Invertire nel tempo un quanto, equivale a viaggiare nel passato?

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Abbiamo invertito per davvero la direzione del tempo?. Quello dell’esperimento russo su un computer quantistico è, come si legge in certi titoli, un “viaggio nel passato”? È corretto parlare della possibile violazione del Secondo Principio della Termodinamica? Abbiamo chiesto a un’esperta di aiutarci a capire lo studio di Fisica di cui tutti parlano.

Ringiovanire anziché invecchiare. Riaggiustare un uovo scivolato dalle mani. Spingere indietro la lava eruttata da un vulcano. Il tornare indietro o, più in generale, i processi che permettono di tornare da un sistema caotico a uno ordinato, sono possibili solo nei film. Il secondo principio della termodinamica garantisce l’irreversibilità di alcuni fenomeni fisici: la misura del disordine (entropia) di un sistema isolato tende inevitabilmente ad aumentare, e non è dato spostarsi al contrario sulla freccia del tempo.

Per questo fa discutere una ricerca dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, pubblicata su Scientific Reports, riguardo un sistema che è stato fatto artificialmente evolvere in direzione contraria a quella “normale”: una sorta di “inversione del tempo” che ha riportato i qubit, gli elementi informativi di base di un computer quantistico, allo stato che avevano una frazione di secondo nel passato. Lo stesso gruppo di scienziati ha anche considerato la possibilità che un elettrone nello spazio interstellare compia un analogo “balzo all’indietro”, e ha calcolato la probabilità che questo avvenga.

Far risalire la sabbia di una clessidra: un'immagine concettuale del concetto di inversione del tempo.|SHUTTERSTOCK
Far risalire la sabbia di una clessidra: un’immagine concettuale del concetto di inversione del tempo.|SHUTTERSTOCK

Per la congettura teorica, il team è partito dalla considerazione che un elettrone solitario che si trovi a fluttuare nel vuoto dello spazio è, per le leggi della meccanica quantistica, impossibile da localizzare con precisione. Possiamo partire da una piccola zona di localizzazione, che tenderà velocemente ad ampliarsi aumentando l’incertezza della sua posizione.

REVERSIBILE. L’Equazione di Schrödinger che descrive l’evoluzione temporale dello stato di un sistema (l’elettrone in questo caso), non distingue tra passato e futuro. In certe, complesse condizioni matematiche, potrebbe anche descrivere, senza cambiare, l’elettrone che torna nella zona di localizzazione iniziale. In natura non osserviamo mai nulla di simile, ma in base allo studio potrebbe avvenire, se si verificasse una fluttuazione casuale della radiazione cosmica di fondo dell’Universo.

Un evento rarissimo, tanto che per osservare una soltanto di queste inversioni dovremmo mettere in conto di restare, per un periodo corrispondente all’intera vita dell’Universo – 13,7 miliardi di anni! – a osservare 10 miliardi di elettroni appena localizzati ogni secondo.

In più, quel singolo, eccezionale elettrone tornerebbe nel passato per non più di 10 miliardesimi di secondo. Insomma, parlare di viaggio nel tempo pare un po’ eccessivo…

Il fatto che questo evento sia così raro su un singolo elettrone dà ragione del perché non sia possibile osservarlo nella realtà, dove ogni oggetto è costituito da un numero esorbitante di elettroni, che dovrebbero tornare indietro in modo coordinato.

FACCIAMO CHIAREZZA. «Il tempo è una variabile che entra nelle equazioni delle fisica e che può avere segno più o segno meno; diverso è considerare la dinamica evolutiva di uno stato fisico che attiene al secondo principio della termodinamica a cui è legato il concetto della freccia del tempo», spiega a Focus.it Mariateresa Crosta, ricercatrice dell’Osservatorio astronomico Inaf di Torino, esperta di astronomia gravitazionale e navigazione spazio-temporale.

«I viaggi nel tempo sono altra cosa: sono previsti dalle leggi fisiche, ma pertinenti a una fisica diversa. Per spiegarli si ricorre alla Relatività Generale: sono influenzati dal campo gravitazionale e sono in relazione al tempo percepito tra almeno due osservatori. Non bisogna confondere il concetto di inversione di stato con quello di viaggio nel tempo. Per fare un paragone, se davvero riuscissi in un’inversione di stato, guardandomi allo specchio oggi, mi rivedrei bambina. Se invece viaggiassi nel tempo, rimarrei uguale a me stessa, ma il mio orologio segnerebbe un’ora diversa da quella di un altro osservatore, come nel film Interstellar, quando il protagonista incontra la figlia ormai anziana, ma resta uguale a se stesso.»

INVERSIONE A COMANDO. La parte pratica della ricerca ha voluto simulare lo stesso tipo di passaggio immaginato con l’elettrone con gli stati dei qubit, le unità fondamentali dell’informazione in un computer quantistico. Nel test in quattro fasi, i ricercatori sono partiti da uno stato zero (configurazione ordinata), che hanno poi degradato lanciando un programma che creasse “caos”; a questo punto, uno specifico programma ha dato l’ordine di inversione temporale, ha chiesto cioè che il computer quantistico evolvesse all’indietro. Dopodiché, un nuovo input ordinava di ripristinare l’ordine iniziale.

Nella riga finale, le quattro fasi dell'esperimento con il computer quantistico (dallo stato più stabile al caos, quindi l'evoluzione "al contrario" e il ripristino dello stato iniziale). Al centro, il minuscolo passo indietro nel tempo di un elettrone, come ipotizzato nella prima parte della ricerca. In alto, lo stesso processo spiegato con le palle da biliardo: ordine iniziale, caos, disturbo esterno che inverte il processo, di nuovo ordine. | @TSARCYANIDE/MIPT PRESS OFFICE
Nella riga finale, le quattro fasi dell’esperimento con il computer quantistico (dallo stato più stabile al caos, quindi l’evoluzione “al contrario” e il ripristino dello stato iniziale). Al centro, il minuscolo passo indietro nel tempo di un elettrone, come ipotizzato nella prima parte della ricerca. In alto, lo stesso processo spiegato con le palle da biliardo: ordine iniziale, caos, disturbo esterno che inverte il processo, di nuovo ordine. | @TSARCYANIDE/MIPT PRESS OFFICE
INTERESSE APPLICATIVO. Il computer quantistico a due qubit utilizzato dagli scienziati è riuscito nel salto all’indietro e nel ritorno allo stato iniziale nell’85% dei casi; quando i qubit coinvolti erano tre, si sono verificati più errori e ci si è riusciti nella metà dei casi. Anche in questo caso, dunque, non esattamente un viaggio nel tempo – seppure indotto – piuttosto, un sistema che potrebbe essere sfruttato per testare i programmi scritti e correggere eventuali errori nell’ottica della computazione quantistica.

UNA POSSIBILE SPIEGAZIONE. «L’impressione – chiarisce Crosta – è che in questo caso il presunto “viaggio nel tempo” giochi più che altro sul Principio di indeterminazione di Heisenberg, in base al quale, in un sistema isolato, una fluttuazione corrisponde a un’immissione di energia presa in prestito per un certo intervallo di tempo, che poi dal sistema deve essere restituita. Tanta più energia inietto, minore il tempo in cui il sistema dovrà restituirmela. Non parlerei, poi, propriamente di un esperimento: un conto è una simulazione di algoritmi quantistici, un altro è un esperimento basato su dati reali.»

«Gli studi sui viaggi nel passato – conclude la ricercatrice – si concentrano su come non violare fondamentali principi fisici e logici, come il principio di causalità e come quello di dover viaggiare a velocità superiori a quella della luce. Apparentemente la natura vieta l’insorgere di questa situazione, che non è ancora stata dimostrata.»

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