Giorni addietro parlavo con una collega “scienziata” di come si sia creata negli ultimi decenni una dicotomia che riguarda la percezione del tempo.

La nozione del tempo è radicata nella nostra percezione della realtà in modo molto profondo ed il suo studio è stato per secoli un elemento delle teorie scientifiche (un punto di riferimento fisso) tanto fondamentale da non poter essere messo in discussione.

Nello scorso secolo, la relatività generale e la meccanica quantistica si sono mosse però in direzioni opposte: la prima ha introdotto il concetto di coordinata temporale, dando di fatto al tempo lo stesso status attribuito alla posizione spaziale;

la meccanica quantistica ha invece individuato nel tempo un parametro mutabile, sostanzialmente diverso da ogni altra proprietà (coordinata) osservabile.

Quindi se l’introduzione del concetto di spazio-tempo appare come un’intuizione coerente con l’impianto logico e formale della fisica classica nella relatività generale, il fatto che il tempo non possa essere trattato come le altre osservabili fisiche in meccanica quantistica può risultare un controsenso e generare dubbi.

Il diverso modo di intendere il tempo in relatività generale e meccanica quantistica, sia formalmente che concettualmente, costituisce un grande ostacolo da affrontare quando si tenta di far conciliare le due teorie.

In soccorso ci viene il lavoro del gruppo di ricerca di Paola Verrucchi dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Isc) e di Alessandro Cuccoli (Dipartimento di Fisica dell’Università di Firenze), che, pubblicato su Nature Communications, costituisce un importante passo avanti. Il lavoro è stato realizzato in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Di questo lavoro riportiamo un estratto delle conclusioni:

“Vi si mostra che una descrizione completamente quantistica permette di dedurre le equazioni che descrivono l’evoluzione nel tempo dei sistemi fisici, siano esse quelle previste dalla fisica classica o dalla meccanica quantistica”, spiega Cuccoli.

Qui gli autori del lavoro fanno riferimento a una proposta, nota come “Meccanismo di Page and Wootters” (PaW) risalente a circa 40 anni fa, secondo la quale l’espressione “ad un certo istante di tempo t” deve essere intesa come in relazione al fatto che un orologio si trovi in uno stato caratterizzato dal valore t.

“L’idea corrisponde in modo naturale alla nostra esperienza quotidiana, poiché sappiamo a che ora ci svegliamo solo guardando in che posizione sono le lancette dell’orologio, o a che altezza sia il sole nel cielo, o quanto lunga sia l’ombra degli oggetti sul terreno”, afferma la dottoressa. Verrucchi, che prosegue dicendo “Possiamo dire che il meccanismo PaW formalizza uno degli strumenti più usati nella letteratura e nel cinema, laddove per dare il senso di un tempo che si ferma, si congela l’intero ambiente circostante il protagonista, introducendo così l’idea fondamentale che la percezione dello scorrere del tempo richieda necessariamente una correlazione con ciò che ci circonda”.

Per meglio capire: noi siamo in grado di percepire lo scorrere del tempo solo mettendolo in correlazione con l’ambiente nel quale viviamo l’esperienza del trascorrere del tempo.

Porto un esempio: seduti su un treno ad alta velocità, se non ci relazioniamo con l’esterno che vediamo attraverso i finestrini non abbiamo la percezione di spostarci in avanti a 300 km orari.

C’è quindi una correlazione tra i due sistemi, treno e non treno, che possiamo formalizzare in uno straordinario fenomeno, tipico ed esclusivo della meccanica quantistica, che prende il nome di entanglement: si tratta di un legame, un intreccio fra sistemi fisici distinti, che stabilisce una relazione fra le loro rispettive proprietà ed è tanto sostanziale da sopravvivere anche quando tali sistemi, allontanati nello spazio e nel tempo, non interagiscono più.

Questo meccanismo PaW (se limitato solo alla visione quantistica) da solo non sembra però poter condurre ad una trattazione soddisfacente che possa correlare il fluire del tempo nella nostra realtà quotidiana, perfettamente descritta dalla fisica classica.

Continua il dottor Cuccoli “Il nostro lavoro nasce dalla constatazione che il tempo è una nozione trasversale rispetto a qualunque teoria scientifica, da cui segue la necessità di una trattazione che permetta di derivare nello stesso quadro formale sia l’equazione che descrive come lo stato di un sistema evolve nel tempo in una trattazione quantistica, la cosiddetta Equazione di Schroedinger, che le equazioni che forniscono l’analoga descrizione in fisica classica, dette Equazioni di Hamilton”.

Per questo scopo, gli autori costruiscono un modello senza tempo, costituito da due sistemi quantistici, orologio e sistema (nel nostro esempio sistema treno e sistema non treno) che non interagiscono tra loro ma sono fortemente correlati attraverso l’entanglement.

Aggiungono così al meccanismo PaW la descrizione formale del cosiddetto quantum-to-classical crossover, il fenomeno per cui un sistema macroscopico, cioè grande, può essere descritto da una teoria classica sebbene i suoi componenti microscopici siano descritti dalle leggi della meccanica quantistica. Questo ingrediente permette di dimostrare che esiste un parametro t dell’orologio che è, a tutti gli effetti, il tempo per l’altro sistema, indipendentemente dal fatto che si ricorra ad una descrizione quantistica o classica.

“L’assoluta necessità che sistema ed orologio siano entangled affinché le equazioni di Schroedinger e Hamilton possano essere derivate, dimostra ancora una volta che questa forma di correlazione squisitamente quantistica è fondamentale per la realizzazione dell’universo intorno a noi e del modo in cui lo percepiamo”, conclude Verrucchi.

“Questo risultato mostra che non esiste un tempo quantistico, magari contrapposto ad un tempo classico, esiste un solo tempo ed è una manifestazione dell’entanglement. Il nostro risultato getta le basi per la costruzione di un ponte fra relatività generale e meccanica quantistica che può traghettarci verso una più profonda comprensione di come, perché e in che senso il tempo scorra intorno a noi e nell’intero universo”.

Cercheremo di trattare in successivi articoli “il tempo” da diversi punti di vista, filosofico, artistico, mitologico.

Da sempre il tempo è qualcosa che affascina e terrorizza la mente umana a tal punto da renderlo la “cosa” più preziosa dell’intero universo.

Voce di Chiara Lenzi