All'interno di una camera a vuoto presso il National Institute of Standards and Technology in Colorado, un singolo ione di alluminio rimane sospeso in una trappola magnetica, tremando a temperature appena superiori di una frazione di grado allo zero assoluto. È, a tutti gli effetti, l'atomo più annoiato dell'universo. Eppure, questo minuscolo frammento congelato di materia si trova attualmente al centro di un incidente concettuale che potrebbe smantellare tutto ciò che pensiamo di sapere sul flusso costante del pomeriggio.
Per decenni ci è stato detto che il tempo è un fiume. Einstein lo ha modificato in modo celebre, suggerendo che il fiume scorra a velocità diverse a seconda della rapidità con cui si rema o di quanto si è vicini a una cascata. Ma un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Letters suggerisce che il fiume non sia solo variabile: sta avendo dei glitch. Secondo un team guidato da Igor Pikovski allo Stevens Institute of Technology, il tempo può effettivamente esistere in uno stato di sovrapposizione. Ciò significa, letteralmente, che un singolo orologio può scorrere sia più velocemente che più lentamente allo stesso tempo.
Non si tratta solo di un esercizio di ginnastica matematica. È una sfida fondamentale al modo in cui percepiamo la realtà. Se avete mai avuto la sensazione che un lunedì si trascinasse mentre un sabato svaniva in un battito di ciglia, state vivendo un trucco psicologico. Ciò di cui parlano Pikovski e i suoi colleghi è una realtà fisica in cui l'universo stesso non ha ancora deciso quanti anni avete. È il "paradosso dei gemelli" condito dalla meccanica quantistica, e la tecnologia per dimostrarlo è finalmente pronta su un banco di laboratorio.
Il fantasma del paradosso dei gemelli
Per capire perché questo stia mandando in crisi i fisici, bisogna guardare alle vecchie regole. La relatività ristretta di Einstein ci ha dato il paradosso dei gemelli: mandate un gemello su un razzo a una velocità prossima a quella della luce e, al suo ritorno, sarà più giovane del gemello rimasto a casa. Il tempo si è dilatato. Si è allungato. È un fatto comprovato, utilizzato ogni giorno per evitare che i satelliti GPS perdano la rotta di chilometri. Ma nel mondo di Einstein, il gemello ha sempre un'età precisa. Ha 25 o 30 anni. Non li ha entrambi.
La meccanica quantistica, l'adolescente ribelle della fisica, non è d'accordo. Nel mondo quantistico, le cose non amano essere una cosa sola. Le particelle possono trovarsi in due posti contemporaneamente — uno stato chiamato sovrapposizione — finché qualcuno non le osserva. Il team di Pikovski ha compreso che se un orologio è abbastanza piccolo e governato dalle regole quantistiche, l'orologio stesso entra in una sovrapposizione di movimento. E poiché il movimento determina il flusso del tempo, anche il "tempo proprio" dell'orologio entra in sovrapposizione.
È come avere un orologio che mostra contemporaneamente sia le 12:00 che le 12:05, ed entrambi sono tecnicamente corretti. Non stiamo parlando di un orologio rotto; stiamo parlando di un universo che non ha ancora preso una decisione. Per anni, questa è stata un'ipotesi teorica relegata in fondo ai quaderni. Il problema era che la differenza temporale è così piccola — misurata in attosecondi, o miliardesimi di miliardesimi di secondo — che nulla di ciò che abbiamo costruito poteva vederla. Fino ad ora.
Comprimere il vuoto per ottenere risposte
Il salto in avanti deriva da una tecnica che sembra uscita da un colpo da film di fantascienza: la compressione quantistica (quantum squeezing). In laboratorio, i ricercatori non si limitano a osservare l'atomo; manipolano il vuoto che lo circonda. "Comprimendo" l'incertezza di un sistema, possono rendere una misurazione incredibilmente precisa a costo di renderne un'altra estremamente vaga. È un compromesso dettato dal Principio di Indeterminazione di Heisenberg, ma se eseguito correttamente, è possibile amplificare i minuscoli segnali tremanti del tempo quantistico.
Gabriel Sorci, dottorando che lavora al progetto, sottolinea che questi orologi atomici sono ora così sensibili da poter rilevare gli effetti di alterazione temporale delle vibrazioni termiche a temperature che ucciderebbero un essere umano in pochi secondi. Ma anche se si elimina il calore e si raggiunge lo zero assoluto, l'orologio non batterà comunque il tempo perfettamente. Le fluttuazioni quantistiche dell'universo stesso — il "rumore" della realtà — continueranno a disturbare l'orologio. Utilizzando stati compressi, il team può collegare il movimento dell'orologio al suo modo di scandire il tempo, creando un entanglement tra tempo e materia.
Questo entanglement è la prova schiacciante. Se i ricercatori riusciranno a dimostrare che lo stato interno dell'orologio (il suo "ticchettio") è indissolubilmente legato al suo movimento quantistico (il suo "tremore"), avranno dimostrato che il tempo non è un palcoscenico sullo sfondo su cui l'universo si esibisce. Al contrario, il tempo è un attore nel gioco, soggetto alle stesse regole sfumate e incerte di elettroni e fotoni. È una consapevolezza sconvolgente che complica la nostra visione ordinata e lineare dell'esistenza.
Perché il secondo sta per essere ridefinito
Ma mentre spingiamo verso questo livello di precisione, finiamo contro un muro. Se il tempo stesso è fondamentalmente quantistico e "sfocato" a queste scale, come si definisce un secondo universale? Se un orologio può battere a due velocità contemporaneamente, quale finisce nel registro ufficiale? Questo non è solo un mal di testa per l'Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure; è un segno che i nostri strumenti classici stanno raggiungendo il loro limite. Stiamo cercando di misurare una realtà che presenta dei glitch con un righello che presuppone che tutto sia solido.
La ricerca di un orologio più preciso si sta inavvertitamente trasformando in una ricerca sulla vera natura della realtà. I fisici non stanno più solo costruendo segnatempo; stanno costruendo sonde. Questi orologi stanno diventando sensori per l'invisibile, capaci di rilevare la materia oscura o le increspature delle onde gravitazionali provenienti dal cosmo. Ma la cosa più sconvolgente che potrebbero rilevare è il fatto che il tempo non esiste nel modo in cui pensiamo che faccia.
Il tempo è solo un'illusione collettiva di massa?
Esiste un dibattito crescente, e alquanto scomodo, nella comunità fisica sul fatto che il tempo sia "emergente". L'idea è che, al livello più fondamentale, il tempo non esista affatto. È solo qualcosa che appare quando molti pezzi quantistici si intrecciano, proprio come la "temperatura" non è una proprietà di un singolo atomo, ma è una realtà molto concreta per una pentola d'acqua che bolle. Se il tempo è emergente, allora l'esperimento di sovrapposizione di Pikovski è il primo passo per sbirciare dietro le quinte.
Se scoprissimo che il tempo può trovarsi in due stati contemporaneamente, suggerirebbe che lo spaziotempo fluido e continuo di Einstein sia solo un'approssimazione conveniente. È la versione a bassa risoluzione di una realtà molto più strana e granulare. Questo è il sacro graal della fisica moderna: il ponte tra la Relatività Generale (le cose grandi) e la Meccanica Quantistica (le cose piccole). Abbiamo passato un secolo a cercare di farle sposare, e il tempo potrebbe essere l'anello che le unisce.
Einstein si chiese, in modo celebre, se la luna fosse ancora lì quando nessuno la guardava. Detestava l'idea che la realtà dipendesse da un osservatore. Ma se il tempo stesso può trovarsi in una sovrapposizione "quando nessuno guarda", allora la luna non è solo lì: esiste in una sfocatura di età diverse, in attesa che una misurazione la faccia scattare in una singola linea temporale. È un pensiero che rende il mondo rigido e scandito dagli orari d'ufficio straordinariamente fragile.
Il laboratorio è la nuova frontiera
La parte più entusiasmante non è la filosofia; è il fatto che stia accadendo davvero. Questa non è una teoria che richiede un acceleratore di particelle grande quanto il sistema solare. Richiede le trappole a ioni e i laser già presenti nei laboratori in Colorado e in Germania. Siamo arrivati al punto in cui l'hardware ha raggiunto l'immaginazione. I gruppi sperimentali della Colorado State University e del NIST stanno già tracciando il percorso per osservare questi effetti per la prima volta.
Stiamo entrando in un'era in cui la "precisione dell'orologio" non serve più a garantire che il treno arrivi in orario. Serve a sondare l'attrito tra due versioni dell'universo. Una versione è quella di Einstein, dove tutto è relativo ma certo. L'altra è quella quantistica, dove tutto è possibile ma nulla è fisso. Costringendo un singolo atomo a vivere in entrambi i mondi, stiamo finalmente chiedendo al tempo cosa sia realmente quando non viene osservato.
Quando questi esperimenti daranno i primi risultati, non saranno solo una nota a piè di pagina in una rivista di fisica. Saranno il segnale che la "freccia del tempo" è più un suggerimento che una regola. Potremmo scoprire che l'universo è molto meno stabile, e molto più interessante, di quanto il ticchettio di un orologio ci farebbe credere. Per chi scorre le notizie sul bus, la conclusione è semplice: la prossima volta che vi sembra che la giornata non finisca mai, potreste avere letteralmente ragione. State solo aspettando che l'universo decida a quale velocità vuole procedere.
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