Nel mondo della meccanica quantistica vigono regole bizzarre, inusuali, controintuitive. Una di queste è la cosiddetta “sovrapposizione degli stati”, che postula che una particella quantistica si trovi in più stati diversi nello stesso momento, e solo quando si compie una misura “collassi” su uno stato ben preciso. Per essere più chiari, pensiamo alla posizione di un elettrone nello spazio: finché lo sperimentatore non lo osserva direttamente, l’elettrone si trova in più posizioni nello stesso momento, ciascuna descritta da una certa probabilità, ma al momento dell’osservazione, l’elettrone si localizza in una posizione ben precisa. A molti sembrerà magia, ma si tratta di una teoria solida e ben verificata sperimentalmente, che oggi si arricchisce di nuovi dettagli: un team di ricercatori del Darmouth College, del Saint Anselm College e della Santa Clara University ha infatti scoperto che la sovrapposizione degli stati ha effetto anche sul tempo, provocando un fenomeno chiamato “dilatazione quantistica del tempo” in virtù del quale sarebbe necessario applicare una piccola correzione agli orologi atomici. La scoperta, pubblicata sulle pagine della rivista Nature Communications, ha implicazioni anche per la teoria della relatività ristretta di Albert Einstein, che tra le altre cose predice un analogo fenomeno di dilatazione del tempo nel mondo macroscopico.
Dilatazione quantistica del tempo
“La dilatazione quantistica del tempo – spiega Alexander Smith, uno degli autori del lavoro – è conseguenza sia della relatività di Einstein sia della meccanica quantistica, e ci offre quindi un’opportunità unica per studiare cosa accade all’‘intersezione’ di queste due teorie”.
Relatività e meccanica quantistica, l’incontro proibito che cambia l’ordine del tempo
Cominciamo dalle scale spaziali più grandi: la teoria della relatività postula che viviamo in uno spazio a tre dimensioni spaziali e una temporale (lo spazio-tempo) e che la dimensione temporale sia relativa proprio come quelle spaziali. “Relativa” vuol dire che lo scorrere del tempo non è assoluto, ma dipende dallo stato dell’osservatore: in particolare, Einstein ha mostrato che la velocità con cui si muovono le lancette di un orologio è legata alla velocità con cui si muove l’orologio stesso. Più l’orologio va veloce, più le lancette scorrono lentamente; se l’orologio si muove alla velocità della luce, la massima consentita in natura, le sue lancette si fermano.
Il fenomeno si chiama “dilatazione del tempo” ed è quello, per intenderci, responsabile del cosiddetto paradosso dei gemelli: se due gemelli vengono separati e uno dei due fa un viaggio spaziale a velocità prossime a quella della luce, mentre l’altro rimane sulla Terra, al ritorno il primo sarà più giovane dell’altro. Proprio perché nel suo sistema di riferimento il tempo sarà trascorso più lentamente rispetto a come è trascorso per il gemello “terrestre”.
Dal tempo macro al tempo micro
Spostiamoci ora nel mondo microscopico: la meccanica quantistica è la teoria che descrive il comportamento di energia e materia su scale spaziali piccolissime. Applicando la succitata regola della sovrapposizione degli stati alle lancette di un orologio microscopico, si deduce che queste si trovano in posizioni diverse, e si muovono a velocità diverse, nello stesso momento e con diverse probabilità, almeno finché non viene effettuata una misura per determinarne posizione o velocità. Gli autori del lavoro appena pubblicato sono riusciti, per l’appunto, a caratterizzare questa sovrapposizione, mettendo a punto una teoria probabilistica dello scorrere del tempo che prevede, tra le altre cose, anche una dilatazione quantistica simile a quella relativistica.
“Da molto tempo i fisici cercano di conciliare la natura dinamica e relativa del tempo con le leggi della meccanica quantistica”, spiega Mehdi Ahmadi, un altro degli autori dello studio. “Nel nostro lavoro abbiamo predetto le correzioni alla dilatazione relativistica dei tempo derivanti dal fatto che gli orologi atomici hanno una natura quantistica, e quindi sono sottoposti alle leggi della meccanica quantistica”.
Si tratta, è bene sottolinearlo, di correzioni molto piccole, che però potrebbero essere testate usando gli orologi più precisi che abbiamo a disposizione. Al momento il lavoro è solo teorico, ma chissà che in futuro, come già avvenuto per altre leggi della meccanica quantistica, non possa trovare applicazioni pratiche, per esempio nel campo dell’ottica o dell’informatica quantistica. O chissà dove.
Credits immagine: Petra Korlevic
Riferimenti: Nature Communications
