Simulazione di entropia dell’entanglement in elio supefluido

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Elio superfluido e buchi neri. L‘elio superfluido segue una regola bizzarra della fisica. Le informazioni in un sistema – entropia – aumentano con la superficie del sistema e non con il volume, come i buchi neri.

Elio superfluido segue una regola bizzarra della fisica. Le informazioni in un sistema – entropia – aumentano con la superficie del sistema e non con il volume. In simulazioni di elio superfluido, l’entropia di atomi (blu) in entanglement tra loro (verde) aumenta con la superficie della sfera di particelle (grigio). [Herdman et all. 2017]

Buchi neri ed elio superfluido sono strani compagni: uno è famoso per essere così denso che la gravità che accompagna la sua massa impedisce perfino alla luce di sfuggire, e l’altro è un liquido strano che scorre senza attrito. Ma le nuove simulazioni al computer confermano che l’elio superfluido segue una regola inusuale nota anche per i buchi neri – una con un significato misterioso per la fisica.

Gli scienziati hanno dimostrato che l’entropia, una misura delle informazioni contenute in un sistema, si comporta in modo controintuitivo nell’elio superfluido. L’entropia cresce allo stesso tasso della superficie dell’elio superfluido, invece che del suo volume – imitando l’entropia di un buco nero che cresce fagocitando materia espandendosi. E’ la prima volta che il fenomeno è stato dimostrato in simulazioni di uno stato naturale della materia. Il risultato di questo studio è stato presentato nella riunione del 2017 della American Physical Society e pubblicato su Nature Physics.

“Se si raddoppia la dimensione di una scatola, ci si aspetta di essere in grado di raddoppiare la quantità di informazioni in quella scatola“, spiega il fisico Christopher Herdman della University of Waterloo in Canada. Questo perché la scatola è più grande, e può essere riempita da molti documenti e altre informazioni. Il progresso verso una teoria che unifichi meccanica quantistica e relatività generale, un problema ancora spinoso, ha convinto molti fisici che i buchi neri seguano questa “area law”.

L’entropia Bekenstein-Hawking o termodinamica dei buchi neri è la quantità di entropia che deve essere assegnata a un buco nero in modo che esso rispetti le leggi della termodinamica come vengono interpretatie da osservatori esterni a quel buco nero . Entropia di buco nero è un concetto con radice geometrica, ma con molte conseguenze fisiche. Si legano insieme le nozioni di gravitazione, termodinamica e teoria quantistica, ed è pertanto considerata come una finestra sul mondo ancora in gran parte nascosto con un profondo impatto sulla comprensione della gravità quantistica, portando alla formulazione del principio olografico. Come nella termodinamica classica, esistono quattro leggi della termodinamica dei buchi neri.

Per dimostrare questa legge in un superfluido, Herdman e colleghi hanno creato una simulazione di elio superfluido al computer. L’isotopo che hanno studiato, l’elio-4, è lo stesso gas usato per riempire i palloncini di compleanno, e si trasforma in un superfluido a temperature inferiori a circa 2 K (-271 ° C).

Nella simulazione, i ricercatori hanno tenuto traccia di atomi di elio in entanglement – legami quantistici che intrecciano le particelle.

All’interno del superfluido, gli scienziati hanno selezionato una sfera immaginaria del materiale, e hanno studiato l’intreccio tra gli atomi all’interno della sfera e quelli al di fuori di essa. Tale entanglement dà luogo ad un tipo di entropia nel superfluido. Appena i ricercatori hanno aumentato le dimensioni di quella sfera, è aumentata anche l’entropia di entanglement. Il tasso di incremento corrispondeva a quella dell’aumento di superficie della sfera, che cresce più lentamente rispetto al suo volume.

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La sfera immaginaria di elio superfluido è analoga all’orizzonte degli eventi di un buco nero, la regione di non ritorno che circonda il buco nero, oltre il quale neanche la luce può fuggire. Nei buchi neri, le particelle su un lato dell’orizzonte degli eventi possono essere intrecciate con quelle sull’altro lato, creando un’entropia di entanglement in modo simile.

“Penso che sia un risultato affascinante“, dice il fisico Joe Serene della Georgetown University di Washington, DC “ma avanzare da simulazioni a una misura reale di entropia entanglement nell’elio sarebbe probabilmente difficile.”

Questa legge di zona è di grande importanza nel campo della fisica. La realizzazione che l’entropia di un buco nero è proporzionale alla sua area superficiale ha portato al principio olografico, e cioè all’idea che le informazioni all’interno di una regione di spazio potrebbero essere completamente riprodotte sulla sua superficie. Gli scienziati sperano che questo concetto possa portare ad una teoria completa della gravità quantistica, e poter unire la fisica del molto piccolo con la gravità su larga scala.

Alcuni scienziati ritengono che la struttura stessa dello spazio-tempo possa essere il risultato di entanglement quantistico, Un’idea che è cresciuta anche fuori della questione “area law”.

“L’entropia di entanglement è un concetto riuscito in molti settori diversi della fisica”, ha commentato il fisico Markus Greiner dell’Università di Harvard. “Il grosso problema è che nessuno sa come misurarla … in sistemi del mondo reale.”

Fonti:

arXiv: https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4075.html
approfondimenti: httpss://www.sciencenews.org/article/entanglement-gravitys-long-distance-connection
httpss://www.sciencenews.org/blog/context/holography-entangles-quantum-physics-gravity

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