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Un orologio che sopravvive alla morte termica dell’Universo

Immaginiamo un orologio capace di scandire il tempo “per sempre”. Cosa vuol dire “per sempre”? Poniamo che un orologio possa sopravvivere alla morte termica dell’Universo, a quel Big Crunch che ne segnerà la fine. Da tempo questa specie di orologio è oggetto di ricerche soprattutto tra i fisici teorici.

Scritto da Annalisa Arci il 25.09.2012

Un cristallo quadrimensionale in grado di misurare per sempre il tempo e di fornire importanti informazioni sul comportamento delle particelle nei sistemi complessi, dal problema a molti corpi per la teoria dei campi, all’entanglement  (o non-separabilità) per la fisica quantistica.

Immaginiamo un orologio capace di scandire il tempo “per sempre”. Cosa vuol dire “per sempre”? Poniamo che un orologio possa sopravvivere alla morte termica dell’Universo, a quel Big Crunch che ne segnerà la fine. Da tempo questa specie di orologio è oggetto di ricerche soprattutto tra i fisici teorici.

L’idea di base è abbastanza semplice, per quanto possa sembrare fumosa: si tratterebbe di costruire un dispositivo che possa teoricamente funzionare come un computer e che abbia un comportamento “periodico” nel tempo, in modo analogo a un pendolo. Qui la questione è molto più sottile e controversa. È legata alla possibilità che, in determinate condizioni, esistano sistemi che possano perdere la simmetria temporale continua ed esibire una simmetria periodica.

Questo cristallo spazio-tempo mostra (a) struttere periodiche sia nelo spazio che nel tempo (b) ioni ultrafreddi rotanti in una direzione anche allo stato di energia più basso. Credit: Xiang Zhang group, Berkeley Lab-UC Berkeley

I primi progressi in questa direzione si devono al premio Nobel Frank Wilczek, fisico del MIT. L’attenzione dello scienziato è stata catturata dalla simmetria che le strutture cristalline esibiscono, caratteristica che potrebbe consentirne l’esistenza anche nella quarta dimensione. Frank Wilczek parte da un’ipotesi: esistono sistemi dinamici “classici” che precipitano in una configurazione caratterizzata da un’energia minima diversa da zero, dunque non nulla e capace di garantire movimento. Questi sistemi percorrono particolari traiettorie ad una velocità costante, una specie di loop infinito (o moto periodico perpetuo).

La versione quantistica di questo fenomeno può essere intesa come segue. Consideriamo una collezione infinita di particelle cariche, tutte identiche e indotte a muoversi in un anello (le cosiddette ring-particles). Se le facciamo interagire, e l’interazione è attrattiva, tenderanno a raggrupparsi nello stesso luogo. Regolando l’intensità dell’interazione, al di sopra di un certo valore critico il sistema comincerà a comportarsi come un “grumo” di carica che si muove su una traiettoria ad energia costante. La rottura della simmetria traslazionale nel tempo sarà un effetto correlativo a questo moto. Si tratta insomma di un meccanismo in grado di far emergere spontaneamente un orologio da un sistema dinamico che inizialmente esibiva soltanto un’invarianza per traslazioni temporali. Fin qui l’idea sul piano concettuale. Come passare al piano empirico?

Un team internazionale di scienziati, guidati dai ricercatori del U.S. Department of Energy (Lawrence Berkeley National Laboratory), ha proposto un disegno sperimentale del cristallo spazio-temporale sul modello di un campo elettrico a repulsione ionica. “Il campo elettrico della trappola ionica trattiene le particelle cariche e l’effetto di repulsione coulombiana li induce a formare, nello spazio, un anello di cristallo”, spiega Xiang Zhang, uno degli studiosi del Berkeley Lab Materials Sciences Division che ha condotto questa ricerca. Grazie all’applicazione di un debole campo magnetico statico questo anello di cristallo inizierà a ruotare incessantemente. Ed è proprio questa incessante rotazione di ioni a “produrre” un ordine o direzione temporale, cui segue la formazione di un campo di spazio-tempo a bassa energia quantistica.
Un “cristallo spazio-temporale” è allora un dispositivo in cui gli atomi di cristallo, aventi uno stato energetico molto basso, ruoterebbero costantemente anche dopo l’implosione dell’Universo. La rotazione continua, in grado di mantenere bassa e costante l’energia, è pensata come uno schema ripetitivo a carattere periodico. 

I risultati della ricerca sulla creazione di un cristallo discreto nello spazio-tempo sono disponibili on line al seguente indirizzo: http://arxiv.org/pdf/1206.4772v1.pdf.  Tongcang Li, collaboratore di Xiang Zhang, spiega che “l’idea di creare un cristallo di dimensioni superiore a quella dei tradizionali cristalli 3D è un importante passo avanti concettuale in fisica ed è molto eccitante per noi essere i primi a trovare un modo per realizzare un cristallo spazio-temporale”. In pratica, un anello spaziale di ioni intrappolati in una incessante rotazione dovrebbe configurarsi come “l’analogo temporale” di un cristallo ordinario. Gli esempi più comuni di cristalli ordinari sono il ghiaccio, il sale e i fiocchi di neve. “La sfida principale sarà quella di raffreddare un anello di ioni al suo stato fondamentale”, precisa Xiang Zhang. “Si può sperare accada in un prossimo futuro, con lo sviluppo delle tecnologie a ‘trappola ionica’”.

La strada da fare è ancora lunga. Da un lato abbiamo una serie di interrogativi che non hanno ancora risposta: come fa un cristallo di spazio-tempo ad emergere? Da cosa è caratterizzato uno stato di simmetria quantistico? Quali sono gli effetti che il cristallo esercita sull’ordine spazio-temporale in cui si trova? Dall’altro, la mera possibilità di realizzare un “cristallo spazio-temporale” consente di pensare ai possibili sviluppi ed utilizzi. Dall’archiviazione e trasferimento di informazioni tra stati quantistici alla costruzione di nuovi dispositivi tecnologici in grado di studiare le particelle.

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