SOVRAPPOSIZIONE QUANTISTICA DI EVOLUZIONI TERMODINAMICHE

Avanti e indietro nel tempo: per entropia si può

Siamo abituati a pensare al tempo come una variabile che scorre esclusivamente verso il futuro. Tornare indietro è impossibile, o quasi. Un nuovo studio mostra che questo confine non è più così netto, nella meccanica quantistica: qualora il “disordine” non fosse eccessivo, un sistema potrebbe dirigersi simultaneamente verso il passato e verso il futuro. Ne parliamo con la prima autrice, Giulia Rubino, ricercatrice postdoc all’Università di Bristol, nel Regno Unito

     02/12/2021
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Giulia Rubino, ricercatrice postdoc in fondamenti di meccanica quantistica all’Università di Bristol (Uk)

La meccanica quantistica, si sa, è una fra le teorie più controintuitive che ci siano. La fisica sta ancora oggi cercando di definire esaustivamente il concetto dell’apparente passare del tempo, strettamente legato all’osservazione di un cambiamento proprio nei sistemi fisici. Ora un nuovo studio suggerisce che i sistemi quantistici si possono evolvere simultaneamente lungo due frecce temporali opposte – sia in avanti che indietro nel tempo. Non è stata creata alcuna macchina del tempo: piuttosto, per capirlo dobbiamo distaccarci dall’idea che abbiamo di esso e ripensarlo in contesti in cui ad agire sono le leggi quantistiche. Si tratta di processi termodinamici che – seppure producano entropia – possono avvenire in entrambe le direzioni temporali. Confusi? Niente paura, ci aiuta a capire meglio il tutto la prima autrice dell’articolo – pubblicato la settimana scorsa su Communications Physics, una rivista del gruppo Nature – in persona, Giulia Rubino, ricercatrice postdoc all’Università di Bristol, dove risiede da quando ha completato i suoi studi, prima a Roma poi a Vienna.

La principale novità di questo studio è che, per via dell’entropia, un sistema può evolvere lungo entrambe le direzioni temporali: cioè il sistema può andare avanti o indietro nel tempo simultaneamente?

«Il sistema può evolvere “simultaneamente” attraverso due processi termodinamici che sono l’uno l’inverso temporale dell’altro. Per “simultaneamente” si intende “in sovrapposizione quantistica”, cioè che il sistema si trova in uno stato di sovrapposizione di entrambi le evoluzioni, quella “in avanti” e quella “indietro”. In altre parole, il verificarsi dell’uno non esclude l’altro, perché entrambi si verificano in uno stato di sovrapposizione».

Quindi il vostro è un modello puramente teorico o lo avete anche dimostrato sperimentalmente?

«Si tratta di un modello teorico che applica il principio di sovrapposizione quantistica – dimostrato sperimentalmente su molteplici piattaforme – alle fluttuazioni termodinamiche di un sistema, anch’esse dimostrate sperimentalmente su diversi sistemi. In generale, secondo il principio di sovrapposizione quantistica, se due stati A e B di un sistema quantistico sono entrambi possibili, allora anche un qualsiasi stato di sovrapposizione tra i due stati A e B, per esempio A+B deve essere possibile. Nel nostro lavoro, siamo andati ad applicare questo noto principio al caso di due processi termodinamici che producono una quantità di entropia uguale e opposta e che dunque – in senso termodinamico – sono detti essere l’inverso temporale l’uno dell’altro. Se entrambi questi processi sono possibili (come è per esempio il caso del dentifricio che fuoriesce delicatamente dal tubetto, o che delicatamente ci rientra), allora dovrebbe essere possibile osservare anche la sovrapposizione quantistica tra questi due».

Rappresentazione artistica di un gondoliere intrappolato in una sovrapposizione quantistica di flussi temporali. Crediti: Aloop Visual and Science, Università di Vienna

Ecco, l’esempio del dentifricio: maggiore è il disordine del sistema (il dentifricio che fuoriesce con forza dal tubetto), minore è la probabilità di vedere in natura il suo inverso temporale accadere (il dentifricio che da solo rientra nel tubetto). Ma cosa c’entra il tempo con il disordine del sistema?

«In fisica, lo scorrere del tempo è spesso correlato alla produzione di entropia, pensata come una “misura del disordine” presente in un certo sistema fisico. Infatti, sappiamo che in natura i sistemi tendono a evolvere verso situazioni di maggiore disordine, e questo ci consente di individuare la direzione verso cui la freccia del tempo punta in questi processi. Nell’esempio menzionato, se prendiamo un tubetto di dentifricio e lo spremiamo in maniera repentina e con forza, tanto è il dentifricio che esce dal tubetto, che è di fatto impossibile osservare in natura l’inverso di questo fenomeno, cioè il dentifricio che, da solo, rientra nel tubetto. Invece, se spremessimo il tubetto molto delicatamente, e solo una piccola quantità di dentifricio fuoriuscisse, non sarebbe così impossibile osservare che – quando smettiamo di spremere il tubetto – esso si decomprime e nel suo atto di decompressione il dentifricio viene risucchiato all’interno del tubetto. Questo esempio ci permette di comprendere come maggiore è il disordine del sistema, minore è la probabilità di vedere in natura il suo inverso temporale».

Qual è quindi, in questo caso specifico, il legame fra entropia e flusso temporale?

«Nel primo dei due esempi sopra menzionati, la nostra azione ha prodotto una così larga quantità di entropia che osservare naturalmente l’inverso temporale di quel processo è così improbabile da essere a tutti gli effetti impossibile. Il secondo esempio, invece, rappresenta in fisica un processo in cui l’entropia prodotta era così poca che –per una cosiddetta “fluttuazione termodinamica” – è possibile vedere l’inverso temporale del fenomeno avvenire naturalmente. Ovviamente quello del dentifricio è solo un esempio un po’ banale per far riferimento a un fenomeno fisico con cui tutti si possono relazionare. L’idea è solo far capire al lettore che ci sono alcuni processi in cui l’entropia prodotta ha un valore talmente alto che il processo fisico può avvenire in una direzione ma non nell’altra, mentre ci sono altri processi per i quali osservare l’inverso temporale non è poi così impossibile».

Se ciò fosse possibile, quali sarebbero le conseguenze?

«Il concetto di tempo – e persino la sua vera e propria esistenza – sono oggetto di una larga quantità di studi nella fisica moderna. Per ovviare al problema, in molte teorie fisiche il tempo è spesso trattato come un parametro continuamente crescente (quella variabile t che magari alcuni di noi ricordano dalle equazioni di fisica studiate al liceo). Al contrario, il nostro studio mostra che le leggi che governano lo scorrere del tempo in meccanica quantistica sono molto più complesse. I risultati del nostro lavoro suggeriscono che potremmo dover ripensare il modo in cui rappresentiamo il tempo e il suo scorrere in tutte quelle teorie fisiche in cui le leggi quantistiche giocano un ruolo cruciale».

Dulcis in fundo: leggo che questa sovrapposizione potrebbe offrire vantaggi nella prestazione di “macchine termiche” o di “frigoriferi”. Ma parliamo dei frigoriferi che si hanno comunemente in casa? Quali vantaggi si potrebbero ottenere?

«No, non parliamo dei frigoriferi che si hanno comunemente a casa. Su questo punto, usare i termini inglesi aiuta un po’ in quanto il frigorifero che si ha comunemente in casa è chiamato fridge mentre quello che studiamo noi è un refrigerator. Si tratta di cosiddette “macchine termiche”, utilizzate per portare allo stato fondamentale sistemi quantistici: un sistema quantistico ha diversi livelli energetici e, giacché non esistono energie negative, c’è un cosiddetto “livello fondamentale”, che è il livello di energia minima che il sistema può assumere. Raffreddare un sistema quantistico significa abbassare il suo livello energetico, mentre riscaldarlo vuol dire alzarlo. Un’attività di ricerca sperimentale molto diffusa attualmente è quella di cercare di portare sistemi quantistici di grandi dimensioni (per esempio, nanoparticelle) allo stato fondamentale per investigarne le loro proprietà quantistiche. E questo è il tipo di refrigerator che intendiamo nel nostro lavoro. In particolare, il tipo di vantaggio cui noi facciamo riferimento è il limitare le fluttuazioni nelle prestazioni di questi processi di raffreddamento. A tal fine, ciò che abbiamo dimostrato è che una sovrapposizione quantistica di due macchine termiche può raggiungere efficienze più alte – nel raffreddamento di sistemi quantistici, per esempio – di ciascuna delle due macchine che compongono la sovrapposizione singolarmente».

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