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Sovrapposizione quantistica di evoluzioni termodinamiche con frecce del tempo opposte

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Un team di fisici delle Università di Bristol, Vienna, delle Isole Baleari e dell’Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI-Vienna), ha mostrato come i sistemi quantistici possono evolversi simultaneamente lungo due frecce temporali opposte, sia in avanti che indietro nel tempo.

Lo studio, pubblicato sull’ultimo numero di Communications Physics, necessita di un ripensamento di come il flusso del tempo viene inteso e rappresentato in contesti in cui le leggi quantistiche giocano un ruolo cruciale.

Per secoli, filosofi e fisici hanno riflettuto sull’esistenza del tempo. Eppure, nel mondo classico, la nostra esperienza sembra spegnere ogni dubbio che il tempo esista e si muova in avanti. In natura, infatti, i processi tendono ad evolvere spontaneamente da stati con meno disordine a stati con più disordine, e questa propensione può essere usata per identificare la freccia del tempo. In fisica, questo è descritto in termini di “entropia“, che è la quantità fisica che definisce la quantità di disordine in un sistema.

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La dott.ssa Giulia Rubino dei Quantum Engineering Technology Labs (QET labs) dell’Università di Bristol e autrice principale della pubblicazione, ha dichiarato:

“Se un fenomeno produce una grande quantità di entropia, osservarne l’inversione temporale è così improbabile da diventare sostanzialmente impossibile. Tuttavia, quando l’entropia prodotta è sufficientemente piccola, c’è una probabilità non trascurabile di vedere l’inversione temporale di un fenomeno che si verifica naturalmente.

“Possiamo prendere come esempio la sequenza di cose che facciamo nella nostra routine mattutina. Se ci mostrasse il nostro dentifricio che si sposta dallo spazzolino al suo tubetto, non avremmo dubbi che fosse una registrazione riavvolta della nostra giornata. Tuttavia, se schiacciassimo delicatamente il tubetto in modo che uscisse solo una piccola parte del dentifricio, non sarebbe così improbabile osservarlo rientrare nel tubetto, risucchiato dalla decompressione del tubetto”.

Gli autori dello studio, sotto la guida del professor Caslav Brukner dell’Università di Vienna e dell’IQOQI-Vienna, hanno applicato questa idea al regno quantistico, una delle cui peculiarità è il principio di sovrapposizione quantistica, secondo il quale se due stati di un sistema quantistico sono entrambi possibili, allora quel sistema può anche trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente.

“Estendendo questo principio alle frecce del tempo, risulta che i sistemi quantistici che si evolvono nell’una o nell’altra direzione temporale (il dentifricio che esce o torna nel tubo), possono anche trovarsi ad evolversi simultaneamente lungo entrambe le direzioni temporali”.

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“Sebbene questa idea sembri piuttosto priva di senso se applicata alla nostra esperienza quotidiana, al suo livello più fondamentale, le leggi dell’universo si basano su principi quanto-meccanici. Ciò solleva la domanda sul perché non incontriamo mai queste sovrapposizioni di tempo che scorre in natura”, ha affermato la dottoressa Rubino.

Il dott. Gonzalo Manzano, dell’Università delle Isole Baleari, ha dichiarato: “Nel nostro lavoro, abbiamo quantificato l’entropia prodotta da un sistema che si evolve nella sovrapposizione quantistica di processi con frecce temporali opposte. Abbiamo scoperto che questo si traduce più spesso nella proiezione del sistema su una direzione temporale ben definita, corrispondente al processo più probabile dei due”.

“Eppure, quando sono coinvolte piccole quantità di entropia (per esempio, quando c’è così poco dentifricio versato che si potrebbe vederlo riassorbito nel tubo), allora si possono osservare fisicamente le conseguenze del sistema che si è evoluto lungo le direzioni temporali avanti e indietro allo stesso tempo.”

A parte la caratteristica fondamentale che il tempo stesso potrebbe non essere ben definito, il lavoro ha anche implicazioni pratiche nella termodinamica quantistica. Posizionare un sistema quantistico in una sovrapposizione di frecce del tempo alternativo potrebbe offrire vantaggi nelle prestazioni di macchine termiche e frigoriferi.

La Dott.ssa Rubino ha affermato: “Sebbene il tempo sia spesso trattato come un parametro in continuo aumento, il nostro studio mostra che le leggi che governano il suo flusso in contesti quantomeccanici sono molto più complesse. Ciò potrebbe suggerire che dobbiamo ripensare al modo in cui rappresentiamo questa quantità in tutti i quei contesti in cui le leggi quantistiche giocano un ruolo cruciale.”

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