da: LA FISICA DI STAR TREK di Lawrence M. Krauss
[TELETRASPORTO]

ATOMI O BIT

"Reginald, il teletrasporto e' il modo piu' sicuro per viaggiare".
Geordi La Forge al tenente Reginald Barclay

La vita imita l'arte, Negli ultimi tempi continuo a sentir ripetere la stessa
domanda: "Atomi o bit: dove sta il futuro?"
Trent'anni fa Gene Roddenberry si pose lo stesso problema, spinto da un
altro imperativo. Egli aveva un bel progetto di astronave, con un piccolo
problema: come un pinguino in acqua l'Enterprise poteva scivolare
elegantemente nelle profondita' dello spazio, ma come un pinguino a terra av
rebbe avuto problemi a muoversi al suolo se mai avesse tentato di atterrare.
Fatto forse piu' importante, gli scarsi fondi a disposizione per un
programma televisivo settimanale impedivano di far atterrare una grande
astronave ogni settimana.
Come risolvere quindi questo problema? Semplice: assicurandosi che
l'astronave non dovesse mai atterrare. Si doveva trovare qualche altro modo
per spostare i membri dell'equipaggio dalla nave spaziale alla superficie di
un pianeta. Prima ancora di avere il tempo di dire: "Mi faccia risalire" il
teletrasporto era nato.
Forse nessun altro tipo di tecnologia, tranne il motore di curvatura,
ricorre piu' sepeso in ogni missione delle navi spaziali della Federazione.
E anche chi non ha mai guardato un episodio di Star Trek riconosce la magica
espressione appena citata. Essa ha permeato la cultura popolare americana.
Recentemente ho sentito parlare di un giovane che, guidando in stato di
ebbrezza, era passato col rosso incappando proprio in una macchina della
polizia. All'udienza il giudice gli domando' se avesse qualcosa da dire. Il
giovane disperato rispose: "Si, vostro onore", e alzandosi in piedi estrasse
il portafogli, lo apri' e mormoro' dentro di esso: "Scotty, mi faccia
risalire!".
Quest'episodio e' probabilmente apocrifo, ma testimonia l'impatto che
quest'ipotetica tecnologia ha avuto sulla nostra cultura: un impatto tanto
piu' notevole in quanto probabilmente nessun altro elemento della tecnologia
fantascientifica a bordo dell'Enterprise e' cosi' poco plausibile. Per
creare un dispositivo come il teletrasporto si dovrebbero risolvere piu'
problemi di tipo pratico e teorico di quanti il lettore potrebbe immaginare.
Le difficolta' implicano l'intero spettro della fisica e della matematica,
comprese la teoria dell'informazione, la meccanica quantistica, la relazione
di massa ed energia di Einstein, la fisica delle particelle elementari e
altre cose ancora.
Tutto questo ci riporta alla contrapposizione di atomi e bit. Il problema
chiave che il teletrasporto ci costringe ad affrontare e' il seguente:
qual'e' il modo piu' rapido e piu' efficiente per spostare, dalla nave alla
superfice di un pianeta, circa 10^28 (i seguito da 28 zeri) atomi di materia
combinati in una configurazione complessa a comporre un singolo essere
umano? Questa domanda viene proprio a proposito, dato che noi affrontiamo
esattamente la stessa difficolta' quando condsideriamo come distribuire nel
modo migliore la configurazone complessa di circa 10^26 atomi in un libro
medio in brossura. Un concetta potenzialmente rivoluzionario, almeno a
quanto sostengono i vari guru dei mezzi digitali, e' che gli atomi stessi
sono spesso secondari. Quel che importa di piu' sono i bit.
Consideriamo, per esempio, un libro di una biblioteca.
Una biblioteca compra una copia - o, nel caso di un autore fortunato, varie
copie - di un libro, che vengono riposte sui suoi scaffali e prestate ognuna
a un lettore per volta. In una biblioteca digitale le stesse informazioni
possono essere conservate sotto forma di bit. Un bit e' 1 o uno 0; i bit
vengono combinati in gruppi di otto, chimati byte, per rapapresentare
lettere o numeri. Il contenuto di un libro viene registrato nei nuclei
magnetici della memoria di computer, nei quali ogni bit e' rappresentato o
da una regione magnetizzata (1) o da una regione non magnetizzata (0). Ora,
un numero arbitrariamente grande di utenti puo' avere accesso alla medesima
locazione di memoria su un computer essenzialmente nello stesso tempo,
cosicche' in una biblioteca digitale ogni singola persona sulla Terra che
potrebbe altrimenti trovarsi nella necessita' di comprare un libro puo'
leggerlo da una singola fonte. In questo caso, chiaramente, e' meno
importante, e senza dubbio meno efficiente, avere a disposizione gli atomi
reali che compongono il libro che non poter registrare i bit (anche se
questo sistema puo' essere disastroso per i diritti d'autore).
E nel caso di persone? Volendo teletrasportare delle persone da un posto
all'altro, si devono spostare i loro atomi o solo la loro informazione? A
prima vista si potrebbe pensare che sia molto piu' facile spostare il
contenuto d'informazione; fra l'altro l'informazoine puo' viaggiare alla
velocita' della luce. Nel caso delle persone ci sono pero' due problemi che
non si pongono nel caso dei libri: innanzitutto si deve estrarre
l'informazione, che non e' una cosa tanto facile; e poi la si deve
ricombinare con della materia. Dopo tutto le persone, diversamente dai
libri, richiedono gli atomi.
Non sembra che gli autori di Star Trek abbiano mai capito chiaramente che
cosa vogliono che faccia il teletrasporto. Deve trasmettere gli atomi e i
bit o solo i bit? Il lettore potrebbe domandarsi perche' faccio
quest'osservazione, dal momento che il Next Generation Technical Manual
decrive il processo nei particolari: innanzitutto il teletrasporto si
aggancia sul bersagio. Poi analizza l'immagine da trasportare, la
"smaterializza", la tiene per un po' in un "buffer degli schemi" e poi
trasmette a destinazione il "flusso di materia", contenuto in un "fascio di
confinamento anulare". Pare quindi che il teletrasporto trasmetta la materia
assieme all'informazione.
L'unica difficolta' in questo quadro e' che e' in disaccordo con cio' che a
volte fa il teletrasporto. In almeno due casi ben noti, il teletrasporto
aveva cominciato con una persona e ne fece salire due. Nel famoso episodio
classico Il duplicato, un cattivo funzionamento del teletrasporto divide
Kirk in due versioni diverse di se stesso, una buona e una cattiva. In uno
sviluppo piu' interessante, e permanente, nell'episodio il duplicato, della
serie The Next Generation, scopriamo che il tenente Riker era stato diviso
in due copie durante il trasporto dal pianeta Nervala IV ala Potemkin. Una
copia era poi tornata sana e salva alla Potemkin, mentre l'altra era stata
riflessa di nuovo sul pianeta, dove Riker aveva vissuto da solo per otto
anni.
Se il teletrasporto trasmette sia il flusso materiale sia il segnale
d'informazion, questo fenomeno di divisione e' impossibile. Il numero di
atomi finale sara' uguale al numero iniziale. Non c'e' alcuna possibilita'
di costruire repliche di persone in questo modo. Se invece si trasmette solo
l'informazione, si puo' immaginare di ricombinarla con atomi che potrebbero
essere immagazzinati sulla nave, e formare quante copie si vogliano di un
individuo.
Un problema simile concernente il flusso materiale ci si pone quando
consideriamo la sorte di oggetti irradiati nello spazio nella forma di
"energia pura". Per esempio, nell'episodio Solo in mezzo a noi della serie
The Next Generation, Picard decide a un certo punto di farsi irradiare nello
spazio come energia pura, libera dai vincoli della materia. Dopo che questa
si e' rivelata un'esperienza terribile e pericolosa, egli riesce a farsi
recuperare, e la sua forma corporea viene ricostruita graze alle
informazioni contenute nel buffer degli schemi.
Se pero' fosse stato irradiato nello spazio il flusso materiale, alla fine
non ci sarebbe stato piuž niente da ricostruire.
Cosi', nonostante quanto dice il manuale di Star Trek, io vorrei adottare
qui un punto di vista agnostico ed esplorare invece la miriade di problemi e
di sfide associati a ognuna delle due possibilita': il trasporto degli atomi
o dei bit.
La domanda forse piu' affascinante sul teletrasporto - che di solito non
viene neppure posta - e': da che cosa e' composto un essere umano? Noi siamo
semplicemente la somma di tutti i nostri atomi? Piu' precisamente, se io
riuscissi a ricreare ogni atomo del tuo corpo, esattamente nello steso stato
di eccitazione chimica in cui i tuoi atomi si trovano in questo momento,
produrrei una persona funzionalmente identica, che ha esattamente tutti i
tuoi ricordi, le tue speranze, i tuoi sogni, il tuo spirito? C'e' ogni
ragione di attendersi che sarebbe cosi', ma val la pena di notare che questo
modo di prospettare le cose e' in contraddizione con la fede condivisa da
molte persone nell'esistenza di un'"anima" in qualche modo distinta dal
proprio corpo. Che cosa accade quando si muore? Molte religioni non
ritengono forse che l'"anima" possa continuare a esistere anche dopo la
morte? In questo senso, il teletrasporto sarebbe un mirabile esperimento
sulla spiritualita'. Se una persona venisse teletrasportata a bordo
dell'Enterprise e rimanesse intatta e visibilmente immutata, fornirebbe una
prova vistosa del fatto che un essere umano non e' nulla di piu' della somma
delle sue parti, e questa dimostrazione contraddirebbe una quantita' di
credenze spirituali.
Questo problema e', per ovvie ragioni, accuratamente evitato in Star Trek.
Tuttavia, nonostante la natura puramente fisica del processo di
smaterializzazione e trasporto, la nozione che oltre i confini del corpo
esista una qualche nebulosa "forza vitale" e' un tema costante nella serie.
La premessa del secondo e del terzo film di Star Trek, l'Ira di Khan e Alla
ricerca di Spock, e' che almeno Spock abbia un "katra" - uno spirito
vivente - che puo' esistere separato dal corpo. Piu' recentemente,
nell'episodio Cathexis, della serie Voyager, l'"energia neurale", affine a
una forza vitale, di Chakotay e' rimossa da lui e vaga da una persona
all'altra nella nave spaziale nel tentativo di tornare nella sua "dimora"
iniziale.
Non penso che si possa tenere il piede in due scarpe. O l'"anima", il
"katra", la "forza vitale", o comunque la si voglia chiamare, fa parte del
corpo, e noi non siamo altro che il nostro essere materiale, o no. Non
volendo offendere la sensibilita' religiosa di qualcuno, fosse pure un
vulcaniano, io rimarro' neutrale in questa controversia. Credo tuttavia che,
prima di procedere oltre, valga la pena di sottolineare che non si deve
considerare alla leggera neppure la premessa fondamente del teletrasporto:
che gli atomi e i bit esauriscano tutta la realta'.

IL PROBLEMA DEI BIT
Molti dei problemi che esamineremo fra poco potrebbero essere evitati se si
rinunciasse alla richiesta di trasportare gli atomi unitamente
all'informazione. Dopo tutto, chiunque abbia accesso a Internet sa quanto
sia facile trasportare un flusso di dati contenente, diciamo, il progetto
dettagliato per una nuova automobile, assieme a fotografie. Assai meno
facile e' senza dubbio il trasporto della macchina reale da un luogo
all'altro. Nel trasporto dei bit si pongono tuttavia due problemi molto
difficili. Il primo e' una difficolta' familiare, in cui si sono imbattute
per esempio le ultime persone che hanno visto Jimmy Hoffa vivo: come
dobbiamo sbarazzarci del corpo? Se si deve trasportare solo l'informazione,
ci si deve procurare una riserva di atomi al punto di ricezione. Questo
problema e' piuttosto serio. Se vuoi eliminare 10^28 atomi, devi affrontare
un compito alquanto difficile. Supponiamo, per esempio, che tu voglia
semplicemente trasformare tutto questo materiale in energia pura. Quanta
energia ne risulterebbe? Ce lo dice la formula di Einstein E= mc^2.
Trasformando improvvisamente in energia 50 kg di materiale (un adulto della
categoria minimosca), libereremmo un'energia equivalente a un po' piu' di
mille bombe all'idrogeno di un megatone. E' difficile immaginare come farlo
in un modo amichevole per l'ambiente.
Questo modo di procedere comporta, ovviamente, un altro problema. Se fosse
possibile risolberlo, diventerebbe banale la duplicazione di persone. Questo
procedimento sarebbe in effetti molto piu' facile del eletrasporto, in
quanto renderebbe superflua la distruzione del soggetto originario. La
replica, eseguita in questo modo, di oggetti inanimati e' qualcosa con cui
si puo' convivere facilmente, e in effetti i membri degli equipaggi delle
navi spaziali sembrano ben abituati a questa possibilita'. La replica di
esseri umani viventi creerebbe invece senza dubbio difficolta' (come nella
formazione di due copie di Riker in Il Duplicato). In effetti, se oggi le
ricerche sul DNA ricombinante hanno sollevato una quantita' di problemi
etici, la mente si confonde nel considerare quelli che si proporrebbero se
potessimo replicare a volonta' interi individui, completi di memoria e
personalita'. Le persone sarebbero allora assimilabili a programmi per
computer, o a versioni di un libro conservate su disco. Se uno di questi
venisse danneggiato o contenesse un errore, basterebbe sostituirlo con una
nuova copia della versione registrata.
VA BENE, TENIAMOCI GLI ATOMI
I ragionamenti precedenti suggeriscono che, sia per motivi pratici sia per
motivi etici, potrebbe essere preferibile immaginare un teletrasporto che
portasse assieme al segnale un flusso di materia, come ci dicono che fanno i
dispositivi per il teletrasporto di Star Trek. Il problema diventa quindi:
come si possono spostare gli atomi? La difficolta' risulta essere di nuovo
di tipo energetico, anche se in un modo un po' piu' sottile.
Ce cosa si richiederebbe per "smaterializzare" qualcosa nel teletrasporto?
Per rispondere a questa domanda, dovbbiamo considerare in modo un po' piu'
accurato una domanda piu' semplice: che cos'e' la materia? Tutta la materia
normale e' formata da atomi, che a loro volta sono composti da nuclei
centrali molto densi circondati da una nube di elettroni.
Come potrete ricordare dai corsi di chimica o di fisica delle scuole
superiori, la maggior parte del volume di un atomo e' composto da spazio
vuoto, La regione occupata dagli elettroni esterni e' circa diecimila volte
piu' estesa della regione occupata dal nucleo.
Perche', se gli atomi sono formati per la maggior parte da spazio vuoto, la
materia non passa attraverso altra materia?
La risposta e' che quel che rende solido un muro non e' l'esistenza delle
particelle bensi' quella dei campi elettrici che si estendono fra un
particella e l'altra. Quando io batto una manata sul tavolo, la mia mano e'
fermata primariamente dalla repulsione elettrica fra gli elettroni degli
atomi della mia mano e gli elettroni degli atomi che formano il tavolo, e
non dalla mancanza di spazio fra gli elettroni.
Questi campi elettrici non solo rendono corporea la materia nel senso di
impedire agli oggetti di passare l'uno attraverso l'altro, ma ne assicurano
anche la coesione. Per alterare questa situazione normale, si devono percio'
superare le forze elettriche che agiscono fra gli atomi. Per superare queste
forze si richiede lavoro, che consuma energia. E' cosi' che funzionano in
effetti le reazioni chimiche. Le configurazioni di singoli insiemi di atomi
e i loro legami vengono alterati in conseguenza di scambi di energia. Per
esempio, se si inietta dell'energia in un miscuglio di nitrato d'ammonio e
di olio combustibile, le molecole dei due materiali possono ridisporsi, e
nel corso di questo processopuo' essere liberata l' "energia di legame" che
teneva insieme i materiali originari. Questa liberazione, se e' abbastanza
rapida, causera' una grande esplosione.
L'energia di legame fra gli atomi e', pero', piuttosto piccola rispetto
all'energia di legame delle particelle - protoni e neutroni - che compongono
i nuclei atomici, che sono incredibilmente densi. Le forze che tengono
assieme queste particelle in un nuclso danno energie di legame milioni volte
maggiori delle energie di legame fra gli atomi. Percio' le reazioni nucleari
liberano una quantita' di energia significativamente maggiore di quella
liberata dalle reazioni chimiche; ecco perche' le armi nucleari sono cosi'
potenti.
Infine, l'energia di legame che tiene assieme i quark - ossia le particelle
elementari che formano i protoni e i neutroni stessi - e' ancora maggiore di
quella che assicura la coesione di protoni e neutroni nei nuclei. In effetti
si ritiene, sulla base di calcoli resi possibili dalla teoria che descrive
le interazioni dei quark, che per separare completamente i quark che
compongono ogni protone o neutrone si richiederebbe una quantita' di energia
infinita.
Sulla base di questo argomento potremmo ritenere impossibile una completa
dissoluzione della materia nei quark, i suoi componenti fondamentali, e in
effetti e' cosi', almeno a temperatura ambiente. La stessa teoria che
descrive le interazioni dei quark all'interno dei protoni e dei neutroni ci
dece pero' che, se riscaldassimo i nuclei a 1000 miliardi di gradi circa
(una temperatura un milione di volte maggiore di quella vigente nella
regione centrale del Sole), non solo i quark che compongono i nuclei
perderebbero le loro energie di legame, ma la materia perderebbe
improvvisametne quasi tutta la sua massa trasformandosi in radiazione, o nel
linguaggio del nostro teletrasporto, smaterializzandosi.
Percio' tutto cio' che si deve fare per sconfiggere l'energia di legame al
suo livello piu' fondamentale (in realta' al livello a cui si riferisce il
manuale tecnico di Star Trek) e' di riscaldarla a 1000 miliardi di gradi. In
unita' di energia, cio' implica che si fornisca sotto forma di calore il 10
per cento circa della massa di quiete di protoni e neutroni. Per riscaldare
a tale temperatura un campione della grandezza di un essere umano
occorrerebbe percio' il 10 per cento circa dell'energia richiesta per
annichilare tale materiale, ossia l'energia equivalente a cento bombe
all'idrogeno di un megatone.
Si potrebbe pensare, data l'enorme richiesta di energia che ho appena
formulato, che lo scenario da me descritto sia quello dell'overkill, ossia
di un potenziale atomico distruttivo molto oltre ogni limite di efficienza,
ben familiare nel contesto della corsa agli armamenti. Ma forse non abbiamo
bisogno di scomporre la materia fino al livello dei quark. Forse ai fini del
teletrasporto potrebbe essere sufficiente una smaterializzazione al livello
di protoni e dei neutroni.
o forse anche solo a livello atomico. Certametne le richieste di energia
sarebbero in questo caso molto inferiori, anche se sempre grandissime.
Purtroppo se, imitando la politica dello struzzo, nascondiamo questo
problema sotto il tappeto, ci esponiamo a un problema ancora piu' grave. Una
volta infatti che si sia conseguito il flusso materiale, composto ora da
singoli protoni, neutroni ed elettroni, o forse interi atomi, lo si deve
teletrasportare, presumibilmente a una frazione significativa della
velocita' della luce.
Ora per far muovere particelle come i protoni e i neutroni a velocita'
prossime a quella della luce, si deve dar loro un'energia paragonabile a
quella della loro massa di quiete. Questa risulta essere circa dieci volte
maggiore della quantita' di energia richiesta per riscaldare i protoni fino
a scomporti in quark. Ma anche se occorre piu' energia per particella per
accelerare i protoni a una velocita' prossima a quella della luce, questo e'
tuttavia un compito piu' facile di quello di depositare e immagazzinare
abbastanza enrgia all'interno dei protoni per un tempo abbastanza lungo per
riscaldarli a una temperatura tale per determinare la dissoluzione in quark.
Ecco perche' oggin noi non possiamo costruire, sia pure a costi enormi,
mastodontici acceleratori di particelle -- come il Tevatron del Fermilab, a
Batlavia, nell'Illinois -- che sono in grado di accelerare singoli protoni
fino al 99,9 per cento della velocita' della luce, mentre non siamo ancora
riusciti a costruire un acceleratore in grado di bombardare i protoni con
un'energia sufficiente a "fonderli" nei quark che li compopngono. Uno degli
obiettivi dei fisici che progettano la prossima generazione di grandi
acceleratori -- compreso uno in costruzione al Brookhaven National
Laboratory, a Long Island -- e' in effetti quello di conseguire questa
"fusione" della materia.
Ancora una volta, pero', sono colpito dall'appropriatezza della scelta
terminologica degli autori di Star Trek. La fusione dei protoni e la loro
separazione in quark e' quella che noi chiamiamo in fisica una transizione
di fase. Ed ecco che, se si scorre il Next Generation Techincal Manual per
cercare il nome dei dispositivi del teletrasporto che smaterializzano la
materia si trova che sono chiamati "bobine di transizione di fase".
I futuri progettisti di teletrasporti avranno dunque una scelta. Essi
dovranno o trovare una fonte di energia in grado di produrre temporaneamente
un'energia circa 10.000 volte maggiore dell'energia totale consumata oggi
sulla Terra, nel qual caso potrebbero formare un "flusso di materia" atomica
capace di muoversi assieme all'informazione a una velocita' prossima a
quella della luce, oppure potrebbero ridurre di un fattore 10 le richieste
totali di energia e scoprire un modo per riscaldare istantaneamente un
essere umano a una temperatura un milione di volte circa superiore a quella
vigente nella regione centrale del Sole.

SE QUESTA E' LA SUPERSTRADA DELL'INFORMAZIONE, AVREMMO FATTO MEGLIO A
PRENDERE LA CORSIA VELOCE

Mentre scrivo queste pagine col mio home computer con processore Power PC,
mi meraviglio della rapidita' con cui si e' sviluppata questa tecnologia da
quando ho comprato il mio primo Macintosh, un po' piu' di dieci anni fa.
Ricordo che il computer aveva una memoria interna di 128 kilobyte, di contro
ai 16 megabyte del mio computer attuale e ai 128 megabyte della workstation
che ho nel mio ufficio al Dipartimento di Fisica della Case Western Reserve
University. In un decennio la capacita' di memoria interna del mio computer
e' quindi cresciuta di un fattore 1000! A questo aumento si e' accompagnato
un aumento nella capacita' dell'gard disk. Il mio primo computer non aveva
addirittura un disco rigido e quindi doveva lavorare con floppy disk, che
potevano contenere 400 kilobyte d'informazoine. Il mio home computer attuale
ha un hard disk da 500 megabyte, di nuovo con un aumento di piu' di mille
volte rispetto al floppy disk iniziale di 400 kilobyte. Anche la velocita'
del mio home computer e' molto cresciuta nell'ultimo decennio.
Nell'esecuzione di calcoli numerici dettagliati, ritengo che il mio compuer
attuale sia quasi cento volte piu' veloce del mio primo Macintosh. La mia
workstation in ufficio e' forse altre dieci volte piu' veloce, eseguendo
quasi mezzo miliardo di istruzioni al secondo! [si vede che e' gia' datato
il libro]
Perfino nel settore di punta i miglioramenti sono stati impressionanti. I
piu' veloci fra i computer in uso generale hanno aumentato nell'ultimo
decennio la loro velocita' e memoria di un fattore di circa 100. E non
comprendo qui i computer costruiti per usi specializzati: questi piccoli
miracoli della tecnologia possono avere velocita0 di calcolo effettive
superiori a decine di miliardi di istruzioni al secondo. Qualcuno ha
sostenuto che si potrebbe migliorare di vari ordini di grandezza la
rapidita' di certi computer specializzati usando nella loro costruzione
sistemi biologici fondati sul DNA.
Ci si protrebbe chiedere dove condurra' tutto questo, e se sia possibile
prevedere che in futuro ci sara' una crescita altrettanto rapida che in
passato. Un'altra domanda valida e' se riusciremo a tenere questo ritmo. Io
so gia' che la strozzatura nella crescita della velocita' nella superstrada
dell'informazione e' l'utente terminale. Noi possiamo assimilare solo una
certa quantita' di informazione. Se volete un esempio evidente di questo
fatto provate a navigare per qualche ora su Internet. Io mi domando spesso
perche', con l'incredibile potenza a mia disposizione, la mia produttivita'
non abbia avuto un aumento paragonabile al miglioramento del mio computer.
Penso che la risposta sia chiara. Io non sono limitato dalle capacita' del
mio computer, ma dalle mie proprie capacita'. E' stato sostenuto che,
proprio per questa ragione, i computer potrebbero essere la prossima fase
dell'evoluzione umana. E' certamente vero che Data, anche se non ha
emozioni, e' molto superiore sotto vari aspetti ai membri umani
dell'equipaggio dell'Enterprise. E, come si stabilisce in La misura di un
uomo, e' una forma di vita genuina.
Ma sto divagando. Il motivo per cui mi sono soffermato sulla crescita della
capacita' dei computer nell'ultimo decennio e' per fare un confronto con
cio' di cui avremmo bisogno per usare le possibilita' di memorizzazione e
recupero dell'informazione associata al teletrasporto. E, ovviamente, siamo
ancora ben lontani da tale oviettivo.
Facciamo una semplice stima di quanta informazione sia codificata in un
corpo umano. Cominciamo dalla stima classica di 10^28 atomi. Per ogni atomo
dobbiamo codificare innanzitutto la posizione, la quale richiede tre
coordinate (x,y,z). Poi dovremmo registrare lo stato interno di ogni atomo,
comprendente informazioni come: quali livelli di energia siano occupati dai
suoi elettroni, se esso sia o no legato a un atomo vicino per comporre una
molecola, se la molecola vibri o ruoti e via dicendo. Cercando di essere
prudenti supponiamo di poter codificare tutte le informazioni relative a un
atomo in un kilobyte di dati. (Una cartella dattiloscritta di una trentina
di righe contiene circa 2 KB). Cio' significa che avremmo bisogno di circa
10^28 KB per immagazzinare uno schema umano nel buffer degli schemi. Vi
ricordo che 10^28 e' un uno seguito da ventotto zeri (diecimila bilioni di
bilioni).
Confrontiamo questa informazione, per esempio, con quella contenuta in tutti
i libri che siano mai stati scritti.
Le maggiori biblioteche contengono vari milioni di volumi, cosicche' vorrei
essere generoso e dire che esistono un miliardo di libri diversi (un libro
ogni cinque persone attualmente viventi nel nostro pianeta). Diciamo che
ogni libro contiene in media l'equivalente di 500 cartelle dattiloscritte
(anche questa e' una stima generosa), ossia circa un megabyte (MB). Tutta
l'informazione contenuta in tutti i libri che siano mai stati scritti
richiederebbe quindi per essere memorizzata circa 10^12 KB, ossia circa un
bilione di kilobyte. Questa cifra e' piu' piccola di circa sedici ordini di
grandezza - ossia di diecimila bilioni di volte - della capacita' di memoria
necessaria per registrare un singolo schema umano! Quando i numeri diventano
cosi' grandi, si fa difficile capire l'immensita' del compito. Forse val la
pena di cercare di spiegarlo facendo un paragone.Il rappporto fra
l'informazione contenuta in uno schema umano e quella contenuta in tutti i
libri che siano mai stati scritti e' diecimila volte maggiore del rapporto
fra l'informazione contenuta in tutti i libri che siano mai stati scritti e
l'informazione contenuta in questa pagina.
La memorizzazione di una quantita' di informazoine cosi' grande e', per
usare una minimizzazione cara ai fisici, un compito non banale. Gli hard
disk piu' grandi attualmente disponibili in commercio possono contenere
circa 10 gigabyte (GB), ossia 10.000 MB, di informazione. Se ogni disco ha
uno spessore di circa 10 cm, disponendo uno sull'altro tutti i dischi
attualmente necessari per memorizzare uno schema umano, costruiremmo una
pila alta un terzo della distanza che ci separa dal centro della Galassia:
circa 10.000 anni-luce, ossia un viaggio di cinque anni con l'Enterprise a
curvatura 9!
Difficolta' non meno grandi presenta il richiamo di quest'informazione in
tempo reale. I meccanismi piu' veloci per il trasferimento di informazione
digitale sono in grado di trasferire attualmente poco meno di circa 100 MB
al secondo. A questo ritmo, per scrivere su nastro i dati che descrivono uno
schema umano occorrerebbe un tempo circa 2000 volte maggiore dell'eta'
attuale dell'universo (supponiamo un'eta' approssimativa di 10 miliardi di
anni)! Immaginate la tensione drammatica: Kirk e McCoy sono fuggiti dalla
superficie della colonia penale di Rura Penthe. Per salire col teletrasporto
sull'astronave non dispongono certamente di un periodo di tempo paragonabile
all'eta' dell'universo; al trasferimento di quel milione di miliardi di
miliardi di megabyte di informazione sono concessi solo pochi secondi, il
tempo impiegato dal carcerire per puntare la sua arma prima di sparare.
Penso che il punto sia chiaro. Questo compito fa sbiadire il Progetto Genoma
Umano attualmente in corso, che si propone di analizzare e registrare il
codice genetico umano completo contenuto in microscopici filamenti di DNA:
un'impresa del costo di molti milioni di dollari, in corso da almeno un
decennio, la quale richiede risorse specifiche messe a disposizione in
numerosi laboratori in tutto il mondo. Il lettore potrebbe quindi immaginare
che io stia mensionando questo progetto solo per aggiungere altri elementi a
quelli che fanno considerare poco plausibile il telerasporto. Ma benche'
questa sfida sia difficilissima, io penso che in quest'area si potrebbe
effettivamente pervenire a risultati concreti nel xxiii secolo. Il mio
ottimismo deriva semplicemente dall'estrapolazione dell'attuale ritmo di
crescita della tecnologia dei computer. Usando il precedente metro di misura
del miglioramento di un fattore 100 per ogni decennio nella memorizzazione e
nella rapidita', e dividendolo per 10 per motivi prudenziali - e tenendo
conto che noi oggi siamo lontani dal segno di circa 21 potenze del 10 -
possiamo attenderci di poter finalmente disporre della tecnologia
informatica necessaria per affrontare con successo il compito del
trasferimento di informazoine per il teletrasporto fra 210 anni, appu8nto
all'alba del xxiii secolo.
Lo dico ovviamente, senza avere alcuna idea di come si riuscira' a risolvere
il problema. E' chiaro che, per poter registrare piu' di 10^25 KB di
informazione in un qualsiasi dispositivo in scala umana, si dovra' sfruttare
ogni atomo del dispositivo come sito di memoria. La nozione emergente dei
computer biologici, in cui la dinamica molecolare imita i processi logici
digitale in cui le 10^23 particelle circa di un campione macroscopico
operano tutte simultaneamente, mi sembra piu' promettente sotto questo
aspetto.
Dovrei inoltre ammonire a non prendere troppo sul serio le mie previsioni.
Io non sono un informatico e il mio cauto ottimismo potrebbe percio'
riflettere semplicemente la mia ignoranza. Traggo pero' qualche conforto
dall'esempio del cervello umano, che e' avanti di anni-luce per complessita'
e generalita' rispetto a tutti i sistemi di calcolo esistenti. Se la
selezione naturale e' stata in grado di sviluppare un cosi' bel dispositivo
di memorizzazione e richiamo di informazione credo che anche noi possiamo
ancora fare molta strada.
C'E' ANCHE LA MECCANICA QUANTISTICA
Per completare(e complicare) il quadro, si deve tener conto anche della
meccanica quantistica. Al livello microscopico a cui si deve operare per
analizzare e ricreare la materia nel teletrasporto, vigono le leggi strane
ed esotiche della meccanica quantistica, in virtu' delle quali le particelle
possono comportarsi come onde e le onde possono comportarsi come particelle.
Io non mi propongo certamente di tenere qui un corso di meccanica
quantistica. Si deve pero' tenere presente che a scale microscopiche non si
possono separare osservato e osservatore. Eseguire una misurazione significa
alterare un sistema, di solito per sempre. Questa semplice legge puo' essere
parametrizzata in molti modi diversi, na la sua formulazione piu' famosa e'
forse quella nella forma del principio di indeterminazione di Heisenberg.
Questa importante legge - che sembra abolire la classica nozione del
determinismo in fisica, anche se in realta' a un livello fondamentale non e'
cosi' - divide il mondo fisico in due insiemi di quantita' osservabili: lo
yin e lo yang, se cosi' vi pare.
Essa ci dice che, qualunque tecnologia possa essere inventata in futuro, e'
impossibile misurare certe combinazioni di osservabili con una precisione
alta a piacere. A scale microscopiche si potrebbe misurare con una
precisione a piacere la posizione di una particella; Heisenberg ci dice
pero' che, in questo caso, non possiamo conoscere esattamente la sua
velocita' (e quindi non possiamo sapere dove si trovera' nell'istante
successivo). Oppure potremmo accertare lo stato di energia di un atomo con
una precisione a piacere, ma in questo caso non possiamo determinare
esattamente quanto a lungo rimarra' in tale stato. E l'elenco potrebbe
continuare.
Queste relazioni sono al centro della meccanica quantistica e non perderanno
mai la loro validita'. Finche' lavoreremo a scale in cui si applicano le
leggi della meccanica quantistica - le quali, a quanto indicano le nostre
conoscenze, sono quanto meno piu' grandi della scala a cui diventano
importanti effetti gravitazionali, ossia a circa 10^-33 cm - siamo costretti
a tenerne conto.
C'e' un ragionamento fisico lievemente imperfetto, ma tuttavia molto
soddisfacente, che ci consente una comprensione euristica del principio di
indeterminazione. La meccanica quantistica attribuisce a tutte le particelle
un comportamento ondulatorio, e le onde hanno una proprieta' sorprendente:
sono disturbate solo quando incontrano oggetti piu' grandi della loro
lunghezza d'onda (la distanza fra due creste successive). Per rendersene
conto nel modo  piu' chiaro e' sufficiente osservare le onde del mare. Un
ciottolo che sporga appena dalla superficie dell'acqua non avra' alcun
effetto sulla forma delle onde che avanzano verso la spiaggia, mentre un
grosso scoglio avra' dietro di se una regione di acqua calma.
Cosi, se vogliamo "illuminare" un atomo - cioe' far rimbalzare della luce su
di esso per vedere dove si trova - dobiamo farlo con luce di una lunghezza
d'onda abbastanza piccola da poter essere disturbata dall'atomo. Le leggi
della meccanica quantistica ci dicono pero' che le onde luminose viaggiano
in piccoli pacchetti, o quanti, che chiamiamo fotoni (come i "siluri
fotonici" nelle navi spaziali). I singoli fotoni di ogni lunghezza d'onda
hanno un'energia che e' inversamente proporzionale alla loro lungezza
d'onda. Quanto maggiore e' la risoluzione che desideriamo, tano minore e' la
lunghezza d'onda della luce che dobbiamo usare. Ma quanto minore e' la
lunghezza, tanto maggiore e' l'energia dei pacchetti. Se, per poter
osservare un atomo. lo bombardiamo con un fotone ad alta energia, possiamo
stabilire esattamente dove si trovava quando il fotone lo ha colpito, ma il
processo d'osservazione stesso - ossia il fatto di colpire l'atomo col
fotone - trasferisce all'atomo un'energia abbastanza grande da modificare in
qualche misura la velocita' e direzione del suo moto.
E' percio' impossibile risolvere gli atomi e le loro configurazioni di
energia con la precisione necessaria per ricreare esattamente uno schema
umano. Un'incertezza residua in alcune delle osservabili e' inevitabile. Che
cosa questo fatto possa significare per la precisione del prodotto finale
dopo il trasporto e' un delicato problema biologico su cui posso solo fare
delle congetture.
Questo problema non sfuggi' agli autori di Star Trek, i quali si resero
conto degli inevitabili vincoli della meccanica quantistica sul
teletrasporto. In virtu' di una cosa a cui i fisici non possono di solito
appellarsi -- ossia la licenza artistica--, essi introdussero i
"compensatori di Heisenberg", che permettono la "risoluzione quantica" di
oggetti. Quando un intervistatore domando' al consulente tecnico di Star
Trek Michael Okuda come funzionassero di compensatori di Heisenberg, egli
rispose semplicemente: "Benissimo, grazie!"
I compensatori di Heisenberg assolvono un'altra funzione utile nelle storie
di Star Trek. Ci si puo' domandare, come ho fatto io stesso, perche' il
teletrasporto non sia anche un replicatore di forme di vita. Dopo tutto, a
bordo delle navi spaziali c'e' un replicatore che fa apparire magicamente, a
un semplice comando a voce, bicchieri d'acqua o di vino (anche champagne)
negli alloggi di ogni membro dell'equipaggio. La risposta sembra essere che
la tecnologia dei replicatori puo' operare solo a una "risoluzione a livello
molecolare" e non a una "risoluzione quantica". Cio' dovrebbe spiegare
perche' non sia possibile la replica di esseri vicenti, e anche perche' i
membri dell'equipaggio si lagnino sempre che i cibi forniti dai replicatori
non sono mai cosi' buoni come i cibi veri, e perche' Riker, fra gli altri,
preferisca cucinarsi omelette e altre ghiottoneria nel modo tradizionale.

CI CREDO SE LO VEDO
Consideriamo un'ultima difficolta' per il teletrasporto, come se quelle che
abbiamo visto finora non fossero ancora sufficienti. Il trasporto dalla nave
spaziale a un pianeta e' difficile, ma ancora piu' difficile e' l'operazione
inversa. Per far risalire un membro dell'equipaggio sulla nave, i sensori a
bordo dell'Enterprise devono individuare il membro dell'equipaggio sul
pianeta sottostante. Inoltre, devono analizzare l'individuo prima della
smaterializzazione e de trasporto del flusso di materia. L'Enterprise deve
quindi avere un telescopio abbastanza potente da analizzare oggetti a una
risoluzione atomica sulla superficie di un pianeta, e spesso anche sotto la
superficie. Il normale raggio d'operazione dell'apparechiatura e', a quanto
ci viene detto, di circa 40.000 km, ossia di piu' di tre volte il diametro
terrestre. Questo e' il numero che useremo per la stima seguente.
Tutti hanno visto fotografie delle cupole dei massimi telescopi del mondo,
come il telescopio Keck nelle Hawaii (il piu' grande del mondo), o il
telescopio di Monte Palomar in California. Vi siete mai domandati perche' si
costruiscano telescopi sempre piu' grandi? (Non e' solo una mania di
grandezza, come amano sostenere alcune persone, fra cui molti membri del
Congresso). Come si richiedono acceleratori di dimensioni sempre maggiori
per scandagliare la struttura della materia a scale sempre piu' piccole,
cosi' sono necessari telescopi di volta in volta maggiori se si vogliono
risolvere oggetti celesti via via piu' deboli e piu' lontani. Il
ragionamento e' semplice: la luc, a causa della sua natura ondulatoria,
tende a diffrangersi o a diffondersi ogni volta che passa attraverso
un'apertura. La luce proveniente da una sorgente puntiforme lontana,
passando per l'obiettivo del telescopio, produce un'immagine un po' diffusa,
cosicche'. invece di vedere un punto di luce si vedra' un piccolo disco
indistnto. Ora, se due sorgenti puntiformi nel campo visivo sono a una
distanza fra loro inferiore al diametro apparente dei loro dischi, sara'
impossibile risolverle come oggetti separati in quanto si avra' una
sovrapposizione dei loro dischi nell'immagine osservata. Ora, quanto
maggiore sara' il diametro dell'obiettivo, tanto minore sara' il disco
apparente di una sorgente puntiforme. Percio', per risolvere oggetti sempre
piu' piccoli, i telescopi dovranno avere un'apertura sempre maggiore.
C'e' un altro modo per risolvere piccoli oggetti con un telescopio. La
lunghezza d'onda della luce, o di qualsiasi radiazione si voglia usare come
sonda, dev'essere minore dell'oggetto che si cerca di analizzare, secondo il
ragionamento esposto prima. Cosi', se si vuol risolvere la materia alla
scala atomica, che si aggira attorno a qualche miliardesimo di centimetro,
si deve usare una radiazione di una lunghezza d'onda di meno di un
miliardesimo di centimetro circa. Se si sceglie una radiazione
elettromagnetica, si richiedera' l'uso o di raggi X o di raggi gamma. Qui si
ppone immediatamente un problema, poiche' tali radiazioni sono dannose alla
vita, e quindi l'atmosfera di ogni pianeta della Classe M le filtrera',
cosi' come fa la nostra atmosfera. Il dispositivo per il teletrasporto
dovra' percio' usare sonde non elettromagnetiche, come neutrini o gravitoni.
Questi presentano a loro volta i loro problemi, ma non e' il caso di tediare
oltre il lettore.
In ogni modo, dato che l'Enterprise usa una radiazione con una lunghezza
d'onda di meno di un miliardesimo di millimetro e analizza un oggetto a
40.000 km di distanza con una risoluzione alla scala atomica, si puo' fare
un calcolo. Secondo i miei calcoli, la nave spaziale avrebbe bisogno a
questo scopo di un telescopio con un'apertura di oltre 50.000 km di
diametro! Un telescopio piu' piccolo non potrebbe fornire una risoluzione
alla scala del singolo atomo neppure in linea teorica. Io penso che sia
giusto dire che l'Enterprise-D, pur essendo una grande madre, non e' poi
cosi' grande.

Come ho promesso, la riflessione sul teletrasporto ci ha condotti alla
meccanica quantistica, alla fisica delle particelle, all'informatica, alla
relazione massa-energia di Einstein e persino al problema dell'esistenza
dell'anima umana. Non dovremmo percio' lasciarci troppo scoraggiare dalla
chiara impossibilita' di costruire un dispositivo per il teletrasporto in
grado di assolvere le funzioni necessarie. O, per esprimerci in modo meno
negativo, la costruzione di un tale dispositivo ci richiederebbe di
riscaldare della materia sino a una temperatura un milione di volte
superiore a quella vigente al centro del Sole, di spendere in una singola
macchina piu' energia di quella usata attualmente da tutta l'umanita', di
costruire telescopi di apertura maggiore del diametro della Terra, di
migliorare gli attuali computer di un fattore di mille miliardi di miliari
(10^21) e di evitare le leggi della meccanica quantistica. Non sorprende che
il tenente Barclay fosse terrorizzato dal teletrasporto! Io penso che
persino Gene Roddenberry, se dovesse affrontare questo rischio nella sua
vita reale, preferirebbe probabilmente investire fondi in un'astronave
capace di atterrare.


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