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Le stampanti 3D quantistiche creeranno un giorno interi universi?

The Science of Can and Can't, un libro recentemente pubblicato dalla fisica teorica di Oxford Chiara Marletto, discute il concetto di Costruttore Universale. Le abbiamo chiesto se questo potrebbe essere il futuro della stampa 3D.

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In qualità di analisti del settore nella produzione additiva, ci sforziamo di prevedere le tendenze evolutive delle tecnologie di stampa 3D in un periodo di tempo che si estende per cinque o dieci anni. Come giornalisti, a volte ci avventuriamo più lontano nel futuro, cercando di immaginare cosa accadrà tra cinquanta o cento anni. E se guardassimo oltre, senza un limite di tempo prestabilito? Quindi avremmo bisogno di parlare con uno scienziato per capire cosa alla fine può e non può accadere. Ed è quello che abbiamo fatto quando abbiamo avuto l’opportunità unica di intervistare Chiara Marletto, Research Fellow presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford.

La professoressa Marletto è un fisico teorico e i suoi studi si concentrano sulla teoria quantistica del calcolo, sulla teoria dell’informazione, sulla termodinamica, sulla fisica della materia condensata e sulla biologia quantistica. Ha appena pubblicato un libro intitolato The Science of Can and Can’t , che si basa sulla sua recente ricerca che sfrutta una generalizzazione recentemente proposta della teoria quantistica dell’informazione – la teoria del costruttore – per affrontare i problemi alla base della teoria del controllo e della causalità, in fisica.

La professoressa Chiara Marletto

Nel libro, esplora anche il concetto di Universal Constructor, che potrebbe rappresentare l’ultima evoluzione delle stampanti 3D di oggi. “Non è la parte principale del libro – dice il professor Marletto – tuttavia è il principio ispiratore della Scienza dei Controfattuali – Scienza del Can e non Can – che viene comunemente chiamata ‘Teoria del Costruttore‘, cioè la teoria del costruttore universale”.

Ma cos’è esattamente un costruttore universale? E come si relaziona con le stampanti 3D di oggi? Una possibilità che mi viene in mente è qualcosa come il “replicatore” descritto nella serie immaginaria di Star Trek, che è una macchina che assembla oggetti a livello atomico. In qualche modo lo è. Il Costruttore Universale è stato proposto come modello teorico dal fisico e matematico John von Neumann negli anni ’50 per generalizzare l’idea della macchina di Turing universale, cioè del computer universale. “Un computer universale è una macchina che può essere programmata per eseguire qualsiasi calcolo fisicamente possibile – spiega Marletto – l’Universal Constructor invece è una macchina in grado di eseguire qualsiasi trasformazione – non solo calcoli – fisicamente consentita. In particolare, von Neumann lo ha ideato per emulare il comportamento delle cellule.

Un elemento che l’Universal Constructor condivide con le stampanti 3D, che è anche una delle caratteristiche distintive dell’Universal Constructor, è che potrebbe creare una replica di se stesso, qualcosa che ha ispirato il primo movimento di stampa 3D RepRap e continua a definire le stampanti 3D anche ai più alti livelli industriali: la capacità di realizzare parti per nuove stampanti.

Altro concetto chiave è che il Costruttore Universale richiede non solo energia e/o materie prime, ma anche conoscenza, che – ha spiegato il professor Marletto – è un particolare tipo di informazione contenuta in un programma software, che deve essere data in input alla macchina informatica universale e anche al Costruttore Universale in modo che possano eseguire il calcolo desiderato. La prossima domanda è: se ne avessimo abbastanza di tutti questi elementi (energia/materiali e conoscenza) potremmo realizzare una stampante 3D in grado di produrre qualsiasi cosa?

“Attualmente non disponiamo di una teoria completa del Costruttore Universale”, afferma il professor Marletto, “quindi la sua domanda non ha una risposta precisa. Molto dipende dalle risorse disponibili nell’universo e da altri aspetti delle nostre leggi fisiche. Tuttavia, possiamo dire che non esiste una legge fisica che impedisca la creazione in un Costruttore Universale”. In altre parole, le leggi della fisica come le intendiamo oggi consentono la creazione di una macchina in grado di produrre qualsiasi cosa: il fatto che farlo sia incredibilmente complesso con le nostre attuali capacità tecnologiche non significa che sia impossibile come sarebbe, per esempio, per creare macchine a moto perpetuo, che sono impedite dal principio di conservazione dell’energia.

“Ad esempio – aggiunge il professor Marletto – la teoria della termodinamica ci dice che non c’è limite alla costruzione di motori termici arbitrariamente accurati, e vorremmo generare una simile previsione anche per il Costruttore Universale. Ci piacerebbe davvero avere, quando la teoria del Costruttore sarà completata, una serie di principi fisici che indichino se è possibile avere un Costruttore Universale, e anche quali sono le trasformazioni che ci sono nel suo repertorio”.

Anche se non sappiamo se le stampanti 3D alla fine possono evolversi in costruttori universali, non c’è nulla in fisica che dica che non possono. Ad ogni modo, potrebbe essere possibile immaginare un processo evolutivo che ci porti dalle prime stampanti 3D di oggi a una macchina in grado di costruire qualsiasi cosa. Il professor Marletto concorda: “La realizzazione finale di un Costruttore Universale richiederà la creazione di costruttori imperfetti, che non sono universali ma hanno la capacità di costruire costruttori approssimativi che funzionano leggermente meglio della generazione precedente. Questo meccanismo – di come gli organismi che si replicano imperfettamente possano creare di volta in volta una versione migliore, che poi prende il sopravvento – è già descritto nella teoria della selezione naturale di Charles Darwin. Un meccanismo simile si verifica nel contesto dell’evoluzione tecnologica all’interno della nostra civiltà, che procede gradualmente. Si pensi all’evoluzione delle macchine di calcolo, a partire dalla proposta teorica di Turing.

Il fatto che le forme più ottimizzate prodotte dalle stampanti 3D spesso replichino “forme naturali” come reticoli e frattali può essere un altro elemento chiave che indica che si evolveranno: non solo replicano forme naturali ma possono anche replicare processi naturali come autoriproduzione e selezione naturale. Le stampanti 3D di oggi si stanno evolvendo in termini di dimensioni e velocità ma anche in termini di precisione. Man mano che le risoluzioni diventano sempre più precise, l’assemblaggio della materia alla scala più elementare non può sfuggire alle complessità della meccanica quantistica. Mentre la maggior parte delle stampanti 3D oggi funziona con voxel da 10 a 100 micron, alcune possono già raggiungere la scala nanometrica. E gli effetti quantistici possono già entrare in gioco.

“Gli effetti quantistici spontanei sono generalmente confinati alla scala atomica o subatomica”, sottolinea il professor Marletto. “Tuttavia, esistono tecnologie che ci permettono di indurre effetti quantistici su scale mesoscopiche. Si considerino, ad esempio, le espressioni di interferometria relative a molecole complesse come i fullereni. Non ci sono limiti fissati dalla teoria quantistica riguardo alla scala alla quale gli effetti quantistici possono essere usati per migliorare l’efficienza di un processo fisico classico. Si pensi ad esempio al caso della biologia quantistica, in cui si studia la possibilità che gli esseri viventi utilizzino gli effetti quantistici per funzionare in modo più efficiente. È certamente possibile immaginare modi di utilizzare gli effetti quantistici anche all’interno del Costruttore Universale”.

Anche prima di entrare negli effetti quantistici, le stampanti 3D devono sempre fare i conti con la fisica su scala macroscopica e i suoi limiti. Ad esempio, in termini di gestione del calore, movimenti meccanici, nella fisica delle polveri e dei liquidi o nella fisica delle fonti energetiche come laser e radiazioni infrarosse. La teoria del costruttore e la scienza del Can e Can’t possono fornire un quadro pratico per affrontare anche alcune di queste sfide?

La pensa così il professor Marletto. “Le leggi della teoria dei costruttori sono, come tutte le leggi della fisica di base, universali, conferma. “Pertanto si applicano a sistemi elementari come le particelle, e anche ad aggregati di particelle elementari che stanno diventando sempre più complessi – quindi anche a oggetti come computer o organismi viventi”. Leggendo il libro del Professore, si ha l’impressione che la Teoria del Costruttore possa aiutare ad ampliare gli orizzonti della creatività e dell’innovazione, in particolare in un segmento industriale ricco di innovazione e in rapida evoluzione come la produzione additiva, che continua a superare i confini.

Un altro aspetto pratico da considerare mentre la stampa 3D continua ad avanzare è la simulazione (e il monitoraggio) del processo. Le stampanti 3D industriali producono enormi quantità di dati digitali che devono essere gestiti da computer sempre più potenti. Il professor Marletto concorda sul fatto che questo potrebbe essere un compito ideale per i computer quantistici universali di domani. “La tecnologia Universal Constructor, quando verrà implementata, utilizzerà un computer quantistico universale per gestire i dati ed eseguire i calcoli necessari per il funzionamento del costruttore”, ha spiegato.

Il motore analitico di Babbage era un computer classico universale. La questione se possa esistere un Costruttore Universale è di grande interesse nella Teoria del Costruttore.

Avere l’opportunità di discutere l’evoluzione della tecnologia di stampa 3D in termini di fisica teorica è stato davvero stimolante. Mentre siamo certamente ancora all’inizio dell’evoluzione della stampa 3D e ancora lontani da una comprensione completa della teoria del costruttore, sembra chiaro che ci siano molti elementi comuni da esplorare. Poiché 3dpbm sta lavorando attivamente con Sarah Goerke presso Women in 3D Printing per favorire l’inclusione e l’uguaglianza di genere nell’industria AM, dovrei dire che è stato anche rinfrescante parlare di questi argomenti con una brillante scienziata, in un mondo di fisica teorica che è anche generalmente dominato dagli uomini.

“Penso che si tratti dei tempi che cambiano”, conclude il professor Marletto. “Secondo me, le scelte di lavoro e di studio (sia per gli uomini che per le donne) sono in gran parte determinate dalla cultura e dalla società in cui viviamo. Mi aspetto che con l’evoluzione (spero in meglio) dei nostri costumi ci sarà un’evoluzione delle scelte che andranno di pari passo. Vedremo a cosa porterà. Sono fiduciosa”.

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Davide Sher

Sono un giornalista professionista iscritto all'ODG dal 2002 e mi sono sempre occupato di comunicazione trade. Per 10 anni ho redatto una testata dedicata al mercato dei videogiochi e successivamente ho partecipato alla creazione del primo iPad magazine dedicato all'elettronica di consumo. Dal 2012, mi occupo esclusivamente di stampa 3D/manifattura additiva, che vedo come la più affascinante e reale delle tecnologie oggi agli albori ma che plasmeranno il nostro futuro. Ho fondato Replicatore.it nel 2013 e ho scritto come blogger per diversi siti internazionali. Nel 2016 ho fondato la mia società 3dpbm (www.3dpbm.com), con base a Londra, che offre servizi di supporto alle aziende che vogliono comunicare, sia in Italia che nel mondo, i loro prodotti legati alla manifattura additiva. Oggi pubblichiamo diverse testate internazionali tra cui 3D Printing Media Network (il nostro sito editoriale internazionale), 3D Printing Business Directory (la più grande directory al mondo di aziende legate alla stampa 3D), Replicatore.it, Replicador.es e 3D Printing Media Network Chinese Version.

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