscono tutti agli stessi principi universali della fisica.

In linea di principio potremmo rilevare il tunnel quantistico nelle nostre routine quotidiane. Se colpiamo un numero sufficiente di palline da tennis con una racchetta, scopriremo che, prima o poi, una di esse attraverserà la racchetta a causa del tunneling quantico. Ma questo richiederebbe molte più palle di quelle che potremmo aver colpito se avessimo cominciato all’inizio dell’universo.

Alcuni eventi sono semplicemente troppo rari perché noi ne siamo testimoni. Ma proprio come con la vincita alla lotteria, sappiamo che, in linea di principio, potrebbero accadere, come accade per la fusione di nuclei o particelle di materia oscura.

Secondo l’antica leggenda greca, Sisifo fu condannato dagli dei per l’eternità a far rotolare ripetutamente un masso su una collina solo per farlo rotolare di nuovo giù una volta raggiunta la cima.

Nel suo saggio filosofico intitolato “Il mito di Sisifo“, Albert Camus ha usato questa storia come metafora della nostra persistente lotta contro l’essenziale assurdità della vita. Abilitando il tunneling, la meccanica quantistica elimina la necessità di questa lotta esistenziale. Afferma che se continuiamo ad aspettare con pazienza, il masso finirà da solo dall’altra parte della collina.

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Forse dovremmo semplicemente rilassarci, goderci la vita ai piedi della collina e lasciare che la natura faccia il resto.

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