Un esperimento realizzato all’University of Birmingham dimostra che il tempo potrebbe emergere direttamente dai cambiamenti interni di un sistema quantistico senza bisogno di un orologio esterno. Lo studio, pubblicato su Physical Review Research da Giovanni Barontini, descrive la creazione di un “mini universo” composto da 24 mila atomi ultra freddi in cui il flusso del tempo viene ricostruito attraverso l’evoluzione interna del sistema stesso.
L’esperimento affronta una delle questioni piu’ profonde della fisica contemporanea: capire che cosa sia realmente il tempo. Alcune teorie della gravità quantistica, come l’equazione di Wheeler-DeWitt, suggeriscono infatti che l’universo, al livello piu’ fondamentale, non possieda un tempo incorporato ma esista come un unico stato quantistico immutabile. In questo scenario, la percezione del tempo emergerebbe soltanto dalle relazioni interne tra le diverse parti del sistema. Per verificare sperimentalmente questa ipotesi, Barontini ha utilizzato una nube di atomi di rubidio raffreddati a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto e confinati in un sistema quantistico isolato. Gli atomi sono stati separati tramite una sottile barriera creata da due laser in due regioni denominate “bright” e “dark”, una osservabile e una non osservabile. Nel settore “bright” il sistema attraversava cicli di espansione e collasso simili a un Big Bang e a un Big Crunch, l’ipotetico scenario cosmologico in cui l’espansione dell’universo si arresta e si inverte.
Secondo i ricercatori, l’esperimento permette di ricostruire la sequenza degli eventi direttamente dall’interno del mini universo senza alcun riferimento a un orologio del laboratorio. I risultati mostrano che il tempo puo’ emergere dalle variazioni di entropia, cioe’ dal modo in cui le particelle si distribuiscono e si disperdono nel sistema. Gli atomi potevano spostarsi tra le regioni “bright” e “dark”, mentre il sistema rimaneva isolato dall’ambiente esterno. Quando la distribuzione degli atomi nella regione osservabile cambiava, aumentando o diminuendo la dispersione delle particelle, il sistema avanzava nel tempo. Quando invece questa distribuzione restava invariata, il tempo si “fermava” di fatto.
Barontini definisce questo meccanismo “tempo entropico”. Secondo il fisico italiano, il tempo entropico possiede caratteristiche fondamentali analoghe a quelle del tempo convenzionale: scorre in una direzione definita, ordina correttamente gli eventi anche in un sistema che si espande e collassa e puo’ accelerare o rallentare in funzione dei cambiamenti entropici. “In alcune teorie dell’universo, soprattutto nella gravita’ quantistica, il tempo non compare come una caratteristica fondamentale – ha spiegato Giovanni Barontini – eppure nella vita quotidiana il tempo scorre dal passato verso il futuro. Questo studio fornisce la prima evidenza sperimentale controllata del fatto che il tempo possa essere definito dai cambiamenti all’interno di un sistema invece che da un orologio esterno”. Lo studio mostra inoltre che anche utilizzando il tempo entropico e’ possibile formulare una versione dell’equazione di Schrodinger, la principale equazione della meccanica quantistica, permettendo di prevedere come evolva nel tempo la “nube di probabilita’” di un sistema quantistico. Per i ricercatori, il mini universo rappresenta un nuovo banco di prova sperimentale per idee legate alla cosmologia quantistica e alla gravita’, consentendo di studiare in laboratorio fenomeni normalmente associati all’universo primordiale. In prospettiva, l’approccio potrebbe essere esteso a sistemi piu’ complessi per simulare buchi neri o testare teorie concorrenti sull’origine del tempo cosmologico.
