Esperimento quantistico mostra come il tempo emerge dall'entanglement

Quando le idee della fisica quantistica hanno iniziato a diffondersi all'inizio del XX°secolo nella comunità scientifica, l'impatto è stato enorme! Entusiasti dai risultati fantastici che stavano ottenendo, ovviamente i fisici hanno cercato di unire queste leggi anche all'altra grande scoperta teorica: la teoria della relatività e le implicazioni circa la gravità. Il risultato non è stato dei migliori, e tutt'oggi si lavora per cercare una soluzione. Diventò immediatamente lampante che questi due pilastri della fisica moderna non andavano proprio d'amore e d'accordo. Quando i fisici hanno tentato di fonderle, le equazioni risultate erano piene di valori "infinito", rendendo impossibile capire qualcosa dei risultati.

Poi, negli anni '60, c'è stato un passo avanti in questo senso: Due fisici, John Wheeler e Bryce DeWitt, hanno combinato con successo le idee precedentemente incompatibili ottenendo quella che oggi viene chiamata "Equazione di Wheeler-DeWitt". L'entusiasmo iniziale era grande nell'aver trovato un modo di evitare tutti quei valori infiniti, ma non ci volle molto prima di realizzare che se da una parte l'equazione risolveva un problema, ne introduceva un'altro. Il nuovo problema era che il tempo non giocava alcun ruolo nell'equazione. In effetti, secondo quest'equazione, non succedeva mai nulla nell'universo, e questo ovviamente era contrario alle prove sperimentali.
Questo dilemma, rimasto nella storia come "il problema del tempo", è sempre stato molto difficile da affrontare e nonostante i tanti tentativi fatti, non sembrava trovare soluzione.
Poi arriva un nuovo capitolo della storia: Siamo negli anni '80 (1983 per la precisione), e due fisici teorici, Don Page e William Wooters, trovano una nuova soluzione basata su un fenomeno quantistico chiamato "entanglement", o "correlazione quantistica". Questa proprietà esotica, estremamente difficile da descrivere in maniera semplificata ma fedele, prevede (con i dovuti limiti dell'espressione), due particelle quantistiche che condividono la loro esistenza, anche se sono fisicamente separati. I loro spin sono correlati e si modificano in risposta a prescindere dalla distanza che li separa.
Il contributo dei due fisici è stato mostrare come l'entanglement può essere usato per misurare il tempo. La loro idea, è che il modo in cui una coppia di particelle correlate si evolvono è un orologio che può essere usato per misurare il cambiamento.
Ma i risultati dipendono da come vengono fatte le osservazioni. Un modo per farle è comparare il cambiamento nelle particelle correlate per entanglement con un orologio esterno che è interamente indipendente dell'universo. Questo è l'equivalente dell'essere un osservatore esterno all'universo, che osserva l'universo interno con un orologio.

Esempio di una mappa della densità della materia presente oltre il limite della luce e quindi dell'universo osservabile, ottenuta nella simulazione HR3. L'epoca iniziale della simulazione corrisponde ad un redshift z=27. Credit: J. Kim et al.

In questo caso, Page e Wooters hanno mostrato che le particelle risulterebbero interamente prive di cambiamento, che il tempo non esisterebbe in questo scenario.
C'è un'altro modo per farlo che però porta ad un risultato differente. Questo serve ad un osservatore interno all'universo per comparare l'evoluzione delle particelle con il resto dell'universo. In questo secondo caso, l'osservatore interno vedrebbe un cambiamento, e questa differenza nell'evoluzione delle particelle correlate per entanglement, paragonata a tutto il resto, è una misurazione estremamente importante del tempo.
Questa è un'idea molto potente ed elegante e suggerisce, in altre parole, che il tempo è un fenomeno emergente che nasce dalla natura stessa dell'entanglement. E non solo, ma esiste soltanto per gli osservatori presenti all'interno dell'universo. Qualsiasi osservatore esterno, vedrebbe un universo statico ed eternamente fermo, proprio come prevedevano le equazioni di Wheeler e DeWitt.
E fin qui.. tutto molto affascinante, ma come facciamo a provarlo? Le idee di Page e Wooter sono sempre state solo poco più che curiosità filosofiche e dato che non è possibile andare fuori dall'universo per guardare, sembrava non esserci modo di verificare se avevano o meno ragione. Fino ad oggi.
Ekaterina Moreva, dell'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM), con sede a Torino, ha eseguito insieme ad alcuni colleghi il primo test sperimentale delle idee di Page e Wooters. Non solo, ma hanno confermato che il tempo è un fenomeno emergente per gli osservatori interni ma è assente per quelli esterni.
Ma com'è stato possibile? hanno un tunnel fino a fuori dall'universo? Non proprio.. l'esperimento comporta la creazione di un "universo giocattolo", che consiste in una coppia di fotoni correlati in entanglement, ed un osservatore che può misurare il loro stato in uno di due modi. Nel primo, l'osservatore misura l'evoluzione del sistema diventando correlato ad esso. Nel secondo, un osservatore completamente esterno misura l'evoluzione usando un orologio esterno che è interamente indipendente dall'universo giocattolo.
I fotoni correlati hanno ognuno una polarizzazione che può essere cambiata passandoli attraverso dei piatti bi-refrigerati. Nel primo set-up, l'osservatore misura la polarizzazione di un fotone, diventando quindi correlato ad esso. L'osservatore compara poi questo con la polarizzazione del secondo fotone. La differenza ottenuta è una misura del tempo.
Nel secondo set-up, i fotoni passano nuovamente attraverso i piatti bi-refrigeranti che cambiano le loro polarizzazioni. Tuttavia, in questo caso, l'osservatore misura soltanto le proprietà globali di entrambi i fotoni, comparandoli con un orologio indipendente.

Diagramma dell'esperimento nelle sue varie componenti. Credit: http://arxiv.org/pdf/1310.4691v1.pdf

In questo caso,l'osservatore non può rilevare una differenza tra i fotoni senza diventare correlato ad uno di essi. E se non c'è una differenza, il sistema appare statico. In altre parole, il tempo non emerge.
"Anche se estremamente semplice, il nostro modello cattura le due proprietà del meccanismo Page-Wooters" ha spiegato Moreva.
Un esperimento davvero notevole! E l'emergenza è un'idea molto popolare nelle scienze. In particolare, i fisici hanno recentemente parlato molto dell'idea che la gravità possa anch'essa essere un fenomeno emergente. Quindi si tratta di un passo che potrebbe essere più corto del previsto per pensare che anche il tempo possa emergere allo stesso modo.
Quello che ovviamente mancava all'emergenza della gravità, era la dimostrazione sperimentale. E per questo che Moreva e co. ritengono che questo loro esperimento sia così significativo. Riesce a radicare un'idea astratta ed esotica in profonde radici sperimentali.
Forse l'aspetto più significativo di tutti è lo spiraglio che si apre nel poter mettere d'accordo fisica quantistica e relatività generale. Se tutto questo reggerà la prova dei futuri esperimenti e valutazioni da parte di altri scienziati, l'idea è che il famoso "problema del tempo" svanirebbe semplicemente attraverso la lente dell'entanglement quantistico.
Il prossimo passo, dopo una revisione all'interno della comunità scientifica, sarà cercare di portare l'idea ancor più avanti, e in particolare cercare un ponte con il mondo macroscopico. Un conto è mostrare che il tempo emerge per quanto riguarda i fotoni, un'altro è far vedere che emerge per quanto riguarda gli umani e gli orari dei treni.
All'esperimento hanno collaborato: Ekaterina Moreva, Giorgio Brida, Marco Gramegna, Vittorio Giovannetti, Lorenzo Maccon e Marco Genovese
http://arxiv.org/abs/1310.4691
http://arxiv.org/pdf/1310.4691v1.pdf

 http://www.link2universe.net/2013-10-23/esperimento-quantistico-mostra-come-il-tempo-emerge-dallentanglement/