Un nuovo studio esamina il legame tra i modelli di collasso della funzione d’onda e la struttura del tempo. Uno studio cofinanziato dal Foundational Questions Institute (FQxI) suggerisce l’esistenza di connessioni nascoste tra meccanica quantistica, gravità e tempo. Gli scienziati coinvolti hanno riesaminato uno dei problemi più strani della fisica quantistica e hanno scoperto che la risposta potrebbe risiedere nel tempo stesso. I risultati propongono anche una nuova strategia per distinguere sperimentalmente questi modelli dalla teoria quantistica standard.
Nella meccanica quantistica, le particelle non si comportano come gli oggetti di tutti i giorni. Invece di esistere in un unico stato ben definito, possono occupare simultaneamente diversi stati possibili, un fenomeno noto come sovrapposizione. I fisici descrivono questo comportamento quantistico sfumato con un oggetto matematico chiamato “funzione d’onda”. Ma nel mondo ordinario, le cose non sembrano funzionare in questo modo; una sedia si trova in un punto, non in due, e un orologio segna un’ora, non molte.
Colmare questo divario tra il mondo quantistico e l’esperienza quotidiana è una sfida che i fisici affrontano da decenni. Per conciliare questa differenza, si sostiene in genere che quando un sistema quantistico interagisce con un dispositivo di misurazione o un osservatore, la sua funzione d’onda “collassa” in un singolo risultato definito. Un gruppo internazionale di fisici ha studiato una serie di approcci non convenzionali al problema della misurazione, noti come “modelli di collasso quantistico”, rivelando che potrebbero avere conseguenze significative sul comportamento del tempo e sulla precisione con cui può essere misurato.
Il legame tra gravità e collasso spontaneo
Negli anni ’80, i ricercatori hanno iniziato a sviluppare modelli quantistici in cui il collasso della funzione d’onda avviene spontaneamente, indipendentemente dall’osservazione o dalla misurazione. A differenza delle “interpretazioni” standard della meccanica quantistica, che tendono a essere schemi filosofici non distinguibili sperimentalmente, questi modelli di collasso producono previsioni specifiche che possono, in linea di principio, essere verificate in laboratorio. Questo approccio ha aperto nuove strade per comprendere la transizione dal mondo quantistico a quello classico.
«Quello che abbiamo fatto è stato prendere sul serio l’idea che i modelli di collasso possano essere collegati alla gravità», afferma Nicola Bortolotti, dottorando presso il Museo e Centro di Ricerca Enrico Fermi (CREF) di Roma, che ha guidato lo studio. «E poi ci siamo posti una domanda molto concreta: cosa implica questo per il tempo stesso?» Per esplorare questa idea, Bortolotti e i suoi colleghi hanno esaminato due modelli di collasso principali, tra cui il modello di Diósi-Penrose, che propone una connessione tra gravità e collasso.
Il team ha inoltre stabilito, per la prima volta, una relazione quantitativa tra un altro modello, la Localizzazione Spontanea Continua, e le fluttuazioni nello spaziotempo gravitazionale. Questo lavoro congiunto ha coinvolto ricercatori del CREF, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN-LNF), del Wigner Research Center for Physics e dell’Università Eötvös Loránd di Budapest, Ungheria. I loro sforzi combinati hanno gettato le basi per una comprensione più profonda di come questi modelli possano interagire con la struttura stessa dell’universo.
Limiti fondamentali alla precisione del tempo
Lo studio dimostra che, se questi modelli di collasso descrivono accuratamente la natura, allora il tempo stesso porterebbe con sé una minima incertezza intrseca. Ciò introdurrebbe un limite fondamentale alla precisione con cui il tempo può essere misurato, sebbene l’effetto sia straordinariamente piccolo. “Una volta effettuato il calcolo, la risposta è chiara e sorprendentemente rassicurante”, ha affermato Bortolotti, sottolineando che, nonostante la scoperta teorica, la nostra capacità di misurare il tempo non ne risente.
È importante sottolineare che questa incertezza prevista non ha alcun impatto sulla misurazione pratica del tempo. Anche gli orologi atomici più avanzati, sia quelli attuali che quelli del prossimo futuro, non ne risentirebbero minimamente da questo effetto infinitesimale. “L’incertezza è di molti ordini di grandezza inferiore a qualsiasi valore attualmente misurabile, quindi non ha conseguenze pratiche per la misurazione del tempo quotidiana”, afferma Catalina Curceanu, membro di FQxI e ricercatrice presso l’INFN-LNF.
“I nostri risultati dimostrano esplicitamente che le moderne tecnologie di misurazione del tempo non ne risentono affatto”, aggiunge Kristian Piscicchia, del CREF e dell’INFN-LNF, confermando che la stabilità della nostra misurazione del tempo rimane intatta. Questa distinzione è cruciale per comprendere che, mentre la teoria introduce un nuovo limite fondamentale, le applicazioni pratiche e le misurazioni scientifiche attuali non subiscono variazioni. La scoperta ha quindi un impatto prettamente teorico e non altera l’accuratezza dei nostri strumenti di misurazione del tempo.
Verso una teoria unificata della fisica
Per decenni, i fisici hanno cercato un quadro unificato in grado di conciliare la meccanica quantistica con la gravità, due teorie che hanno ottenuto notevoli successi nei propri ambiti ma che trattano il tempo in modi fondamentalmente diversi. “Nella meccanica quantistica standard, il tempo è trattato come un parametro esterno e classico, non influenzato dal sistema quantistico in esame”, spiega Curceanu. Al contrario, nella relatività generale, tempo e spazio sono dinamici e possono deformarsi e modificarsi in risposta alla massa e all’energia.
I nuovi risultati rafforzano l’idea che la meccanica quantistica possa far parte di una teoria più profonda e completa. Rivelando un possibile collegamento tra modelli di collasso, gravità e comportamento del tempo, il lavoro indica connessioni finora nascoste tra questi aspetti fondamentali della fisica. Questo studio offre una nuova prospettiva su come questi elementi, apparentemente disconnessi, possano essere integrati in una visione più ampia e coesa delle leggi che governano l’universo.
Curceanu ha inoltre sottolineato il ruolo di FQxI nel sostenere direzioni di ricerca non convenzionali, essenziali per affrontare questioni fondamentali riguardanti l’Universo, lo Spazio, il tempo e la materia. “Il nostro lavoro dimostra che anche idee radicali sulla meccanica quantistica possono essere verificate con precise misurazioni fisiche e che, cosa rassicurante, la misurazione del tempo rimane uno dei pilastri più stabili della fisica moderna”, conclude la ricercatrice.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Research.
