Se vi affascina la natura del tempo, stimolati magari da letture come La rinascita del tempo di Lee Smolin o L’ordine del tempo di Carlo Rovelli, un luogo che potreste voler segnare fra i vostri piani di viaggio è Birmingham, nel Regno Unito. È infatti in un laboratorio dell’Università di Birmingham che è stato creato un “miniuniverso” nel quale è stato possibile osservare l’emergere del tempo. Non solo: è stato possibile mostrare che scorre in una sola direzione, definendo una chiara “freccia del tempo”; che mette correttamente “in fila” gli eventi, anche in un sistema che si espande e si contrae come una successione di “mini big bang” e “mini big crunch”; e, infine, che accelera o rallenta a seconda di come varia l’entropia.
Artefice del “cosmo in miniatura” è il fisico sperimentale toscano – di Prato, per l’esattezza – Giovanni Barontini, autore di un articolo, pubblicato questo mese su Physical Review Research, nel quale si descrive come, da una manciata di atomi di rubidio tenuti, appunto, a una temperatura prossima allo zero assoluto, abbia fatto capolino quella cosa sfuggente – e fuggente, come notava già Virgilio – che chiamiamo tempo.
Giovanni Barontini, professore di fisica alla University of Birmingham, osserva l’interno della trappola magneto-ottica di atomi di rubidio nella quale ha creato il suo “miniuniverso”. Crediti: University of Birmingham
E a proposito di fuggente: «per carità, non si parli di cervello in fuga», chiarisce subito Barontini a Media Inaf ripercorrendo la strada che lo ha portato a fare ricerca nel Regno Unito. «Dopo la laurea e il dottorato a Firenze, nel gruppo di Massimo Inguscio, sono stato ricercatore in Germania, Parigi e Londra, seguendo più che altro le mie curiosità e i miei interessi. Come spesso capita nella vita, circa dieci anni fa mi sono imbattuto per caso in un concorso all’Università di Birmingham e l’ho vinto. Da allora mi sono stabilito qui e ho messo su un gruppo di ricerca. Sono incuriosito e affascinato dalla fisica in generale, quindi anche se le mie competenze sono nel campo di atomi freddi, mi piace applicarle anche a problemi apparentemente lontani, come in questo caso».
Atomi freddi come i 24mila atomi di rubidio che formano una nuvola descritta nel suo articolo come un “miniuniverso”. In che senso? Intendo dire, perché quella in particolare può essere definita un miniuniverso, mentre le innumerevoli altre nuvole di innumerevoli atomi che ci circondano, e di cui noi stessi siamo fatti, no?
«È quello che chiamiamo “un analogo”, cioè un sistema semplificato che contiene gli ingredienti fondamentali di un sistema più complesso. In questo caso, le caratteristiche fondamentali del mio sistema sono che è molto ben isolato dall’ambiente circostante (per il sistema è come se nient’altro esistesse) e che può essere descritto da un funzione d’onda macroscopica.
Se uno pensa all’universo nella sua interezza – qualsiasi cosa voglia dire –, per definizione non c’è niente al di fuori. Inoltre, in alcune descrizioni di quantum gravity (Wheeler-DeWitt e varie derivazioni) l’universo è descritto da una funzione d’onda. In questo senso il mio sistema e l’universo intero hanno caratteristiche comuni che posso sfruttare per testare alcune ipotesi».
A che le serviva, un miniuniverso?
«Una volta stabilita l’analogia, il mio interesse era rispondere alla domanda: come fa un sistema isolato senza una variabile tempo esterna a sapere se il tempo sta passando? Come è possibile stabilire l’ordine degli eventi? Questo è quello che si chiama “il problema del tempo” in cosmologia quantistica, ma si può applicare anche al mio piccolo sistema. Quindi l’obiettivo era di vedere se è possibile costruire una variabile tempo dall’interno del mio sistema».
La “nuvola” all’interno della cella di vetro è una trappola magneto-ottica di atomi di rubidio a una temperatura di circa 0,0001 gradi sopra lo zero assoluto: il primo passo per la creazione del “miniuniverso”. Crediti: University of Birmingham
Un tempo entropico, lo chiama, che emergerebbe dall’esperimento stesso…
«Il concetto di tempo entropico non è mio. È una forma di “tempo random” che è stato sviluppato in termodinamica statistica. Come si evince dal nome, mette in relazione il tempo con l’entropia. In termodinamica è noto che, per avere una freccia del tempo, c’è bisogno di quello che si chiama coarse-graining, che in qualche modo vuol dire perdere informazione. In altre parole, solo un osservatore che non possiede tutta l’informazione di un sistema ha esperienza di una direzione temporale.
E qui c’è un’altra analogia con la cosmologia quantistica, dove in molti modelli si fa “emergere” il tempo come parametro relazionale tra due o più “settori” dell’universo. Tipicamente un settore rimane inosservato e funziona come reservoir di entropia. A mio parere questa è l’altra faccia della stessa medaglia: il tempo può emergere una volta che alcuni gradi di libertà rimangono inosservati».
È per questo che ha separato con un raggio laser la sua nuvola in due regioni, una “osservata” e l’altra “oscura”?
«Sì, come dicevo, per avere sia un tempo emergente sia una freccia del tempo, c’è bisogno di “ignoranza”. In questo caso ho scelto di non sapere cosa succede in una parte del sistema e mi sono concentrato sull’altra. Ho poi dimostrato che la parte che osservo può essere descritta con delle equazioni analoghe a quelle che in cosmologia quantistica chiamano minisuperspazio».
Che lei sappia, è il primo esperimento, il suo, nel quale si osserva l’emergere del tempo?
«Credo proprio di no, ma non sono un esperto. Per esempio, mi pare di ricordare che il gruppo di Marco Genovese all’Inrim abbia fatto un esperimento con dei fotoni per dimostrare il meccanismo di Page-Wootters, che fa nascere il tempo dalle correlazioni quantistiche tra due sistemi. Ce ne sono sicuramente altri».
E qual è il risultato più rilevante che ha ottenuto con il suo mini-universo?
«È una dimostrazione sperimentale che il tempo potrebbe non essere una variabile fondamentale ma piuttosto un parametro emergente. È la messa in pratica di alcune idee molto ben sviluppate in cosmologia quantistica, unite ad altri concetti noti in termodinamica. È difficile commentare sulla rilevanza, come per ogni altro articolo: questo sarà stabilito dai colleghi».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Research l’articolo “Testing the problem of time with cold atoms”, di Giovanni Barontini