L’orologio di Schrödinger: il tempo potrebbe scorrere più velocemente e più lentamente allo stesso tempo.

Uno studio pubblicato di recente suggerisce che i ricercatori potrebbero presto essere in grado di testare questa bizzarra idea in laboratorio. L’articolo, intitolato “Quantum signatures of proper time in optical ion clocks”, è apparso il 20 aprile 2026 su Physical Review Letters . La ricerca è stata condotta dal professore associato Igor Pikovski dello Stevens Institute of Technology, in collaborazione con team sperimentali guidati da Christian Sanner della Colorado State University e Dietrich Leibfried del National Institute of Standards and Technology (NIST).

Orologi atomici e tempo quantistico

I ricercatori hanno esplorato come gli orologi atomici avanzati potrebbero rivelare effetti quantistici nascosti legati al flusso del tempo. Secondo le loro scoperte, le stesse tecnologie in fase di sviluppo per gli orologi di prossima generazione e i computer quantistici potrebbero anche consentire agli scienziati di indagare se il tempo stesso si comporti secondo le leggi della meccanica quantistica.

Nella meccanica quantistica, gli oggetti possono esistere in più stati contemporaneamente. Questo concetto è illustrato in modo celebre dal paradosso del gatto di Schrödinger, un esperimento mentale in cui un gatto viene considerato contemporaneamente vivo e morto finché non viene osservato. I ricercatori ipotizzano che qualcosa di altrettanto strano potrebbe accadere con il tempo. Un orologio il cui movimento segue le leggi della meccanica quantistica potrebbe sperimentare molteplici flussi temporali nello stesso istante, quasi come un gatto che è contemporaneamente giovane e vecchio.

“Il tempo gioca ruoli molto diversi nella teoria quantistica e nella relatività”, afferma Pikovski. “Quello che dimostriamo è che unendo questi due concetti si possono rivelare firme quantistiche nascoste del flusso temporale che non possono più essere descritte dalla fisica classica.”

Il paradosso quantistico dei gemelli

La teoria della relatività prevede già che il tempo scorra in modo diverso a seconda del movimento e della posizione. Ogni orologio misura il proprio flusso temporale unico. Ad esempio, un orologio che viaggia a 10 m/s per 57 milioni di anni sarebbe in ritardo di circa un secondo rispetto a un orologio fermo. Gli scienziati hanno confermato effetti di questo tipo utilizzando dispositivi di alta precisione come gli orologi agli ioni di alluminio del NIST.

Questo fenomeno viene spesso spiegato con il “paradosso dei gemelli”, secondo il quale un gemello viaggia ad alta velocità e ritorna più giovane del gemello rimasto indietro. Il nuovo studio spinge questa idea oltre, nell’ambito della meccanica quantistica.

I ricercatori si sono chiesti se un singolo orologio potesse sperimentare simultaneamente due diverse velocità del tempo mentre esisteva in una sovrapposizione quantistica. Secondo la teoria quantistica, ciò dovrebbe essere possibile. Pikovski e i suoi collaboratori proposero per la prima volta l’idea più di dieci anni fa, ma all’epoca l’effetto era troppo debole per essere osservato sperimentalmente. I progressi nella tecnologia degli orologi atomici potrebbero ora cambiare le cose.

Orologi ionici ultrafreddi e fluttuazioni quantistiche

Il team si è concentrato sugli orologi ionici, come quelli in fase di sviluppo presso il NIST e la Colorado State University. Questi dispositivi intrappolano singoli ioni, come alluminio o itterbio, li raffreddano a temperature prossime allo zero assoluto e ne controllano gli stati quantistici tramite laser.

La loro analisi ha dimostrato che combinando orologi di alta precisione con tecniche di calcolo quantistico a ioni intrappolati si potrebbero osservare proprietà quantistiche del tempo finora nascoste.

“Gli orologi atomici sono ormai così sensibili da poter rilevare minuscole differenze di tempo causate dalle sole vibrazioni termiche a temperature minime”, afferma Gabriel Sorci, dottorando presso lo Stevens Institute of Technology e coautore dell’articolo. “Ma anche alla temperatura dello zero assoluto, lo stato fondamentale, la frequenza di ticchettio sarà comunque influenzata dalle sole fluttuazioni quantistiche.”

I ricercatori hanno poi esplorato una possibilità ancora più insolita. Invece di limitarsi a raffreddare gli atomi, hanno proposto di manipolare il vuoto stesso creando “stati compressi”, ovvero stati quantistici in cui posizione e velocità si comportano in modi anomali.

Orologi che ticchettano più velocemente e più lentamente allo stesso tempo.

In queste condizioni, il team ha scoperto che potevano emergere effetti quantistici completamente nuovi che coinvolgevano il tempo. Un singolo orologio poteva effettivamente ticchettare sia più velocemente che più lentamente allo stesso tempo, entrando anche in un circolo vizioso con il proprio moto quantistico.

I ricercatori sperano ora di dimostrare sperimentalmente questi effetti.

“Disponiamo della tecnologia per generare la compressione necessaria e di un percorso per raggiungere la precisione di clock richiesta negli orologi ionici per osservare tali effetti per la prima volta”, afferma Sanner della Colorado State University.

Per Pikovski, le implicazioni più ampie sono altrettanto entusiasmanti. Tra i suoi lavori precedenti, ha dimostrato che la tecnologia quantistica potrebbe potenzialmente rilevare i singoli gravitoni, le particelle ipotetiche che si pensa siano responsabili della gravità.

“La fisica è ancora piena di misteri al livello più fondamentale. Le tecnologie quantistiche ci stanno ora fornendo nuovi strumenti per far luce su di essi.”

Astratto

Gli orologi ottici basati su atomi e ioni sondano gli effetti relativistici con una sensibilità senza precedenti. Essi rilevano la dilatazione temporale dovuta al movimento degli atomi o alle diverse posizioni nel potenziale gravitazionale attraverso spostamenti di frequenza. Tuttavia, tutte le misurazioni della dilatazione temporale finora effettuate possono essere spiegate efficacemente come il risultato di una dinamica rispetto a un parametro di tempo proprio classico. In questo lavoro dimostriamo che gli orologi atomici possono sondare effetti in cui una descrizione classica della dinamica del tempo proprio è insufficiente, poiché emergono sovrapposizioni di tempo proprio. Applichiamo un formalismo hamiltoniano per derivare gli effetti di dilatazione temporale negli atomi orologio intrappolati armonicamente e mostriamo come si generano spostamenti Doppler di secondo ordine dovuti all’energia del vuoto, allo squeezing e alle correzioni quantistiche alla dinamica. Dimostriamo inoltre che l’entanglement indotto dalla dilatazione temporale tra il movimento e l’evoluzione dell’orologio può diventare osservabile negli orologi all’avanguardia quando il movimento degli atomi è fortemente compresso, realizzando l’interferometria del tempo proprio. I nostri risultati dimostrano che gli esperimenti con orologi a ioni intrappolati sono alla portata di chi vuole studiare l’evoluzione relativistica degli orologi per i quali diventa necessaria una descrizione quantistica del tempo proprio.