La meccanica quantistica è famosa per le sue idee strane e spesso controintuitive. Su scale molto piccole, le particelle non si comportano come gli oggetti di tutti i giorni. Possono invece esistere in più stati contemporaneamente, un concetto noto come sovrapposizione. I fisici descrivono questo comportamento utilizzando un oggetto matematico chiamato funzione d’onda. Tuttavia, questa immagine contrasta con ciò che osserviamo nella vita quotidiana, dove gli oggetti occupano un solo posto o stato definito alla volta. Per risolvere questo problema, gli scienziati solitamente propongono che quando un sistema quantistico viene misurato o interagisce con un osservatore, la sua funzione d’onda collassi in un unico risultato.
Ora, con il supporto del Foundational Questions Institute (FQxI), un gruppo internazionale di fisici ha esaminato più da vicino spiegazioni alternative note come modelli di collasso quantistico. I loro risultati suggeriscono che queste idee potrebbero avere conseguenze sorprendenti sul comportamento del tempo stesso, inclusi limiti minimi sulla precisione con cui può essere misurato. La ricerca, pubblicata su Physical Review Research , offre anche un possibile modo per testare questi modelli rispetto alla teoria quantistica standard.
“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?”
Collasso spontaneo e modelli quantistici verificabili
Negli anni ’80, i ricercatori hanno iniziato a sviluppare teorie in cui il collasso della funzione d’onda avviene spontaneamente, senza richiedere osservazione o misurazione. A differenza delle interpretazioni tradizionali della meccanica quantistica, che offrono principalmente diversi modi di pensare alle stesse equazioni, questi modelli di collasso formulano previsioni che potrebbero, in linea di principio, essere verificate sperimentalmente.
“Quello che abbiamo fatto è stato prendere sul serio l’idea che i modelli di collasso possano essere collegati alla gravità. E poi ci siamo posti una domanda molto concreta: cosa implica questo per il tempo stesso?”, afferma Nicola Bortolotti.
Bortolotti e i suoi colleghi Catalina Curceanu, Kristian Piscicchia, Lajos Diósi e Simone Manti hanno esaminato due delle principali versioni di questi modelli. Una è il modello di Diósi-Penrose, che da tempo propone una connessione tra la gravità e il collasso della funzione d’onda. L’altra è la localizzazione spontanea continua. Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno stabilito una relazione quantitativa tra questo secondo modello e le fluttuazioni dello spaziotempo causate dalla gravità.
Minima incertezza temporale e limiti di precisione dell’orologio
La loro analisi dimostra che, se questi modelli di collasso descrivono accuratamente la realtà, allora il tempo stesso non può essere perfettamente esatto. Al contrario, conterrebbe un livello estremamente ridotto di incertezza intrinseca. Ciò porrebbe un limite fondamentale alla precisione che un orologio potrebbe mai raggiungere.
“Una volta effettuato il calcolo, la risposta è chiara e sorprendentemente rassicurante”, ha affermato Bortolotti.
È importante sottolineare che questo effetto è troppo piccolo per avere un impatto su qualsiasi tecnologia attuale. Persino gli orologi atomici più avanzati non sarebbero in grado di rilevarlo. “L’incertezza è di molti ordini di grandezza inferiore a qualsiasi valore che possiamo misurare attualmente, quindi non ha conseguenze pratiche per la misurazione del tempo quotidiana”, afferma Curceanu. “I nostri risultati dimostrano esplicitamente che le moderne tecnologie di misurazione del tempo non ne risentono affatto”, aggiunge Piscicchia.
Meccanica quantistica, gravità e natura del tempo
Per decenni, i fisici hanno cercato di unificare la meccanica quantistica con la gravità. Ciascuna teoria funziona egregiamente nel proprio ambito. La meccanica quantistica descrive il comportamento delle particelle su scala microscopica, mentre la relatività generale spiega come la gravità modella la struttura su larga scala dell’universo, comprese stelle e galassie. Tuttavia, i due modelli trattano il tempo in modi molto diversi.
“Nella meccanica quantistica standard, il tempo è trattato come un parametro esterno e classico che non viene influenzato dal sistema quantistico in esame”, spiega Curceanu. Al contrario, la relatività generale descrive il tempo come qualcosa che può allungarsi e piegarsi sotto l’influenza della massa e dell’energia.
“L’incertezza è di molti ordini di grandezza inferiore a qualsiasi valore che possiamo misurare attualmente, quindi non ha conseguenze pratiche per la misurazione del tempo quotidiana”, afferma Catalina Curceanu.
Partendo da precedenti idee secondo cui la meccanica quantistica potrebbe essere parte di una teoria più profonda, la nuova ricerca indica possibili collegamenti tra il comportamento quantistico, la gravità e lo scorrere del tempo stesso.
Curceanu ha sottolineato l’importanza di esplorare idee non convenzionali in fisica. “Non esistono molte fondazioni al mondo che supportino la ricerca su questo tipo di questioni fondamentali riguardanti l’universo, lo spazio, il tempo e la materia”, afferma Curceanu. “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.”
Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal programma “Consciousness in the Physical World” di FQxI. Per saperne di più sui finanziamenti ottenuti dal team, potete consultare l’articolo di Brendan Foster pubblicato su FQxI: “Can We Feel What It’s Like to Be Quantum?”
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