E se quello che chiamiamo tempo fosse solo un’illusione quantistica?

Cos’è il tempo? Una domanda vecchia di millenni (sic), cui in tanti – filosofi, pensatori, scienziati – hanno provato a dare una risposta. Una domanda la cui risposta, paradossalmente, è diventata sempre più sfuggente ed elusiva via via che comprendevamo meglio la natura della realtà fisica e le leggi che la regolano. In questo momento, in particolare, i fisici non sono venuti ancora a capo del cosiddetto problema del tempo, un quesito concettuale che viene direttamente dalla mutua incompatibilità delle due più grandi teorie della fisica moderna, ossia la relatività generale e la meccanica quantistica: nella prima il tempo è una grandezza “relativa” ed è una delle quattro dimensioni che compongono il tessuto dell’Universo (che si chiama, per l’appunto, spazio-tempo); nella seconda, invece, il tempo è trattato come “universale” e assoluto. Un problema non da poco, insomma, di cui oggi un gruppo di fisici italiani dell’Istituto di sistemi complessi (Isc) al Consiglio nazionale delle ricerche ha proposto una soluzione, rifacendosi a un’ipotesi formulata qualche decennio fa e secondo la quale il tempo sarebbe una sorta di “illusione” derivante da un particolare fenomeno quantistico, il cosiddetto entanglement. L’aspetto più interessante di questo modello, presentato sulle pagine della rivista Physical Review A, è il fatto che riesce a ricavare, da principi della meccanica quantistica, una definizione del tempo in accordo con la relatività. Ossia, almeno in linea di principio, riconcilia questa divergenza. Tempo quantistico versus tempo relativistico Ma andiamo con ordine. La fisica moderna poggia su due grandi pilastri, gettati entrambi nella prima metà del secolo scorso. La meccanica quantistica, che con le sue leggi descrive il comportamento di onde e particelle su scale spaziali microscopiche, e la relatività generale, che spiega il comportamento della gravità in termini di una sorta di deformazione dello spazio-tempo, la struttura quadridimensionale in cui siamo immersi. Separatamente, meccanica quantistica e relatività generale funzionano alla perfezione, ed entrambe sono state (e continuano a essere) verificate sperimentalmente con precisione sempre maggiore; il problema è che quando i fisici provano a inserirle in un unico quadro teorico, ad armonizzarle in una teoria più generale che descriva anche la gravità in termini quantistici, le cose smettono di funzionare. E un discorso molto simile, come dicevamo in apertura, vale per il tempo: nella relatività generale il tempo è parte integrante del “tessuto” dell’Universo, e può “deformarsi” sotto l’azione della gravità; al contrario, la meccanica quantistica tratta il tempo come un’entità assoluta, non modificabile né parte delle proprietà fisiche di un oggetto. Tuttavia, dato che entrambe le teorie (almeno entro i rispettivi limiti) sono esatte e verificate, è lecito aspettarsi che le rispettive trattazioni del tempo debbano in qualche modo riconciliarsi. Un’idea degli anni Ottanta “Nel nostro lavoro – ci racconta Paola Verrucchi, una degli autori dell’articolo – ci siamo rifatti a un’idea proposta per la prima volta dai fisici Don Page e William Wootters nel 1983, secondo la quale il tempo sarebbe il risultato di un fenomeno di entanglement tra sistemi quantistici, uno dei quali viene considerato orologio”. Un attimo: cosa si intende per entanglement? Nel mondo subatomico una particella può essere in più di una diversa condizione, o stato, nello stesso tempo. Per esempio, semplificando un po’, una particella può ruotare in una direzione o nell’altra (in su o in giù, il cosiddetto spin), ma anche in entrambe le direzioni contemporaneamente. Questo doppio stato, detto anche sovrapposizione quantistica, permane finché non si misura lo spin, momento in cui esso collassa su uno solo dei due stati. A complicare le cose c’è poi, per l’appunto, l’entanglement: due particelle possono essere “intrinsecamente collegate” in modo tale che entrambi abbiano la stessa sovrapposizione di stati allo stesso tempo. Se si esegue una misura sulla prima particella, provocandone il collasso, per esempio, nello stato di spin su, la seconda collasserà istantaneamente nello stato di spin giù, indipendentemente da quanto sono distanti le particelle. “In questo senso – prosegue Verrucchi – dire che qualcosa accade in un determinato istante vuol dire che un oggetto (l’orologio) si trova in un determinato stato. Nella trattazione di Page e Wooteers (e nostra) il tempo è il risultato di due sistemi entangled: un sistema che evolve e un orologio”. In altre parole, l’idea è che quando vediamo un oggetto cambiare nel tempo – ossia quando vediamo scorrere il tempo – quello che in realtà stiamo percependo è l’entanglement tra questo oggetto e un orologio. E la sua conseguenza inquietante è che un osservatore davvero “esterno” a questa coppia (sistema + orologio) vedrebbe un universo completamente fermo e immobile: in questo senso lo scorrere del tempo è solo un risultato della nostra osservazione, che “perturba” questo sistema quantistico. Fuori dal tempo “Il nostro apporto – ci dice ancora Verrucchi – è di aver reso più generali il meccanismo di Page e Wooteers (e altre considerazioni successive), che tra l’altro era stato verificato sperimentalmente nel 2012. Dalle equazioni di questo modello viene fuori una definizione di tempo perfettamente compatibile con la meccanica classica e quindi ‘relativizzabile’ nel senso della teoria di Einstein”. Nel loro modello, Verrucchi e colleghi hanno rappresentato matematicamente l’orologio come un sistema di piccoli magneti entangled con un oscillatore quantistico (ossia la versione quantistica di una molla), e sono riusciti a caratterizzare questo sistema (magneti/orologio + molla quantistica) con una versione leggermente modificata dell’equazione di Schrödinger, quella tradizionalmente utilizzata per descrivere il comportamento delle particelle quantistiche. La magia avviene proprio nella leggera modifica: laddove l’equazione di Schrödinger “convenzionale” contiene la variabile tempo, quella modificata contiene una nuova variabile collegata allo stato quantistico dei magneti – ossia la lettura “quantistica” del tempo. Di più: i ricercatori hanno poi ripetuto il calcolo “ingrandendo” molla e magneti fino a uscire dal regime quantistico. E anche in questo caso è stato possibile ricavare la variabile tempo nello stesso modo e con gli stessi risultati, risultati tra l’altro coerenti con quelli a cui si arriva con una trattazione “classica” e macroscopica del tempo. Insomma, sembra che per ora tutto torni. Tutto cominciò con l’entanglement “L’aspetto più profondo di questo modello – dice la scienziata – è che implica che ‘in principio’ tutto doveva essere entangled con tutto, ossia che l’entanglement è in qualche modo un fenomeno primordiale e intrinseco all’Universo. In quel principio, in quella singolarità, il tempo era davvero assoluto”. Ora sarà interessante capire se e come queste idee potranno essere verificate sperimentalmente. Aspetteremo orologio alla mano.