Il tempo, una dimensione che diamo per scontata, si rivela un enigma complesso quando lo si scruta da vicino. La nostra esperienza quotidiana ci dice che il tempo scorre inesorabilmente dal passato al futuro. Ricordiamo il passato, ma il futuro rimane avvolto nel mistero. Questa asimmetria temporale, così radicata nella nostra percezione, sfida le leggi fondamentali della fisica, che invece sono per lo più simmetriche rispetto al tempo quantistico.
La freccia del tempo quantistico e l’entropia
A livello microscopico, molti processi fisici sembrano indifferenti alla direzione del tempo. Un filmato di una pallina che rimbalza, proiettato al contrario, non violerebbe le leggi della fisica. Tuttavia, a livello macroscopico, il tempo mostra una direzione ben precisa. Un uovo si rompe, ma non si ricompone spontaneamente. Un albero cresce, ma non rimpicciolisce. Questa asimmetria è legata al concetto di entropia, una misura del disordine di un sistema. L’entropia tende ad aumentare nel tempo, il che significa che i sistemi diventano sempre più disordinati. Ma perché l’entropia aumenta nel tempo? Questa è una domanda a cui i fisici non hanno ancora una risposta definitiva.
Nella loro ricerca per svelare i segreti del tempo quantistico, i fisici Thomas Guff, Chintalpati Umashankar Shastry e Andrea Rocco dell’Università del Surrey hanno condotto un esperimento innovativo. Hanno cercato tracce di una “sorgente del fiume del tempo” in un sistema quantistico, utilizzando un modello matematico semplificato di particelle riscaldate che si urtano in un contenitore aperto. Questo modello, noto come catena di Markov, permette di studiare l’evoluzione temporale di un sistema senza dover considerare l’intera storia del sistema, ma solo il suo stato presente.
I risultati dell’esperimento sono stati sorprendenti. Nonostante abbiano esplorato diverse configurazioni e parametri, i ricercatori non hanno trovato alcuna indicazione che il tempo avesse una direzione preferita. Il sistema sembrava comportarsi in modo simmetrico rispetto al tempo, sia a livello microscopico che macroscopico. Questo risultato suggerisce che la freccia del tempo potrebbe non essere una proprietà fondamentale dell’universo, ma piuttosto un fenomeno emergente, che emerge dal comportamento collettivo di molte particelle.
La ricerca sulla freccia del tempo è ancora in corso e molte domande rimangono senza risposta. Tuttavia, i risultati ottenuti finora hanno importanti implicazioni per la nostra comprensione dell’Universo e della sua storia. Se il tempo non ha una direzione intrinseca, ciò potrebbe significare che il passato e il futuro non sono così fissi come pensiamo. Il futuro potrebbe influenzare il passato, e la nostra nozione di causalità potrebbe dover essere ripensata.
Inoltre potrebbe portare a nuove tecnologie e applicazioni. Ad esempio, se fosse possibile controllare l’entropia di un sistema, potremmo essere in grado di invertire alcuni processi fisici che oggi consideriamo irreversibili. Nonostante i progressi compiuti negli ultimi anni, la sua natura rimane ancora in gran parte sconosciuta. La ricerca futura potrebbe portare a una comprensione più profonda di questo fenomeno fondamentale e delle sue implicazioni per la nostra comprensione dell’Universo.
La freccia del tempo quantistico: un enigma quantistico
Derivare una freccia del tempo quantistico dalla dinamica microscopica simmetrica rispetto all’inversione temporale è un problema aperto fondamentale in molte aree della fisica. Questa sfida abbraccia diverse discipline, dalla cosmologia alla fisica delle particelle, dalla termodinamica alla meccanica statistica. Lo studio ha affrontato questo problema nel contesto dei sistemi quantistici aperti. I ricercatori si sono concentrati su come la simmetria di inversione temporale viene infranta in questi sistemi.
La loro analisi coinvolge l’approssimazione di Markov applicata a un sistema che interagisce con un bagno di calore infinito. L’approssimazione di Markov è un metodo matematico che semplifica la descrizione di un sistema dinamico assumendo che il futuro del sistema dipenda solo dal suo stato presente, e non dalla sua storia passata. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che l’approssimazione di Markov di per sé non implica una violazione della simmetria di inversione temporale. I loro risultati mostrano che la simmetria è invece mantenuta nelle equazioni del moto derivate.
Questa scoperta ha importanti implicazioni per la nostra comprensione della termalizzazione e della meccanica quantistica. In particolare, suggerisce che le dinamiche dei sistemi quantistici aperti sono meglio descritte da una definizione simmetrica nel tempo della markovianità. Ciò significa che la termalizzazione, il processo attraverso il quale un sistema raggiunge l’equilibrio termico, può avvenire in entrambe le direzioni temporali. I risultati di questo studio potrebbero anche avere un impatto sulle formulazioni della freccia del tempo in diverse aree della fisica, tra cui la termodinamica, la cosmologia e la meccanica quantistica.
“I nostri risultati suggeriscono che, mentre la nostra esperienza comune ci dice che il tempo si muove solo in una direzione, non siamo consapevoli che la direzione opposta sarebbe stata ugualmente possibile”, afferma Rocco. Questa affermazione solleva interrogativi affascinanti sulla nostra percezione del tempo quantistico e sulla sua natura fondamentale. Se il tempo quantistico può oscillare avanti e indietro, perché la nostra esperienza quotidiana è così saldamente ancorata a una direzione temporale unidirezionale?
Gli autori dello studio suggeriscono che questa asimmetria potrebbe emergere solo a scale di energia molto più elevate di quelle che possiamo attualmente sondare. In altre parole, la freccia del tempo quantistico che osserviamo nel mondo macroscopico potrebbe essere un fenomeno emergente, che emerge dal comportamento collettivo di un gran numero di particelle quantistiche.
Questa idea è supportata da osservazioni cosmologiche che mostrano che l’universo si sta espandendo da uno stato iniziale di bassa entropia a uno stato di entropia sempre crescente. Questa espansione cosmica potrebbe essere la forza trainante dietro la freccia del tempo che osserviamo.
Conclusioni
Lo studio di Guff, Shastry e Rocco fornisce nuove intuizioni sulla natura del tempo quantistico e sulla sua relazione con la meccanica quantistica. I loro risultati suggeriscono che la simmetria di inversione temporale, una proprietà fondamentale delle leggi della fisica a livello microscopico, potrebbe essere violata solo in determinate condizioni, come ad esempio a scale di energia molto elevate o in sistemi complessi con molte interazioni. Questa ricerca apre nuove strade per esplorare il mistero della freccia del tempo quantistico e il suo ruolo nell’Universo.
La ricerca è stata pubblicata su Scientific Reports.
