Le direzioni temporali miste del fotone potrebbero aiutare i fisici a sondare all’interno dei buchi neri. Per la prima volta, i fisici hanno fatto sembrare che la luce si muovesse simultaneamente avanti e indietro nel tempo. La nuova tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a migliorare il calcolo quantistico e a comprendere la gravità quantistica.
Il ribaltamento temporale quantico
Dividendo un fotone, o pacchetto di luce, utilizzando uno speciale cristallo ottico, due team indipendenti di fisici hanno ottenuto quello che descrivono come un “ribaltamento temporale quantico”, in cui un fotone esiste sia in avanti che indietro.
L’effetto risulta dalla convergenza di due strani principi della meccanica quantistica, le regole controintuitive che governano il comportamento del piccolissimo. Il primo principio, la sovrapposizione quantistica, consente a particelle minuscole di esistere in molti stati diversi, o versioni diverse di se stesse, contemporaneamente, fino a quando non vengono osservate. La seconda – simmetria di carica, parità e inversione temporale (CPT) – afferma che qualsiasi sistema contenente particelle obbedirà alle stesse leggi fisiche anche se le cariche delle particelle, le coordinate spaziali e i movimenti nel tempo vengono capovolti come attraverso uno specchio.
Combinando questi due principi, i fisici hanno prodotto un fotone che sembrava viaggiare simultaneamente lungo e contro la freccia del tempo. Hanno pubblicato i risultati dei loro esperimenti gemelli il 31 ottobre e il 2 novembre sul server di prestampa arXiv, il che significa che i risultati devono ancora essere sottoposti a revisione paritaria.
“Il concetto della freccia del tempo sta dando una parola all’apparente unidirezionalità del tempo che osserviamo nel mondo macroscopico in cui abitiamo”, ha detto Teodor Strömberg, un fisico dell’Università di Vienna che è stato il primo autore di uno degli articoli. Scienza dal vivo. “Questo è in realtà in tensione con molte delle leggi fondamentali della fisica, che in generale sono simmetriche nel tempo e che quindi non hanno una direzione temporale preferita”.
La seconda legge della termodinamica afferma che l’entropia di un sistema, un analogo grossolano del suo disordine, deve aumentare. Conosciuta come la “freccia del tempo”, l’entropia è una delle poche quantità in fisica che imposta il tempo in modo che vada in una particolare direzione.
Questa tendenza al disordine a crescere nell’universo spiega perché è più facile mescolare gli ingredienti che separarli. È anche attraverso questo crescente disordine che l’entropia si sposa così intimamente con il nostro senso del tempo. Una scena famosa nel romanzo di Kurt Vonnegut “Slaughterhouse-Five” dimostra in che modo l’entropia fa sembrare una direzione del tempo diversa dall’altra riproducendo la seconda guerra mondiale al contrario: i proiettili vengono risucchiati dai feriti; i fuochi vengono rimpiccioliti, raccolti in bombe, accatastati in file ordinate e separati in minerali compositi; e la freccia rovesciata del tempo disfa il disordine e la devastazione della guerra.
Tuttavia, poiché l’entropia è principalmente un concetto statistico, non si applica alle singole particelle subatomiche. In effetti, in ogni interazione di particelle che gli scienziati hanno osservato finora, comprese le interazioni fino a 1 miliardo al secondo che avvengono all’interno del più grande distruttore di atomi del mondo, il Large Hadron Collider, la simmetria CPT è confermata. Quindi le particelle che sembrano muoversi in avanti nel tempo sono indistinguibili da quelle in un sistema speculare di antiparticelle che si muovono indietro nel tempo.
L’antimateria è stata creata con la materia durante il Big Bang e in realtà non si sposta indietro nel tempo; si comporta semplicemente come se stesse seguendo una freccia del tempo opposta alla materia normale.
L’altro fattore in gioco nei nuovi esperimenti è la sovrapposizione. La dimostrazione più famosa della sovrapposizione quantistica è il gatto di Schrödinger, un esperimento mentale in cui un gatto viene posto all’interno di una scatola sigillata con una fiala di veleno il cui rilascio è innescato dal decadimento radioattivo di una particella alfa. Il decadimento radioattivo è un processo quantomeccanico che avviene in modo casuale, quindi inizialmente è impossibile sapere cosa sia successo al gatto, che si trova in una sovrapposizione di stati, contemporaneamente morto e vivo, fino a quando la scatola non viene aperta e l’esito osservato.
Questa sovrapposizione di stati consente a una particella di esistere contemporaneamente sia in avanti che indietro, ma assistere sperimentalmente a questa impresa è complicato. Per riuscirci, entrambi i team hanno ideato esperimenti simili per dividere un fotone lungo una sovrapposizione di due percorsi separati attraverso un cristallo. Il fotone sovrapposto si è mosso su un percorso attraverso il cristallo normalmente, ma un altro percorso è stato configurato per cambiare la polarizzazione del fotone, o dove punta nello spazio, per muoversi come se stesse viaggiando indietro nel tempo.
Dopo aver ricombinato i fotoni sovrapposti inviandoli attraverso un altro cristallo, il team ha misurato la polarizzazione dei fotoni attraverso una serie di esperimenti ripetuti. Hanno trovato uno schema di interferenza quantistica, uno schema di strisce chiare e scure che potrebbe esistere solo se il fotone fosse stato diviso e si stesse muovendo in entrambe le direzioni temporali.
“La sovrapposizione dei processi che abbiamo realizzato è più simile a un oggetto che ruota in senso orario e antiorario allo stesso tempo”, ha detto Strömberg. può essere abbinato a porte logiche reversibili per consentire il calcolo simultaneo in entrambe le direzioni, aprendo così la strada a processori quantistici con una potenza di elaborazione notevolmente migliorata.
Dall’opera spuntano anche possibilità teoriche. Una futura teoria della gravità quantistica, che unirebbe la relatività generale e la meccanica quantistica, dovrebbe includere particelle con orientamenti temporali misti come quella di questo esperimento e potrebbe consentire ai ricercatori di scrutare alcuni dei fenomeni più misteriosi dell’universo.
“Un modo carino per dirlo è dire che il nostro esperimento è una simulazione di scenari esotici in cui un fotone potrebbe evolversi avanti e indietro nel tempo“, Giulio Chiribella , un fisico dell’Università di Oxford che è stato l’autore principale dell’altro articol. “Quello che facciamo è un analogo di alcuni esperimenti che simulano la fisica esotica, come la fisica dei buchi neri o il viaggio nel tempo“.