"Il tempo accelerava, rallentava o addirittura si fermava": un fisico dimostra una teoria chiave del tempo costruendo un 'mini-universo' nel suo laboratorio. / 'Time was speeding up, slowing down, or even stopping': Physicist demonstrates a key theory of time by building a 'mini-universe' in his lab
"Il tempo accelerava, rallentava o addirittura si fermava": un fisico dimostra una teoria chiave del tempo costruendo un 'mini-universo' nel suo laboratorio. / 'Time was speeding up, slowing down, or even stopping': Physicist demonstrates a key theory of time by building a 'mini-universe' in his lab
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Illustrazione di un universo che si forma all'interno di una bolla microscopica. Una nuova ricerca ha creato un "mini-universo" analogo a partire da una nuvola di atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, per poi modellare il modo in cui il tempo emerge da questo sistema in miniatura. / An illustration of a universe forming within a microscopic bubble. New research created a "mini-universe" analogue from a cloud of atoms chilled to near-absolute-zero, then modeled how time emerged from the miniature system.
Ignorando parte del suo stesso esperimento, un fisico è riuscito a far emergere il tempo da un sistema quantistico chiuso.
Per la prima volta, un fisico ha osservato sperimentalmente l'emergere del tempo dall'interno di un sistema quantistico isolato, creando un "mini-universo". Questo bizzarro esperimento solleva un interrogativo intrigante: se all'universo non esiste nulla al di fuori di esso, da dove proviene il tempo?
In un nuovo studio pubblicato l'11 giugno sulla rivista Physical Review Research , Giovanni Barontini , fisico sperimentale dell'Università di Birmingham nel Regno Unito, ha utilizzato una nube di atomi ultrafreddi per costruire il suo mini-universo. Il sistema era così ben isolato dall'ambiente circostante che, come l'universo stesso, non aveva nulla di esterno da usare come orologio. Ha diviso il sistema in due e ha ignorato una metà – quella che ha chiamato il "settore oscuro" – per dimostrare che il tempo può nascere interamente dall'interno del sistema.
Il risultato offre la prima analisi sperimentale del perché l'universo abbia un tempo. "Quando si mette tutto insieme, le cose iniziano davvero ad avere un senso", ha detto Barontini a Live Science.
"Come il tempo all'interno del sistema accelerasse, rallentasse o addirittura si fermasse, è stato davvero sorprendente, quanto bene tutto combaciasse. In un certo senso, in modo molto preciso. Cosa che non accade spesso negli esperimenti."
Questo lavoro rappresenta una verifica sperimentale di idee che circolano da decenni nella cosmologia quantistica e nella termodinamica. Non si tratta di un'affermazione clamorosa secondo cui il tempo è un'illusione, ma è la prima volta che qualcuno sottopone queste idee a un test quantitativo diretto in laboratorio.
Un universo senza nulla al di fuori
Barontini si è proposto di esaminare un problema che assilla i fisici da quasi 60 anni. L'equazione di Wheeler-DeWitt – un'equazione centrale nella gravità quantistica, il campo che cerca di unificare la teoria della gravità di Einstein con la meccanica quantistica – descrive l'universo come un sistema unico privo di un parametro temporale esterno. Non esiste un orologio cosmico che scandisce il tempo al di fuori dell'universo. Da dove proviene, quindi, la nostra percezione del tempo?
Un'idea influente, chiamata tempo relazionale, sostiene che il tempo non esista come ingrediente fondamentale della realtà. Piuttosto, emerge dalle relazioni all'interno dell'universo, con una parte del sistema che funge da orologio per un'altra. Tuttavia, questa idea non era mai stata testata direttamente in laboratorio.
L'ispirazione di Barontini è nata guardando suo figlio giocare con i mattoncini da costruzione. "Ho pensato che fosse qualcosa di molto simile a quello che facciamo nei nostri laboratori", ha dichiarato a Live Science. "Giochiamo con giocattoli molto costosi. Creiamo i nostri piccoli campioni di realtà."
Nel suo laboratorio, quel campione è un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia che si forma solo in prossimità dello zero assoluto. In un condensato di Bose-Einstein, migliaia di atomi rallentano fino a quasi fermarsi e si fondono in un unico oggetto quantistico, comportandosi come un'unica entità.
Il lato oscuro del tempo
Per simulare un universo privo di qualsiasi altra cosa al di fuori di esso, Barontini collocò il condensato in una trappola e lo divise a metà con un sottile fascio di luce laser. Osservò attentamente una metà, il "settore luminoso", ignorando deliberatamente l'altra metà, che chiamò "settore oscuro".
Gli atomi nel settore luminoso si agitavano avanti e indietro nella trappola, traboccando periodicamente oltre la barriera e ritornandovi. Barontini chiamò i momenti in cui gli atomi inondavano il settore luminoso "Big Bang" ed i momenti in cui ne uscivano "Big Crunch" (il soprannome di una teoria sulla fine dell'universo, secondo la quale l'universo collasserebbe su se stesso). In seguito, tracciò come l'entropia – una misura del disordine, ovvero di quanto l'energia sia diffusa all'interno di un sistema – venisse scambiata tra le due metà man mano che gli atomi attraversavano la barriera.
Invece di usare il tempo di laboratorio per scandire gli eventi, ha costruito un "tempo entropico", un orologio definito interamente dalla quantità di entropia che fluiva tra le due metà del sistema. Se l'entropia fluiva, il tempo scorreva. Se non c'era scambio di entropia, il tempo si fermava. "Lo scambio di entropia tra i due sistemi poteva essere trasformato in una variabile temporale interna", ha affermato Barontini.
Il tempo accelera, rallenta e si ferma.
Ciò che più sorprese Barontini fu la precisione con cui ogni elemento si incastrava alla perfezione. Il tempo interno, di natura entropica, ordinava in modo affidabile gli eventi nel settore luminoso. Corrispondeva alla sequenza osservata nel tempo di laboratorio, ma scorreva ad una velocità diversa.
Quando l'entropia fluiva tra i settori, il tempo entropico scorreva velocemente. Quando lo scambio rallentava, anche l'orologio rallentava. E quando le due metà raggiungevano l'equilibrio (nessun flusso di entropia), l'orologio interno si fermava completamente.
Sia il tempo che la freccia del tempo — forse nascono semplicemente dall'ignoranza.
"Il tempo accelerava, rallentava od addirittura si fermava, a seconda di cosa stesse facendo il sistema", ha detto Barontini.
Ha poi fatto un ulteriore passo avanti: utilizzando questo tempo interno, ha derivato una versione dell'equazione di Schrödinger e ha dimostrato che riproduceva accuratamente ciò che aveva osservato nell'esperimento. "È stato piuttosto sorprendente, quanto bene tutto si sia incastrato", ha affermato, "in modo molto preciso, in un certo senso, cosa che non accade spesso negli esperimenti".
Sia il tempo in sé che la freccia del tempo – il motivo per cui il tempo scorre in una direzione piuttosto che nell'altra – potrebbero derivare dalla stessa fonte: un osservatore che rinuncia a informazioni. Quando Barontini scelse di non guardare il settore oscuro, rinunciò alla conoscenza di quella metà del sistema. Quell'atto di ignoranza, codificato nell'entropia, è ciò che ha dato origine al tempo nell'altra metà.
«Sia il tempo che la freccia del tempo – forse nascono semplicemente dall'ignoranza», ha affermato Barontini. «Per avere tempo e per osservare, bisogna rinunciare a qualche grado di libertà».
Barontini ritiene che questo sia solo l'inizio. Lo stesso kit di strumenti per atomi freddi che ha generato un Big Bang e un Big Crunch in miniatura nella sua trappola potrebbe, in linea di principio, essere progettato per simulare fenomeni ben più esotici, come analoghi di buchi neri, le condizioni dell'universo primordiale e ciò che accadrà al momento del Big Crunch stesso.
"Sono cose che possiamo fare in modo molto semplice, utilizzando gli strumenti che già possediamo per progettare i nostri sistemi", ha affermato.
Lo studio rappresenta una prova di concetto: una prima dimostrazione che i sistemi quantistici controllati possono fungere da banco di prova per alcune questioni ancora irrisolte in fisica . Per ora, tali questioni restano aperte.
ENGLISH
By ignoring part of his own experiment, a physicist coaxed time to emerge from within a closed quantum system.
For the first time, a physicist has experimentally watched time emerge from within an isolated quantum system — by creating a “mini-universe.” This bizarre experiment raises an intriguing question: If the universe has nothing outside it, where does time come from?
In a new study published June 11 in the journal Physical Review Research, Giovanni Barontini, an experimental physicist at the University of Birmingham in the U.K., used a cloud of ultracold atoms to build his mini-universe. The system was so well isolated from its surroundings that, like the universe itself, it had nothing external to use as a clock. He split that system in two and ignored one half — what he called the "dark sector" — to show that time could arise entirely from within the system.
The result offers the first experimental look on why the universe has time at all. "When you put everything together, things really start to make sense," Barontini told Live Science. "How time inside the system was speeding up or slowing down, or even stopping — this was quite surprising, how well everything came together. Very neatly, in a way. Which is something that doesn't happen that often in experiments."
The work is an experimental verification of ideas that have been floating around in quantum cosmology and thermodynamics for decades. This is not a bombshell claim that time is an illusion, but it is the first time anyone has put those ideas to a direct, quantitative test in the lab.
A universe with nothing outside
Barontini set out to look at a problem that physicists have puzzled over for nearly 60 years. The Wheeler-DeWitt equation — a central equation in quantum gravity, the field that seeks to unify Einstein’s theory of gravity with quantum mechanics — describes the universe as a whole system with no external time parameter. There is no cosmic clock ticking away outside the universe. So where does our experience of time come from?
One influential idea, called relational time, says that time doesn't exist as a fundamental ingredient of reality. Instead, it emerges from relationships inside the universe, with one part of the system acting as a clock for another. But this idea had never been tested directly in the lab.
Barontini's inspiration came from watching his son play with building toys. "I thought that it's something very similar to what we do in our labs," he told Live Science. "We play with very expensive toys. We create our own small samples of reality."
In his lab, that sample is a Bose-Einstein condensate — a state of matter that forms only at near absolute zero. In a Bose-Einstein condensate, thousands of atoms slow to a near standstill and blur together into a single quantum object, behaving as one.
The dark side of time
To mimic a universe with nothing outside it, Barontini placed the condensate in a trap and divided it down the middle with a thin sheet of laser light. He watched one half, the "bright sector," closely and deliberately ignored the other half, which he called the "dark sector."
The atoms in the bright sector sloshed back and forth in the trap, periodically spilling over the barrier and back again. Barontini called the moments when atoms flooded into the bright sector the "Big Bang" and the times when they drained out the "Big Crunch" (the nickname for one theory of how the universe will end, with the universe collapsing in on itself). Then, he tracked how entropy — a measure of disorder, or how spread out energy is within a system — was exchanged between the two halves as atoms crossed the barrier.
Instead of using laboratory time to order events, he built an "entropic time" — a clock defined entirely by how much entropy was flowing between the two halves of the system. If entropy was flowing, time was ticking. If no entropy was exchanged, time stopped. "The entropy exchange between the two systems could be transformed into an internal time variable," Barontini said.
Time speeds up, slows down and stops
What surprised Barontini most was how cleanly everything fit together. The internal, entropic time reliably ordered events in the bright sector. It matched the sequence seen in laboratory time, but it flowed at a different rate.
When entropy was flooding between the sectors, entropic time ran fast. When the exchange slowed, so did the clock. And when the two halves reached equilibrium (no more entropy flowing), the internal clock stopped altogether.
Both time and the arrow of time — maybe they just are born from ignorance.
"Time was speeding up or slowing down, or even stopping, depending on what the system was doing," Barontini said.
He then went a step further: Using this internal time, he derived a version of the Schrödinger equation and showed it accurately reproduced what he saw in the experiment. "This was quite surprising, how well everything came together," he said — "very neatly, in a way, which is something that doesn't happen that often in experiments."
Both time itself and the arrow of time — why time flows in one direction rather than the other — may arise from the same source: an observer giving up information. When Barontini chose not to look at the dark sector, he gave up knowledge of that half of the system. That act of ignorance, encoded in entropy, is what gave rise to time in the other half.
"Both time and the arrow of time — maybe they just are born from ignorance," Barontini said. "To have time and to observe, you have to give up some degrees of freedom."
Barontini sees this as just the beginning. The same cold-atom tool kit that generated a miniature Big Bang and Big Crunch in his trap could, in principle, be engineered to simulate far more exotic phenomena, such as black hole analogues, the conditions of the early universe, and what will happen at the moment of the Big Crunch itself.
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