Fisici in Finlandia hanno creato un materiale quantistico che fino a oggi era solo una previsione teorica, discussa da più di dieci anni. E la cosa interessante? Questi materiali "topologici" potrebbero rivoluzionare i computer del domani, e questo sembra funzionare persino a temperatura ambiente.
Fisici dell'Università di Heidelberg hanno finalmente risolto un enigma che tormentava la fisica quantistica da decenni. La loro scoperta dimostra che due teorie che sembravano in totale contrasto tra loro sono in realtà due facce della stessa medaglia.
Al centro di tutto c'è qualcosa che suona quasi impossibile: una particella così pesante da sembrare immobile, eppure capace di generare onde nello spazio quantistico. Un fenomeno che gli scienziati cercano di capire da oltre cinquant'anni.
Da oltre quattrocento anni, i marinai assistono a qualcosa di magico in mezzo all'oceano aperto: una distesa d'acqua che brilla di una luce bianca, quasi eterea, come se qualcuno avesse acceso un lampadario cosmico sotto le onde. Nonostante secoli di avvistamenti e la tecnologia satellitare di oggi, gli scienziati ancora non riescono a spiegare del tutto cosa diavolo stia succedendo. E onestamente? È proprio questo tipo di mistero a rendere i nostri oceani così affascinanti.
Un fisico ha creato un piccolo universo in laboratorio dove il tempo non scorre grazie a un orologio esterno, ma emerge naturalmente dal sistema stesso. E l'ingrediente segreto potrebbe essere il caos, o più precisamente, l'entropia. Ti sei mai chiesto guardando le stelle: cosa è davvero il tempo? Non parlo di che giorno sia o di quanto manchi alle vacanze. Parlo della natura fondamentale del tempo. E se ti dicessi che alcune delle persone più brillanti del pianeta pensano che il tempo potrebbe non essere una caratteristica incorporata dell'universo?
È esattamente quello che un fisico dell'Università di Birmingham sta esplorando, e il suo ultimo esperimento è davvero affascinante. Ha creato un minuscolo universo sigillato nel suo laboratorio e si è posto una domanda: possiamo tracciare il tempo senza mai guardare un orologio? Spoiler: la risposta sembra essere sì, ma non per i motivi che potresti immaginare.
Il problema dell'universo senza orologio
C'è una cosa che mi fa impazzire ogni volta che ci penso: la maggior parte delle leggi fondamentali della fisica non si preoccupano della direzione del tempo. Girale in avanti, girale all'indietro—le equazioni funzionano allo stesso modo. Ma nella vita reale, noi viviamo chiaramente il tempo che scorre in una sola direzione. Invecchiamo. Le uova si rompono ma non si unrompono. Il caffè caldo si raffredda ma non si scalda mai da solo.
Questo divario tra la fisica che usiamo per descrivere la realtà e la nostra esperienza vissuta si chiama problema della "freccia del tempo", e tormenta i fisici da più di un secolo.
Ora viene il bello. Alcune delle teorie più ambiziose della fisica—inclusi i tentativi di combinare la meccanica quantistica con la relatività generale (quello che chiamiamo "gravità quantistica")—suggeriscono che l'universo stesso potrebbe non avere un orologio incorporato. La famosa equazione di Wheeler-DeWitt descrive essenzialmente l'intero cosmo come un unico stato quantistico congelato, senza alcun orologio esterno.
Quindi, se non c'è un orologio cosmico che ticchetta in sottofondo, da dove arriva il nostro familiare scorrere del tempo?
Costruire un universo in una scatola
È esattamente quello che il professor Giovanni Barontini ha deciso di indagare con un esperimento che è al tempo stesso geniale e surreale. Ha creato quello che chiama un "mini universo" usando 24.000 atomi ultrafreddi—atomi raffreddati a temperature così vicine allo zero assoluto che iniziano a comportarsi in modi che sembrano impossibili nella nostra vita quotidiana.
Questi atomi erano sigillati dentro un contenitore isolato e divisi in due regioni da una barriera creata con fasci laser. Una regione l'ha chiamata "luminosa" (dove avvengono le misurazioni), e l'altra "oscura" (che resta non osservata). L'intero setup era completamente isolato dal mondo esterno—nessun orologio esterno, nessuna interferenza, solo questa piccola sacca di stranezza quantistica che galleggiava in un laboratorio.
E poi è successa una cosa bellissima.
Osservare un mini Big Bang (e Big Crunch)
All'interno di questo mini universo, la regione luminosa ha iniziato a fare qualcosa di notevole: si espandeva e contraeva ripetutamente, come una versione minuscola e ciclica del Big Bang seguita da un ipotetico Grande Collasso—lo scenario in cui l'espansione dell'universo eventualmente si inverte e tutto collassa di nuovo.
Poiché il sistema era completamente isolato, il professor Barontini e il suo team potevano tracciare ciò che accadeva solo usando informazioni dall'interno del sistema stesso. Non potevano sbirciare alcun orologio di laboratorio esterno. Hanno dovuto ricostruire la sequenza degli eventi purely dalle vicende interne del mini universo.
Ecco la parte che toglie il fiato: ha funzionato. Potevano ordinare correttamente gli eventi nel tempo senza alcun riferimento esterno.
Il vero segreto: è tutto questione di entropia
Allora cosa teneva il tempo in questo piccolo cosmo? La risposta, secondo la ricerca, è l'entropia—essenzialmente una misura del disordine o della dispersione in un sistema. Mentre gli atomi si muovevano tra le regioni luminosa e oscura, l'entropia (il disordine, la dispersione) continuava a cambiare. Quando la distribuzione delle particelle nella regione luminosa aumentava o diminuiva, il sistema si muoveva effettivamente avanti nel tempo.
E ecco il colpo di scena: quando la distribuzione delle particelle smetteva di cambiare, il tempo stesso effettivamente si fermava. Il professor Barontini chiama questo "tempo entropico", e non è solo un'idea filosofica—l'esperimento ha dimostrato che questa forma di tempo:
- Scorre in una direzione coerente (producendo quella familiare freccia del tempo)
- Ordina correttamente gli eventi anche mentre l'universo attraversa cicli di espansione e contrazione
- Può accelerare o rallentare a seconda di come l'entropia viene ridistribuita
Pensala così: invece che il tempo sia il palcoscenico su cui accadono gli eventi, l'entropia diventa il tempo. I cambiamenti nel disordine sono il ticchettio dell'orologio.
Perché è importante (Moltissimo)
Ecco perché sono sinceramente entusiasta di questa ricerca. Sapevamo da tempo che il tempo si comporta in modo diverso nella meccanica quantistica rispetto alla nostra esperienza quotidiana, ma testare queste idee è stato quasi impossibile perché non possiamo esattamente condurre esperimenti su tutto l'universo. Questo mini universo cambia tutto.
Per la prima volta, gli scienziati hanno un setup di laboratorio controllato dove possono testare idee sulla natura del tempo che prima erano bloccate nella speculazione teorica.
Il team ha anche dimostrato che la famosa equazione di Schrödinger—l'equazione fondamentale della meccanica quantistica—può essere riformulata usando questo concetto di tempo entropico. Questo significa che gli scienziati possono ancora prevedere come evolvono i sistemi quantistici anche quando il tempo è definito purely da cambiamenti interni piuttosto che da un orologio esterno.
Il quadro più ampio
Sii onesto con te stesso: una parte di me trova questo intero concetto insieme esaltante e leggermente terrificante. Se il tempo emerge da qualcosa di apparentemente ordinario come la dispersione delle particelle in un sistema, cosa significa questo per la nostra comprensione della realtà? I momenti nel tempo sono reali, o sono solo illusioni utili create dall'entropia che cambia?
Lo stesso professor Barontini l'ha detto in modo magnifico: "Nella vita di tutti i giorni, il tempo scorre dal passato al futuro—perché è così, quando le leggi base della fisica funzionano allo stesso modo avanti e indietro?"
Non abbiamo ancora una risposta completa a quella domanda. Ma esperimenti come questo stanno illuminando, lentamente e con cura, i bordi della nostra ignoranza.
Cosa succede dopo?
Il team sta ora cercando di espandere questo approccio a sistemi quantistici più complessi. Alla fine, questo potrebbe aprire la porta a esperimenti di laboratorio che esplorano la fisica del Big Bang attuale, buchi neri simulati e teorie concorrenti su come funziona il tempo in tutto il cosmo.
È roba incredibilmente ambiziosa. Ma è questo che rende la fisica così meravigliosa—la volontà di fare domande che sembrano quasi troppo fondamentali per essere poste, e poi effettivamente progettare esperimenti per indagarle.
Per ora, resto qui a pensare al fatto che in una piccola scatola a Birmingham, in Inghilterra, 24.000 atomi sono impegnati a creare il proprio senso del tempo, un cambiamento di entropia alla volta. E in qualche modo, questo mi fa sentire un po' più connesso al mistero di tutto quanto.
Tu cosa ne pensi? Il tempo ti sembra più reale sapendo che potrebbe emergere dal caos, o lo fa sembrare ancora più illusorio? Mi piacerebbe sapere le tue opinioni.
Fonte: ScienceDaily — Physicists created a tiny universe where time emerged without a clock
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