Viaggiare nel tempo? Nel mondo dei quanti (forse) è possibile

Almeno in teoria, il fatto che nel mondo quantistico un sistema possa trovarsi in una combinazione di più stati diversi permette una sua evoluzione simultanea in due direzioni opposte, sia avanti sia indietro nel tempo. Una conferma sperimentale di questa previsione potrebbe avere interessanti ricadute applicative
di Matteo Serra
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Fin dagli albori della conoscenza, pochi argomenti come la natura del tempo hanno solleticato l’interesse di fisici, filosofi e pensatori. Uno dei tanti aspetti affascinanti riguarda la “direzione” del tempo, con un interrogativo cruciale: il tempo può scorrere solo in un verso (cioè nella direzione del futuro), come ci indica la nostra esperienza quotidiana, oppure è possibile ipotizzare che, almeno a livello fondamentale, un sistema possa muoversi anche nella direzione temporale opposta?

Un nuovo studio, pubblicato di recente su “Communications Physics” da un gruppo di ricerca guidato da Giulia Rubino dell’Università di Bristol, sembra avvalorare la seconda opzione: i ricercatori hanno infatti dimostrato teoricamente che un sistema quantistico, sotto certe condizioni, può evolvere simultaneamente in due direzioni opposte, sia avanti sia indietro nel tempo. Un risultato che sembra suggerire la necessità di un ripensamento della natura stessa del tempo in ambito quantistico, aprendo la strada al contempo anche ad applicazioni pratiche interessanti.

Nella nostra percezione quotidiana, lo scorrere del tempo è associato al concetto di cambiamento: per citare il filosofo Eraclito, “tutto scorre” e si modifica continuamente (a volte in modo molto lento, altre volte repentinamente), dandoci la sensazione non solo che il tempo esista, ma che punti costantemente in avanti, in un’unica direzione. Dal punto di vista fisico, l’esistenza di questa “freccia del tempo” è sostenuta da una serie di osservazioni empiriche. Per citarne alcune: la causa precede sempre l’effetto, l’universo si espande e l’entropia dell’universo cresce sempre.

Quest’ultima in particolare è una delle formulazioni del secondo principio della termodinamica, uno dei capisaldi della fisica classica, che definisce in modo molto efficace il concetto di freccia del tempo. Fisicamente l’entropia rappresenta il livello di disordine di un sistema: dire che essa non può mai diminuire implica fissare una direzione privilegiata per i processi termodinamici. Per fare un esempio pratico, tutti noi abbiamo osservato tante volte il vapore uscire da una tazza di caffè bollente, ma nessuno ha mai sperimentato il processo opposto: la prima configurazione è quella che conduce a uno stato di maggiore entropia, verso cui il sistema tende naturalmente, obbedendo al secondo principio della termodinamica. Il discorso è legato a doppio filo alla direzione della freccia del tempo: il vapore che esce dalla tazza è un processo che va dal presente al futuro, il suo opposto è immaginabile solo “riavvolgendo il nastro”, quindi assumendo che il tempo scorra al contrario. Il fatto che quest’ultimo fenomeno (come altri simili) non sia mai stato osservato sembra dare un senso al flusso unidirezionale del tempo.

Tuttavia, le cose non sono così semplici. “Se per un momento proviamo a non considerare la nostra percezione personale, definire il tempo diventa molto più difficile”, spiega Giulia Rubino. “Non sempre, infatti, è possibile riuscire a stabilire se il tempo stia scorrendo in una direzione oppure in quella opposta. Se per esempio immaginiamo di guardare un video che mostra un fenomeno periodico, come l’oscillazione di un pendolo, in generale non siamo in grado di dire se la registrazione stia andando avanti o indietro.”

Un elemento essenziale per distinguere chiaramente la freccia del tempo è la quantità di entropia prodotta. “Un esempio facilmente comprensibile è quello del dentifricio: se spremiamo con forza il tubo che lo contiene (processo a cui corrisponde un’elevata produzione di entropia), sappiamo che ne uscirà una grande quantità, e sarà pressoché impossibile osservare il processo opposto. Se però premiamo con poca intensità, può capitare che il dentifricio rientri naturalmente nel tubo, a causa della decompressione. Insomma: se un sistema produce pochissima entropia, vedere la suo inversione temporale non è impossibile in natura.”

Tutto ciò si spiega nell’ambito delle “fluttuazioni termodinamiche”, un fenomeno ben noto da tempo nel contesto della fisica classica. Ma che cosa accade spostandosi nel territorio (spesso bizzarro) della meccanica quantistica? Nel loro studio, Rubino e i colleghi Gonzalo Manzano dell’IFISC di Palma di Maiorca e Caslav Brukner dell’Università di Vienna hanno provato ad applicare il principio delle fluttuazioni termodinamiche al mondo quantistico, per verificare se si osserva un comportamento simile al caso classico, o anche qualcosa di più esotico.

Una caratteristica chiave della meccanica quantistica è il principio di sovrapposizione, secondo cui in un dato momento un sistema può trovarsi in una combinazione di più stati diversi. L’esempio più famoso è quello del gatto di Schrödinger: un ipotetico “gatto quantistico” chiuso in una scatola si troverà nella sovrapposizione degli stati “vivo” e “morto”, e solo l’apertura della scatola (cioè una misurazione del sistema) svelerà la sorte del felino. “Come abbiamo visto, se un sistema produce poca entropia può evolvere in due direzioni opposte, anche nel mondo classico”, riprende Rubino. “Cosi ci siamo chiesti: è possibile che un sistema quantistico possa evolvere in una sovrapposizione simultanea di questi due stati, corrispondenti rispettivamente a entropia positiva e negativa?”

I tre ricercatori hanno così messo a punto un modello teorico, i cui risultati sono molto interessanti. Ciò che emerge è che quando i due stati presentano una grande differenza nella quantità di entropia prodotta (per esempio lo stato a entropia positiva è caratterizzato da una produzione molto più elevata di entropia, in valore assoluto, rispetto a quello a entropia negativa), dopo la misurazione il sistema “collassa” automaticamente nello stato a entropia maggiore, caratterizzato da una freccia del tempo univoca.

Tuttavia, se al contrario i valori di entropia dei due stati sono molto simili in valore assoluto, il sistema conserva la sovrapposizione. Teoricamente, dunque, possono esistere in natura sistemi quantistici che evolvono simultaneamente in entrambe le direzioni della freccia del tempo: un concetto che appare del tutto sconcertante per la nostra esperienza “classica”, ma che è invece possibile nel regno quantistico, dove peraltro non è certo raro imbattersi in fenomeni difficilmente concepibili al livello del senso comune.

A questo punto è lecito chiedersi se questo comportamento possa essere osservabile sperimentalmente. “Ci siamo già confrontati con alcuni gruppi sperimentali, che hanno confermato la fattibilità di un esperimento che dimostri questa sovrapposizione, una volta superati alcuni ostacoli di tipo tecnologico”, specifica Rubino.

Non solo: sistemi di questo tipo potrebbero anche aprire la strada ad applicazioni pratiche nell’ambito delle tecnologie quantistiche. I ricercatori hanno infatti dimostrato che questo fenomeno potrebbe produrre importanti vantaggi nel riscaldamento e raffreddamento di sistemi quantistici, che fisicamente corrisponde ad alzare e abbassare i loro livelli energetici. In sintesi, lo stato sovrapposto di due processi termodinamici (uno che riscalda e l’altro che raffredda il sistema) può far raggiungere a una “macchina termica quantistica” una prestazione migliore di quella che si otterrebbe con i due processi singoli.

Insomma, i risultati di questo studio potrebbero rappresentare un punto di svolta importante. “A livello quantistico, il legame tra la produzione di entropia e l’emergere di una freccia del tempo è stato verificato sperimentalmente solo di recente”, sottolinea Mauro Paternostro, docente di teoria dell’informazione quantistica alla Queen’s University di Belfast. “Il lavoro di Rubino e colleghi aggiunge un importante tassello al mosaico, ossia il principio di sovrapposizione: grazie a esso, nei casi in cui si ha una bassa produzione di entropia, il comportamento di un sistema quantistico può risultare autenticamente diverso dall’analogo classico. E potrebbe davvero permettere di realizzare processi termodinamici più efficienti”.

Ma al di là delle pur importanti applicazioni potenziali, è interessante tornare al punto di partenza: quali sono le implicazioni sulla comprensione del concetto di tempo a livello fondamentale, specie in ambito quantistico?

“Il dibattito sulla reale natura del tempo è ancora aperto e affascinante”, sintetizza Rubino. “Noi abbiamo cercato di aggiungere un contributo alla discussione, attraverso un approccio che permette di quantificare il concetto di tempo e il suo flusso, grazie a un’osservabile fisica come l’entropia. Ma la strada verso una piena comprensione di questi problemi è ancora lunga.”