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Il tuffo nel passato di un fotone

Un gruppo di ricercatori della University of Queensland ha effettuato una simulazione sull’eventualità che un fotone si trovi ad interagire con una versione precedente di se stesso

Scritto da Annalisa Arci il 26.07.2014

Leggevo in uno studio pubblicato su Nature Communication che un gruppo di ricercatori della University of Queensland ha effettuato una simulazione sull’eventualità che un fotone si trovi ad interagire con una versione precedente di se stesso.

Si tratta di prendere due fotoni (particelle elementari o quanti, della radiazione elettromagnetica) e chiedersi se, a livello quantistico, possano risolvere il famoso paradosso del nonno interagendo tra loro.

Curva spaziotemporale chiusa di tipo tempo

CTC (credit: University of Queensland).

Uno dei principali problemi teorici dei viaggi nel tempo è quello descritto già nel 1947 da René Barjavel nel suo libro Il viaggiatore imprudente, è appunto il paradosso del nonno: una persona viaggia indietro nel tempo ed uccide suo nonno prima che questo conosca sua moglie, ossia la nonna del viaggiatore. Di conseguenza, i genitori del viaggiatore non potranno mai nascere, così come il viaggiatore stesso, che quindi non sarebbe potuto tornare indietro nel tempo per uccidere il nonno. Molti studiosi sono convinti che soprattutto a livello quantistico questo paradosso svanisca (la stessa interpretazione a molti mondi di David Deutsch mostra una soluzione possibile). 

Martin Ringbauer, primo autore dell’articolo (Experimental simulation of closed timelike curves) ci ricorda che “il viaggio nel tempo è un fenomeno in cui si interfacciano due delle teorie di maggior successo e al contempo più incompatibili della fisica moderna: la relatività generale di Einstein e la meccanica quantistica. La teoria di Einstein chiarisce cosa succede nell’Universo ad una scala di grandezza enorme, quella delle stelle e delle galassie, mentre la meccanica quantistica è un’eccellente descrizione del mondo dell’incredibilmente piccolo, quello degli atomi e delle molecole”.

Vediamo di capire cosa si cerca di dimostrare in questo articolo. Nella Relatività Generale i viaggi nel passato sono possibili da un tipo particolare di “curve” scoperte da Kurt Gödel nel 1949, le Closed Timelike Curves (CTC). Per la relatività generale, infatti, lo spazio­tempo può essere curvato fino al punto di riconnettersi con se stesso, e quindi può formare curve chiuse sia nello spazio sia nel tempo.  Come ho già scritto altrove, l’idea di Gödel pur basandosi su un presupposto sbagliato, quello dell’universo in rotazione, è comunque teoreticamente feconda e non del tutto incompatibile con alcune teorie cosmologiche attuali. Indipendentemente dalle idee di Gödel esistono infatti alcune metriche (ossia alcune soluzioni alle equazioni della relatività generale) che ammettono la presenza di queste linee (cilindri rotanti, buchi neri rotanti, wormholes sono tutte opzioni fisiche possibili). 

Ora, poste queste premesse, gli scienziati hanno intrappolato un fotone in un “angolo” di una curva chiusa di tipo tempo e hanno cercato di farlo interagire con l’altra versione di se stesso, il fotone viaggiatore per capirci. La “strada” seguita dal fotone per il suo viaggio è quella di un circuito spazio-temporale, simile a quello dell’immagine posta in apertura di questo articolo. Più semplicemente, si tratta di seguire percorsi nello spazio-tempo che ritornano nello stesso punto nello spazio in un tempo precedente, anche se, come chiarisce Martin Ringbauer, “nessuna CTC è stata osservata finora, ma queste appaiono in molte soluzioni delle equazioni di campo di Einstein, il che le rende un interessante oggetto di studio, perché attraversarne una significherebbe viaggiare indietro nel tempo”. Le informazioni raccolte hanno messo in luce alcune proprietà non previste dalle teorie fisiche odierne che potrebbero emergere all’interno di queste linee temporali chiuse, come ad esempio la violazione del no cloning-theorem. Per ora l’articolo dice solo questo. Puntualizza, dunque, qualcosa che già sapevamo: a livello quantistico la nozione stessa di tempo perde di significato e paradossi come quello del nonno non sussistono.

Un simile viaggio nel tempo, se lo pensiamo possibile a livello macroscopico, crea ovviamente situazioni inspiegabili dal punto di vista della fisica classica e della nozione di causa a cui siamo abituati. Tuttavia, a livello quantistico le cose cambiano poiché gli oggetti non esistono solo in un unico stato ben definito: “le proprietà delle particelle quantistiche sono di per se stesse poco chiare, e offrono quindi spazio di manovra per evitare le inconsistenze che si vengono a creare nelle situazioni di viaggio nel tempo”, spiega Tim Ralph, uno degli autori della ricerca. L’esperimento con i fotoni conferma che grazie alla sovrapposizione quantistica lo stato quantico corrispondente al viaggiatore del tempo, in questo caso un fotone, non va mai inteso come qualcosa che esiste in modo univoco e definito, ma come una specie di “miscuglio di esistente e di non esistente”.

Faccio un po’ fatica ad accettare una traduzione degli stati quantici nei termini di proposizioni che affermano e negano l’esistenza di qualcosa (ma questo è un altro problema). Nonostante ciò, va ricordato che le CTC non solo sono consistenti con la meccanica quantistica, ma anche con la geometrie e la fisica dei buchi neri, cosa che fino ad oggi nessuno ha potuto testare realmente.

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