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Motherboard

Quando il futuro determina il passato

I fisici stanno lavorando per dimostrare l'ennesima astrusa proprietà del mondo quantico: la simmetria temporale.

di Michael Byrne
19 febbraio 2015, 11:03am

​Immagine: Bobo Boom/Flickr

Nuovi esperimenti condotti alla Washington University St. Louis offrono un'ulteriore dimostrazione di una delle implicazioni più complesse del mondo quantistico: la simmetria temporale. Come mostrato dal fisico Kater Murch e dal suo gruppo, la simmetria temporale è il futuro che influenza il presente. Quello che potrebbe essere fatto ad una particella tra cinque minuti da adesso aiuta a determinare cosa è successo alla particella cinque minuti fa.

Siamo costretti nel tempo a causa dell'organizzazione. Abbiamo il passato, che è solo uno spazio di non-possibilità. Il passato per noi è un binario di guida fisso, un'eliminazione ferma di opzioni che culmina in questo preciso momento. E questo universo che va in avanti sembra una cosa ragionevole, per quanto metta ansia.

Nel Grand Central Terminal di ogni cosa, ci siamo fermati al tabellone delle partenze e abbiamo fatto una scelta, siamo saliti su un treno ed eccoci su un espresso per Newbury (o qualsiasi altro posto). Abbiamo lasciato ogni altro treno e destinazione indietro, e quei treni sono partiti a loro volta, e tu non sei su nessuno di loro. Le loro destinazioni non sono disponibili.

Perché dovrebbe essere così? Be', causalità, per dirne una. Siamo trascinati generalmente in avanti da cose che capitano che causano l'accadere di altre cose o sono la causa dell'accadere con maggiore probabilità di altre cose. Sembrerebbe che l'alternativa sia che non accada mai niente, e noi restiamo lì fermi a guardare il tabellone delle partenze, senza mai scegliere dove andare ma senza neanche mai accadere davvero.

Dunque questa è la vita, ma la nostra realtà vissuta difficilmente è tutto. Se l'universo ha una prospettiva più fondamentale sul tempo, può darsi che sia totalmente a prescindere dal tempo. Questa è l'esistenza nel reame quantistico, dove gli eventi del nostro mondo classico sono scambiati per stati indeterminati dove tutte le possibilità possono coesistere come un paesaggio, anziché come il singolo frame di "presente" di cui abbiamo di solito esperienza. Il tempo diventa come lo spazio, e ogni direzione è valida quanto nord, sud, est e ovest.

Una conseguenza del tempo uguale allo spazio è la retrocausalità, per cui il futuro è libero di influenzare il passato. Immaginate che, in certo momento futuro, state per imparare qualcosa, un frammento di nuove informazioni. Queste nuove informazioni in un mondo temporalmente-agnostico vi raggiungerebbero (in qualche modo) mentre ancora siete a Grand Central e non avete preso una decisione, e allora scegliereste in base a queste notizie dal futuro. 

La causa non è ancora successa, ma in qualche modo riesce ad avere effetto sul passato. Il che comporta qualche ovvio problema teorico.

L'idea generale sondata da Murch e dal suo gruppo è chiamata propriamente post-selezione. Invece del Grand Central Terminal, immaginate uno stato quantistico come una moneta bloccata in uno stato di lancio perpetuo, che non fa altro che girare là a mezz'aria rifiutandosi di cadere e scegliere tra testa o croce. Tale è la realtà quantistica, per lo più, che è guarda caso il tessuto di ogni cosa. Possiamo fare in modo che questa realtà quantistica si comporti "normalmente" misurandola, forzandola ad essere o testa, o croce. Ma per quanto a lungo la guardiamo roteare, possiamo solo predire un risultato 50/50 ogni volta. Osservare il passato della moneta non fa differenza in questo caso.

È ciò che significa essere indeterminati. La moneta è sia testa che croce, allo stesso momento 100 percento testa, 100 percento croce. Una sovrapposizione. L'esperimento di Murch ha sostituito la moneta con un qubit, che è una particella preparata in modo tale che esiste in una sovrapposizione di due stati diversi. Il gruppo ha giocato a un gioco di indovinelli in cui la particella era misurata, così da dover scegliere uno stato solo, ma i risultati di quella misura erano nascosti agli scienziati.

Murch e il suo gruppo hanno poi compiuto una serie di misure "deboli" sulla particella. Una misura debole è una sorta di trucco, una misurazione a energia bassissima, in cui la particella e lo strumento di misurazione sono accoppiati in modo tale che alcune limitate informazioni riguardo la particella possano essere raccolte, senza disturbarla.

L'idea alla base è che uno stato quantistico può essere misurato molto debolmente ma con molte ripetizioni, permettendo una risposta più significativa basata su statistiche nel tempo.

E guardando l'esperimento procedere avanti nel tempo, rimane impossibile dire con più del 50/50 di esattezza che cosa sarà lo stato finale in cui si troverà la particella. Ma, se guardiamo l'esperimento al contrario, seguendo la linea temporale della particella dal suo futuro al suo passato, Murch e compagnia hanno scoperto che si può stabilire un risultato corretto al 90 percento. Le implicazioni sono che ogni cosa che è successa alla paricella/stato dopo la misurazione forte, influenza la misurazione forte stessa… nel passato.

"Abbiamo dimostrato che l'uso del formalismo di traiettoria quantistica per dedurre lo stato quantistico di un qubit superconduttore ha condizionato il risultato di una misurazione continua," concludono Murch e il suo gruppo. "Abbiamo anche dimostrato un effetto quantistico a posteriori, dove sondare un sistema quantistico modifica e migliora le previsioni riguardo misure già effettuate nel passato."

"Ho sempre pensato che la misurazione avrebbe risolto la simmetria temporale nella meccanica quantistica," ha specificato Murch in una dichiarazione. "Se misuriamo una particella in una sovrapposizione di stati e questa collassa in uno dei due stati, beh, sembra un processo che va avanti nel tempo."

I risultati di Murch non sono una tantum. Un costante flusso di esperimenti, condotti per lo più negli ultimi cinque anni circa, ha offerto simili scoperte. Quando sondiamo il futuro di qualche cosa quantistica, sembra che influenziamo il passato di quella cosa. Non interamente, ovviamente, ma significativamente o in modo non trascurabile.

Interpretatelo come volete. Siamo sempre massicce organizzazioni di particelle, non particelle, dunque siamo soggetti all'entropia e a tutte le sue trappole (come il tempo). Ma, a livello quantistico, l'indeterminatezza si sta scheggiando lentamente, lasciando qualcosa che somiglia più a un loop chiuso. Ciò che è era e sarà, o come ha messo le cose il fisico e matematico Hermann Weyl nel 1949, "Il mondo obiettivo semplicemente è, non accade." Eppure non viviamo esattamente in quel mondo.

"Non penso troppo alla filosofia di questa cosa, ma ci vogliono tempo e molti esperimenti per arrivare a delle conclusioni," mi ha detto Murch. "il mondo classico è molto differente da quello quantistico, gli oggetti hanno uno stato definito e proprietà spaziali, due cose che gli stati quantistici non hanno. Dunque, nel mondo classico non è una sorpresa che la conoscenza a posteriori sia 20/20, ma dal momento che l'incertezza e l'indefinitezza sono intrinseche alle materie quantistiche, la faccenda non è così lineare."

In una delle sue famose lezioni, Richard Feynman parlò di questo pasticcio—e persino di cosa siano i pasticci, e di come i pasticci guidino il tempo e lo trasformino in una freccia. Una freccia di pasticci. Che è quel che succede quando sommi mucchi di loop chiusi, a costruire e costruire cose enormi come un cervello umano.

"Mentre cresciamo in questa gerarchia di complessità, vediamo cose come muscoli che si contraggono, o impulsi nervosi, che sono cose enormemente complicate nel mondo fisico, che coinvolge un'organizzazione di materia ad una complessità davvero elaborata," ha detto. "Poi vengono cose come "rana". E poi andiamo avanti e arriviamo a parole e concetti come "uomo" e "storia" o "convenienza politica", e via dicendo, una serie di concetti che usiamo per capire cose ad un livello ancora più alto."

Feynman continua: "Andando avanti, arriviamo a cose come il male e la bellezza e la speranza. Che è più vicina a Dio; se posso usare una metafora religiosa. La bellezza e la speranza, o le leggi fondamentali?"

L'articolo di Murch è disponibile in formato open-access su arXiv.org.