Un mini universo da 24.000 atomi rivela che il tempo non ha bisogno di un orologio: ecco come

L'esperimento, pubblicato questa settimana su Physical Review Research, affronta un enigma che tormenta le fondamenta della fisica da decenni. Nelle teorie della gravità quantistica, il tempo non appare come una caratteristica intrinseca della realtà. Eppure, sperimentiamo una chiara freccia dal passato al futuro. Il team di Birmingham, guidato dal professor Giovanni Barontini, si è posto l'obiettivo di verificare se il tempo possa scaturire puramente dal cambiamento — specificamente, dal modo in cui le particelle si diffondono attraverso un sistema, un concetto noto come tempo entropico. La loro risposta, scolpita in una danza di mille cicli di atomi ultrafreddi, è un cauto sì.

Forgiare un mini universo di 24.000 atomi in un laboratorio di Birmingham

Il gruppo di Barontini ha confinato gli atomi di rubidio in una trappola ottica, raffreddandoli finché il comportamento quantistico non è diventato dominante. Due fasci laser hanno inciso una parete sottile attraverso la nube, creando una regione “luminosa” che i ricercatori potevano osservare direttamente e un settore “oscuro” nascosto alla vista. Il lato luminoso si espandeva e contraeva periodicamente, imitando la cosmologia ciclica di un universo che inverte la propria espansione. Poiché l'intero sistema era isolato dall'ambiente esterno, l'unico modo per ricostruire una linea temporale degli eventi era dedurla dalle distribuzioni degli atomi all'interno.

I ricercatori hanno scelto deliberatamente 24.000 atomi. Un numero inferiore renderebbe troppo rumoroso il segnale statistico dei cambiamenti di entropia. Un numero superiore renderebbe il carico computazionale ingestibile. A questa scala, la nube si è comportata come un universo semplificato, abbastanza grande da mostrare un'irreversibilità termodinamica ma abbastanza piccolo da essere simulato su un computer classico. Ogni ciclo è durato circa un decimo di secondo e il team ha tracciato centinaia di cicli per stabilire che il tempo entropico definito non andasse semplicemente alla deriva, ma progredisse in modo affidabile e in una sola direzione, anche mentre la regione luminosa si contraeva.

Tempo entropico: come il mini universo da 24.000 atomi genera il proprio orologio

L'idea alla base del tempo entropico è disarmantemente semplice: se nulla cambia, il tempo non passa. I ricercatori hanno collegato il trascorrere del tempo ai cambiamenti nell'entropia di Shannon del sistema, una misura di quanto gli atomi fossero dispersi. Quando le regioni luminose e oscure scambiavano particelle, l'entropia cambiava e, secondo la loro formulazione, il tempo avanzava. Quando la distribuzione degli atomi raggiungeva uno stato stazionario, il tempo si fermava, anche se la funzione d'onda quantistica sottostante continuava a evolversi in un modo che, secondo il tempo convenzionale, sembrerebbe dinamico.

Il team di Barontini ha osservato che questo tempo entropico puntava sempre in avanti, anche durante la fase di contrazione che, in un vero cosmo, rappresenterebbe un Big Crunch. Non si è mai invertito, nonostante la fisica sottostante fosse simmetrica rispetto al tempo. “In alcune teorie dell'universo, specialmente la gravità quantistica, il tempo non appare come una caratteristica intrinseca”, ha detto Barontini. “Eppure, nella vita di tutti i giorni, il tempo scorre dal passato al futuro. Perché è così, quando la maggior parte delle leggi fondamentali della fisica funzionano allo stesso modo in avanti e all'indietro?” L'esperimento suggerisce una risposta: la freccia emerge solo dalla crescita dell'entropia, non da un orologio fondamentale.

Il ritmo del tempo entropico, inoltre, può accelerare o rallentare a seconda della velocità con cui cambia l'entropia. Durante la rapida espansione, quando gli atomi fluivano dalla regione luminosa in quella oscura, il tempo entropico scorreva più velocemente. Durante le contrazioni lente, rallentava. Non si tratta solo di un gioco di prestigio filosofico. Il team ha riscritto l'equazione di Schrödinger — l'equazione centrale della meccanica quantistica — utilizzando il tempo entropico come parametro di evoluzione. Hanno scoperto che l'evoluzione della distribuzione di probabilità della nube atomica rimaneva coerente con le previsioni quantistiche standard, solo con un parametro temporale definito dal disordine anziché da un cronometro di laboratorio.

Cosa significa un mini universo da 24.000 atomi per la gravità quantistica

Il lavoro apre una rara finestra sperimentale su idee che sono rimaste in gran parte confinate ai calcoli su lavagna. Le teorie della gravità quantistica spesso si scontrano con il tempo perché la relatività generale lo tratta come dinamico, mentre la meccanica quantistica richiede un orologio di fondo fisso. Se il tempo può emergere dall'entropia in un ambiente di laboratorio controllato, ciò dà credito ai modelli in cui la freccia del tempo dell'universo primordiale non è nata da un orologio primordiale, ma dal rapido aumento dell'entropia dopo il Big Bang.

Il setup di Barontini non è il primo a esplorare il tempo entropico, ma è tra i primi a dimostrarlo in un sistema quantistico a molti corpi che può essere monitorato ciclo dopo ciclo. Le proposte precedenti si basavano su esperimenti mentali astratti o osservazioni cosmologiche non replicabili. Qui, il team ha potuto resettare il sistema e osservare la freccia riemergere, puntando sempre in avanti. “Offre una nuova prospettiva sulla natura del tempo nella gravità quantistica”, ha affermato Barontini. “Potrebbe essere usato per descrivere la dinamica con la stessa efficacia del tempo convenzionale”.

La piattaforma funge anche da ponte tra due comunità che interagiscono raramente: gli sperimentatori di atomi freddi e i teorici della gravità quantistica. La stessa tecnologia di trappola ottica che alimenta i migliori orologi atomici potrebbe ora essere riutilizzata per sondare la natura stessa del tempo. Non si tratta di costruire un orologio migliore; si tratta di chiedersi se gli orologi siano necessari.

Dalle lavagne ai banchi di laboratorio: testare l'intestabile

Per decenni, le domande sull'emergenza del tempo sono rimaste pienamente nel regno della fisica teorica. L'esperimento di Birmingham mostra che almeno una versione di queste domande è ora affrontabile sperimentalmente. Modificando la barriera laser o il numero di atomi, i ricercatori potrebbero simulare diversi scenari cosmologici, dalle espansioni accelerate agli stati finali simili alla morte termica. Barontini ha suggerito che la piattaforma potrebbe eventualmente essere utilizzata per indagare analoghi dei buchi neri o per simulare le condizioni dell'universo primordiale, dove gli effetti quantistici e gravitazionali coesistono.

Naturalmente, un gas di 24.000 atomi è ben lontano da un universo reale. Il sistema non è relativistico e la gravità non gioca alcun ruolo. Il tempo entropico qui definito è un parametro efficace, non un campo fondamentale. I critici potrebbero obiettare che l'esperimento sostituisce semplicemente una definizione operativa di tempo con un'altra, senza provare che il tempo sia veramente emergente. Ma il team di Birmingham non ha mai preteso di aver risolto il dibattito; hanno dimostrato che, se si accetta l'entropia come orologio, la meccanica quantistica rimane coerente e la freccia del tempo persiste. Questa è una condizione necessaria — non sufficiente — affinché il tempo entropico sia fisicamente significativo.

Un universo di laboratorio senza un orologio maestro

L'implicazione più ampia è che il tempo potrebbe non essere così fondamentale come supponiamo. Nella vita quotidiana, facciamo affidamento sugli orologi — fontane di cesio, oscillatori al quarzo, la rotazione della Terra — per sincronizzare gli eventi. Ma al livello più profondo, l'universo potrebbe non essere dotato di un metronomo integrato. L'esperienza di un presente che scorre potrebbe essere un'illusione macroscopica derivante dall'implacabile aumento del disordine. Mentre gli atomi si spostavano tra le regioni luminose e oscure nella camera di Barontini, non stavano misurando il tempo; lo stavano generando.

L'esperimento arriva in un momento curioso per la fisica fondamentale in Europa. Il Future Circular Collider del CERN compete per miliardi di fondi, mentre i laboratori nazionali lottano per mantenere operative le piattaforme di atomi ultrafreddi. Il lavoro di Barontini, finanziato tramite sovvenzioni di ricerca standard del Regno Unito, è costato una frazione di un grande esperimento di collisione, ma tocca domande altrettanto profonde. È un promemoria del fatto che gli enigmi più profondi a volte stanno su un tavolo ottico.

Il team prevede di sondare sistemi più complessi, compresi quelli con entanglement, per vedere se il tempo entropico regge sotto la piena stranezza della meccanica quantistica. Se così fosse, la nozione di un orologio universale potrebbe lentamente ritirarsi dalle leggi della fisica, sostituita, forse, da nient'altro che la diffusione irreversibile degli atomi.

Per ora, i 24.000 atomi in quella trappola di Birmingham hanno fatto qualcosa di silenziosamente notevole: hanno dimostrato che un universo può funzionare solo grazie al cambiamento. Nessun orologio richiesto. Ma se questo tempo entropico possa alla fine scalzare il tempo convenzionale utilizzato in ogni libro di testo di fisica è ancora una domanda aperta. Gli atomi hanno esposto la loro tesi. Il resto spetta ai teorici e, come sempre, al prossimo ciclo di finanziamenti.

Fonti

• Physical Review Research (articolo di ricerca sul tempo entropico in un sistema quantistico di 24.000 atomi)
• Materiali stampa dell'Università di Birmingham
• EurekAlert multimedia (immagini della trappola di rubidio ultrafreddo)