La nostra esperienza quotidiana ci dice che il tempo scorre solo in avanti. Ma nel mondo della meccanica quantistica non esiste una direzione privilegiata. Ad illustrare le nuove frontiere della fisica quantistica che guarda anche all’ intelligenza artificiale basata su computer quantistici, è Sandro Iannaccone in un interessante articolo pubblicato su wired. Ha poco a che fare con Sanità ma getta una luce su prospettive scientifiche rilevanti in ogni campo del salere scientifico e per questo ne riprendiamo volentieri i contenuti riproponendoli come spunto di riflessione sulla nostra esistenza all’interno del cosmo.
Il tempo, nel mondo quantistico – scrive Iannaccone – non scorre necessariamente in una direzione privilegiata.
Immaginate di versare del caffè nel latte. Otterrete un caffellatte, cioè una miscela omogenea dei due liquidi, e ciascuna cucchiaiata della miscela sarà indistinguibile dall’altra. Niente di nuovo. Ma perché accade un fenomeno del genere? Perché latte e caffè si mescolano in questo modo anziché rimanere ordinatamente separati? La risposta a questa domanda – solo apparentemente banale – sta in una legge fondamentale della fisica, il secondo principio della termodinamica, formulata dal grande scienziato Ludwig Boltzmann oltre un secolo fa. Una delle più importanti intuizioni di Boltzmann fu quella di mostrare che ciascun sistema fisico isolato evolve sempre verso la condizione di massimo disordine o, più precisamente, di massima entropia. L’entropia di un sistema è, per l’appunto, la grandezza fisica che ne misura il disordine, “contando” il numero di “modi” in cui quel particolare sistema si può realizzare. Ci sono (praticamente) infiniti modi in cui le molecole di latte e caffè possono mischiarsi a formare il caffellatte, e solo un modo in cui possono rimanere ben ordinate e separate tra loro; e la natura, dice Boltzmann, sceglierà sempre di andare nella prima direzione. Un momento: cosa ha a che fare il caffellatte con il tempo di cui si parla nel titolo dell’articolo? Le questioni sono in realtà strettamente legate: il secondo principio della termodinamica stabilisce infatti un principio di irreversibilità, ovvero ammette un’unica direzione per lo scorrere del tempo, quella in cui il passato viene sempre prima del futuro.
Tutto questo, tuttavia, cozza con un altro fatto. Alcune delle equazioni fondamentali della fisica, come per esempio le equazioni del moto di Newton, che regolano la dinamica degli oggetti macroscopici, e l’equazione di Schroedinger, che governa il comportamento degli oggetti microscopici, sono time reversal invariant, ossia “simmetriche” rispetto all’inversione temporale. Questo implica che, almeno in linea di principio, queste equazioni non implicano che il tempo debba scorrere necessariamente in avanti; secondo queste equazioni, difatti, il tempo non ha una direzione privilegiata. Donde il problema: perché partendo da equazioni in cui esiste una simmetria temporale si arriva a un mondo in cui la simmetria temporale è rotta e viene individuata una direzione privilegiata? Cos’è che rompe la simmetria? Perché e quando accade? A questa domanda ha appena provato a rispondere un gruppo di fisici del Department of Mathematics and Physics alla University of Surrey, di cui fa parte anche l’italiano Andrea Rocco, in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Scientific Reports.
Uno degli approcci tentati per risolvere questo disallineamento tra dinamiche microscopiche (il fatto che le equazioni siano invarianti rispetto all’inversione temporale, il che suggerisce che non esiste una direzione privilegiata del tempo) e dinamiche macroscopiche (l’irreversibilità e quindi la direzione privilegiata del tempo sancite dal secondo principio della termodinamica) è quello di esaminare il comportamento di un oggetto quantistico, microscopico, posto in un cosiddetto bagno termico infinito. Per bagno termico infinito si intende un sistema così grande rispetto all’oggetto quantistico da “non sentire” gli effetti dell’oggetto quantistico stesso: possiamo pensare per esempio a un elettrone (oggetto quantistico) che si muove nell’Universo (bagno termico infinito). Le equazioni di un sistema siffatto mostrano che l’oggetto quantistico dissipa energia e informazione nell’ambiente, ma non il contrario, e dunque in questo modo si può individuare una direzionalità privilegiata per il tempo. E qui arriva il contributo di Rocco e colleghi: “Abbiamo riesaminato, più rigorosamente, le equazioni che vengono fuori da questo approccio approssimato – ci spiega lo scienziato – e abbiamo mostrato che, in realtà, queste equazioni rimangono invarianti rispetto all’inversione temporale. La simmetria, insomma, permane: si ottengono due frecce del tempo opposte, ciascuna delle quali è perfettamente compatibile con le equazioni del moto. Il sistema va verso l’equilibrio sia che si muova in avanti che si muova indietro nel tempo, dissipando energia in entrambi i casi. Questa approssimazione, quindi, non implica una violazione della simmetria di inversione temporale”. Insomma, il disallineamento rimane. “A un certo punto, è come se il sistema ‘scegliesse’ una delle due linee temporali, evolvendo coerentemente con il secondo principio della termodinamica”. Gli autori del lavoro sono convinti che quello che hanno osservato – il fatto che possano coesistere due frecce del tempo opposte, ugualmente “possibili” – sia in realtà un fenomeno generale, applicabile anche ad altri sistemi. L’ovvia domanda successiva è il perché questo accada: come mai il sistema “sceglie” proprio di andare avanti nel tempo, e non indietro? “Si potrebbero formulare parecchie ipotesi – risponde Rocco – ma la verità è che in questo momento non lo sappiamo”.
Le implicazioni di questa osservazione sono molto affascinanti. Gonzalo Ordonez, un fisico della Butler University, in Indiana, non coinvolto nello studio, ha dichiarato al New Scientist che “quello dell’invarianza temporale è uno dei problemi più grandi della fisica. Gli autori di questo lavoro suggeriscono che nelle equazioni dei processi irreversibili manchi un fattore: quando questo fattore viene incorporato nelle equazioni, il sistema non è più in grado di distinguere tra passato e futuro. La cosa potrebbe avere implicazioni a livello cosmico: per esempio, potrebbe corroborare l’idea che dopo il Big Bang si sono evoluti due Universi, l’uno nella direzione temporale opposta all’altro”. Rocco, dal canto suo, invita alla massima cautela nell’interpretazione dei risultati appena pubblicati: “Potremmo essere sulla strada di scoprire qualcosa di davvero fondamentale – ci dice – ma siamo ancora ben lontani dall’averlo compreso appieno”.
