Un 'mini-universo' da 24.000 atomi mostra come il tempo scaturisca dall'entropia

Il professor Giovanni Barontini e il suo team dell'Università di Birmingham hanno costruito un "mini-universo" da tavolo che offre una risposta sorprendente a una delle domande più profonde della fisica: che cos'è il tempo? Raffreddando circa 24.000 atomi di rubidio-87 a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, formando un condensato di Bose-Einstein, e dividendo la nube con una sottile barriera laser, i ricercatori hanno creato un sistema quantistico chiuso con due settori distinti: un settore 'luminoso' (osservato) e uno 'oscuro' (nascosto). L'esperimento, pubblicato su Physical Review Research, fornisce la prima prova di laboratorio controllata che una freccia del tempo coerente può emergere dall'interno di un sistema completamente isolato, basandosi esclusivamente sullo scambio di entropia tra le sue parti, senza alcun orologio esterno.

Il problema del tempo e la soluzione in laboratorio

L'esperimento affronta un rompicapo teorico di lunga data nella gravità quantistica noto come il "problema del tempo". Nella formulazione di Wheeler-DeWitt, un approccio canonico per unificare la meccanica quantistica e la relatività generale, l'universo nel suo insieme è descritto da un'equazione indipendente dal tempo. Questo suggerisce che il cosmo non ha un orologio esterno predefinito. Se il tempo è reale, deve quindi emergere in modo relazionale dall'interno del sistema. Il team di Barontini ha deciso di testare fisicamente questo concetto.

Per farlo, hanno creato un condensato di Bose-Einstein – uno stato della materia in cui atomi ultrafreddi si comportano come un unico oggetto quantistico coerente – mantenendolo in una trappola conservativa e indipendente dal tempo. Una parete laser ottica finemente calibrata ha poi diviso questa nube in un settore 'luminoso' (osservato) e uno 'oscuro' (non osservato), permettendo agli atomi di attraversare la barriera tramite effetto tunnel. Un aspetto cruciale è che l'entropia fine (globale) del sistema rimane costante, una caratteristica distintiva di un sistema chiuso e isolato. Qualsiasi cambiamento nell'entropia 'coarse-grained' (approssimata per macro-stati) del settore luminoso deve quindi essere dovuto a uno scambio di entropia con il settore oscuro nascosto.

Le fasi di un cosmo in miniatura

Con il sistema sigillato e partizionato, il team ha tracciato l'evoluzione del settore luminoso, scoprendo una straordinaria serie di analogie cosmologiche.

Big Bang e Big Crunch ciclici

Il settore luminoso si è ripetutamente espanso e poi ricollassato man mano che gli atomi attraversavano la barriera laser, un ciclo che imita un "rimbalzo" cosmologico. Il momento in cui gli atomi iniziavano a popolare il settore luminoso è stato interpretato come un "Big Bang", mentre il loro completo ritorno nel settore oscuro segnava un "Big Crunch". Questo ciclo di espansione e collasso si è ripetuto molte volte, creando una storia cosmica in miniatura e ricorrente all'interno del laboratorio.

Il tempo entropico: un orologio interno

Da questo flusso e riflusso di atomi, i ricercatori hanno definito un "tempo entropico". Poiché l'entropia totale del sistema è conservata, il movimento direzionale degli atomi tra i settori ha creato un flusso di entropia misurabile e unidirezionale nel settore luminoso. Questo flusso è servito come un affidabile orologio interno che ha mostrato diverse proprietà sorprendenti:

• Una freccia coerente: Il tempo entropico è fluito in una direzione coerente, ordinando correttamente gli eventi attraverso molteplici cicli di espansione e ricollasso.
• Velocità variabile: L'orologio accelerava o rallentava a seconda della velocità dello scambio di entropia tra i settori.
• Previsione accurata: Barontini ha derivato un'equazione simile a quella di Schrödinger, parametrizzata da questo tempo interno ed entropico – e non dal tempo convenzionale di laboratorio – e ha dimostrato che riproduceva accuratamente l'evoluzione misurata del settore luminoso.

Morte termica e la fine del tempo

Quando la distribuzione degli atomi tra i settori luminoso e oscuro si è finalmente stabilizzata e ha smesso di cambiare, lo scambio di entropia si è fermato. A questo punto, dalla prospettiva del settore osservato, il tempo si è effettivamente arrestato – un analogo della morte termica (o 'big freeze') prevista per il nostro stesso universo.

Perché questo è importante per la nostra comprensione dell'universo

L'esperimento è rilevante perché sposta una questione fondamentale dalla speculazione teorica al regno della fisica sperimentale. Suddividendo un sistema quantistico chiuso e osservando il tempo emergere unicamente dalle dinamiche dell'entropia, il team ha fornito il primo banco di prova controllato per le costruzioni di tempo relazionale. I loro risultati supportano l'idea che il tempo non sia uno sfondo fondamentale ed esterno, ma piuttosto un fenomeno termodinamico che sorge quando un osservatore distingue un sottosistema – proprio come la distinzione tra i settori luminoso e oscuro – da un insieme più ampio e senza tempo. Questo universo in miniatura da tavolo offre ora una nuova finestra empirica per esplorare la fisica del cosmo reale.