Sapere Scienza

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Un solo tempo per la meccanica quantistica e la fisica classica

10 Maggio 2021 di 

 

La nozione di “tempo” è così profondamente radicata nella nostra percezione della realtà, che ai nostri occhi sembra del tutto ovvio descrivere l’esperienza che abbiamo del mondo come una serie di eventi che avvengono a certi istanti di tempo e si susseguono l’un l’altro.

 

Cos’è davvero il tempo?


Forse per questo il concetto stesso di “tempo” è stato a lungo considerato tanto fondamentale da non poter essere messo in discussione, finché nel secolo scorso relatività generale e meccanica quantistica (MQ) sono intervenute in direzioni opposte. Mentre nel primo caso l’introduzione dello “spaziotempo”, dove coordinate spaziali e temporali hanno lo stesso status, appare come un’elegante intuizione, compatibile con l’impianto logico e formale della fisica classica (la teoria adatta a descrivere il mondo come noi direttamente lo percepiamo), in MQ il tempo rimane un para-metro esterno alla teoria stessa, calato dall’alto e diverso da ogni altra proprietà osservabile.
Tutto ciò si scontra con l’evidenza che tutti i sistemi sono “quantistici”, anche se alcuni di essi, in virtù di loro specifiche caratteristiche, possono essere efficacemente descritti mediante le leggi della fisica classica.

 

Il tempo tra meccanica quantistica e fisica classica


Il nostro lavoro* nasce proprio dalla constatazione che il tempo, in quanto nozione trasversale a tut-te le teorie scientifiche, deve comparire in una trattazione quantistica in modo tale da ritornare ad assumere naturalmente il ruolo che gli assegna la fisica classica, quando tale descrizione è appli-cabile, permettendo così la realizzazione del cosiddetto quantum-to-classical crossover.
Per eliminare la fastidiosa esternalizzazione del parametro temporale, tale trattazione deve corri-spondere a una descrizione “senza tempo” dell’Universo, che implichi le equazioni per l’evoluzione dinamica dei sistemi fisici, siano esse quelle previste dalla MQ, la cosiddetta equazione di Schrödinger, o dalla fisica classica, le cosiddette equazioni di Hamilton.

 

Il meccanismo di Page-Wootters


Punto di partenza è stato il meccanismo di Page-Wootters (PaW), introdotto circa 40 anni fa, se-condo cui l’evoluzione temporale dei sistemi fisici – siano essi una particella, una macchina, o anche un essere umano – emerge dalla loro reciproca relazione, laddove uno di essi può svolgere il ruolo di orologio per gli altri.
In altre parole ritroviamo uno degli strumenti più usati nella letteratura e nel cinema, dove per dare il senso di un tempo che si ferma, l’intero ambiente circostante il/la protagonista viene congelato, in-troducendo così l’idea fondamentale che la percezione dello scorrere del tempo richieda neces-sariamente una correlazione con ciò che ci circonda.
Nel meccanismo PaW tutto ciò si esprime mediante lo straordinario fenomeno dell’entanglement, un ingarbugliamento tra sistemi fisici distinti, tipico ed esclusivo della MQ, che stabilisce una relazio-ne tra le loro rispettive proprietà tanto sostanziale da sopravvivere anche quando tali sistemi, allon-tanati nello spazio e nel tempo, non interagiscono più. D’altra parte, il meccanismo PaW non condu-ce di per sé alla descrizione del fluire del tempo fornita dalla fisica classica.
Rielaborando tale meccanismo e integrandolo con una trattazione formale del quantum-to-classical crossover, siamo però riusciti a mostrare che esiste un parametro dell’orologio che identifica il “tempo” per tutti i sistemi che condividono quello stesso orologio, indipendentemente dalla descri-zione utilizzata, quantistica o classica.
L'assoluta necessità che sistema e orologio siano entangled dimostra che questa forma di cor-relazione, genuinamente quantistica, è fondamentale per la realizzazione dell’Universo intorno a noi e del modo in cui lo percepiamo. Il nostro risultato getta le basi per costruire un ponte tra relatività generale e meccanica quantistica, e può traghettarci verso una più profonda comprensione di come e perché il tempo scorra intorno a noi e nell’intero Universo.

 

 

 

 

 

*La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications dagli autori Caterina Foti,  Alessandro Coppo, Giulio Barni, Alessandro Cuccoli e Paola Verrucchi: https://www.nature.com/articles/s41467-021-21782-4

Caterina Foti

Caterina Foti è una ricercatrice postdoc presso la Aalto University di Helsinki (Finlandia). Ha conseguito la laurea in Scienze Fisiche e Astrofisiche e il Dottorato in Fisica e Astronomia presso l’Università di Firenze. Si è occupata di sistemi quantistici con ambiente macroscopico, in relazione al cosiddetto quantum-to-classical crossover; attualmente si occupa di divulgazione scientifica e progetti di didattica nell’ambito della fisica e delle tecnologie quantistiche.

copertina   novembre-dicembre 2022

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