Enigma del tempo

Il tempo è sempre stato un problema. In primo luogo, era difficile anche per le menti più brillanti capire cosa fosse veramente il tempo. Oggi, quando ci sembra di capirlo in una certa misura, molti credono che senza di esso, almeno nel senso tradizionale, sarà più comodo.

"" Scritto da Isaac Newton. Credeva che il tempo potesse essere veramente compreso solo matematicamente. Per lui, il tempo assoluto unidimensionale e la geometria tridimensionale dell'Universo erano aspetti indipendenti e separati della realtà oggettiva, e in ogni momento del tempo assoluto tutti gli eventi nell'Universo si verificavano simultaneamente.

Con la sua teoria della relatività speciale, Einstein ha rimosso il concetto di tempo simultaneo. Secondo la sua idea, la simultaneità non è una relazione assoluta tra gli eventi: ciò che è simultaneamente in un quadro di riferimento non sarà necessariamente simultaneamente in un altro.

Un esempio della comprensione del tempo di Einstein è il muone dei raggi cosmici. È una particella subatomica instabile con una vita media di 2,2 microsecondi. Si forma nell'alta atmosfera e, sebbene prevediamo che viaggi solo per 660 metri (alla velocità della luce 300 km/s) prima di disintegrarsi, gli effetti di dilatazione del tempo consentono ai muoni cosmici di viaggiare per oltre 000 chilometri fino alla superficie terrestre. e inoltre. . In un sistema di riferimento con la Terra, i muoni vivono più a lungo a causa della loro alta velocità.

Nel 1907, l'ex insegnante di Einstein, Hermann Minkowski, introdusse lo spazio e il tempo come. Lo spaziotempo si comporta come una scena in cui le particelle si muovono nell'universo l'una rispetto all'altra. Tuttavia, questa versione dello spaziotempo era incompleta (Guarda anche: ). Non includeva la gravità fino a quando Einstein non introdusse la relatività generale nel 1916. Il tessuto dello spazio-tempo è continuo, liscio, deformato e deformato dalla presenza di materia ed energia (2). La gravità è la curvatura dell'universo, causata da corpi massicci e altre forme di energia, che determina il percorso che gli oggetti prendono. Questa curvatura è dinamica, si muove come si muovono gli oggetti. Come dice il fisico John Wheeler, "Lo spaziotempo prende il sopravvento sulla massa dicendogli come si muove, e la massa prende il sopravvento sullo spaziotempo dicendogli come curvarsi".

2. Lo spazio-tempo di Einstein

Il tempo e il mondo quantistico

La teoria generale della relatività considera il passare del tempo come continuo e relativo e considera il passare del tempo universale e assoluto nella fetta selezionata. Negli anni '60, un tentativo riuscito di combinare idee precedentemente incompatibili, meccanica quantistica e relatività generale portò a quella che è nota come equazione di Wheeler-DeWitt, un passo verso la teoria gravità quantistica. Questa equazione ha risolto un problema ma ne ha creato un altro. Il tempo non ha alcun ruolo in questa equazione. Ciò ha portato a una grande controversia tra i fisici, che chiamano il problema del tempo.

Carlo Rovelli (3), un moderno fisico teorico italiano ha un'opinione precisa su questo argomento. “, ha scritto nel libro “Il segreto del tempo”.

3. Carlo Rovelli e il suo libro

Coloro che sono d'accordo con l'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica credono che i processi quantistici obbediscano all'equazione di Schrödinger, che è simmetrica nel tempo e deriva dal collasso d'onda di una funzione. Nella versione quantomeccanica dell'entropia, quando l'entropia cambia, non è il calore che scorre, ma l'informazione. Alcuni fisici quantistici affermano di aver trovato l'origine della freccia del tempo. Dicono che l'energia si dissipa e gli oggetti si allineano perché le particelle elementari si legano insieme mentre interagiscono in una forma di "entanglement quantistico". Einstein, insieme ai suoi colleghi Podolsky e Rosen, ha trovato questo comportamento impossibile perché contraddiceva la visione realista locale della causalità. Come possono le particelle lontane l'una dall'altra interagire tra loro in una volta, hanno chiesto.

Nel 1964 sviluppò un test sperimentale che smentiva le affermazioni di Einstein sulle cosiddette variabili nascoste. Quindi, è opinione diffusa che le informazioni viaggino tra particelle aggrovigliate, potenzialmente più velocemente di quanto la luce possa viaggiare. Per quanto ne sappiamo, il tempo non esiste per particelle aggrovigliate (4).

Un gruppo di fisici dell'Università Ebraica guidato da Eli Megidish a Gerusalemme ha riferito nel 2013 di essere riusciti a intrappolare fotoni che non coesistevano nel tempo. Innanzitutto, nel primo passaggio, hanno creato una coppia di fotoni entangled, 1-2. Poco dopo, hanno misurato la polarizzazione del fotone 1 (una proprietà che descrive la direzione in cui oscilla la luce) - in tal modo "uccidendolo" (stadio II). Il fotone 2 è stato inviato in viaggio e si è formata una nuova coppia 3-4 intrecciata (fase III). Il fotone 3 è stato quindi misurato insieme al fotone viaggiante 2 in modo tale che il coefficiente di entanglement "cambiasse" dalle vecchie coppie (1-2 e 3-4) al nuovo combinato 2-3 (fase IV). Qualche tempo dopo (stadio V) viene misurata la polarità dell'unico fotone 4 sopravvissuto e i risultati vengono confrontati con la polarizzazione del fotone 1 morto da tempo (di nuovo allo stadio II). Risultato? I dati hanno rivelato la presenza di correlazioni quantistiche tra i fotoni 1 e 4, "temporalmente non locali". Ciò significa che l'entanglement può verificarsi in due sistemi quantistici che non sono mai coesistiti nel tempo.

Megiddish ei suoi colleghi non possono fare a meno di speculare su possibili interpretazioni dei loro risultati. Forse la misurazione della polarizzazione del fotone 1 nel passaggio II dirige in qualche modo la futura polarizzazione di 4, o la misurazione della polarizzazione del fotone 4 nel passaggio V in qualche modo riscrive lo stato di polarizzazione precedente del fotone 1. Sia in avanti che all'indietro, le correlazioni quantistiche si propagano al vuoto causale tra la morte di un fotone e la nascita di un altro.

Cosa significa questo su scala macro? Gli scienziati, discutendo le possibili implicazioni, parlano della possibilità che le nostre osservazioni della luce stellare abbiano in qualche modo dettato la polarizzazione dei fotoni 9 miliardi di anni fa.

Una coppia di fisici americani e canadesi, Matthew S. Leifer della Chapman University in California e Matthew F. Pusey del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, hanno notato qualche anno fa che se non ci atteniamo al fatto che Einstein. Le misurazioni effettuate su una particella possono riflettersi nel passato e nel futuro, il che diventa irrilevante in questa situazione. Dopo aver riformulato alcuni presupposti di base, gli scienziati hanno sviluppato un modello basato sul teorema di Bell in cui lo spazio si trasforma in tempo. I loro calcoli mostrano perché, supponendo che il tempo sia sempre avanti, inciampiamo nelle contraddizioni.

Secondo Carl Rovelli, la nostra percezione umana del tempo è indissolubilmente legata al modo in cui si comporta l'energia termica. Perché conosciamo solo il passato e non il futuro? La chiave, secondo lo scienziato, flusso unidirezionale di calore dagli oggetti più caldi a quelli più freddi. Un cubetto di ghiaccio gettato in una tazza di caffè calda raffredda il caffè. Ma il processo è irreversibile. L'uomo, come una sorta di "macchina termodinamica", segue questa freccia del tempo e non riesce a capire un'altra direzione. «Ma se osservo uno stato microscopico», scrive Rovelli, «scompare la differenza tra passato e futuro... nella grammatica elementare delle cose non c'è distinzione tra causa ed effetto».

Tempo misurato in frazioni quantistiche

O forse il tempo può essere quantizzato? Una nuova teoria emergente di recente suggerisce che il più piccolo intervallo di tempo concepibile non può superare il milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo. La teoria segue un concetto che è almeno la proprietà di base di un orologio. Secondo i teorici, le conseguenze di questo ragionamento possono aiutare a creare una "teoria del tutto".

Il concetto di tempo quantistico non è nuovo. Modello di gravità quantistica propone che il tempo sia quantizzato e abbia un certo tick rate. Questo ciclo di ticking è l'unità minima universale e nessuna dimensione temporale può essere inferiore a questa. Sarebbe come se ci fosse un campo alla base dell'universo che determina la velocità minima di movimento di ogni cosa in esso contenuta, dando massa ad altre particelle. Nel caso di questo orologio universale, "invece di dare massa, darà tempo", spiega un fisico che propone di quantizzare il tempo, Martin Bojowald.

Simulando un tale orologio universale, lui ei suoi colleghi del Pennsylvania State College negli Stati Uniti hanno dimostrato che avrebbe fatto la differenza negli orologi atomici artificiali, che utilizzano le vibrazioni atomiche per produrre i risultati più accurati conosciuti. misurazioni del tempo. Secondo questo modello, l'orologio atomico (5) a volte non si sincronizzava con l'orologio universale. Ciò limiterebbe l'accuratezza della misurazione del tempo a un singolo orologio atomico, il che significa che due diversi orologi atomici potrebbero finire per non corrispondere alla lunghezza del periodo trascorso. Dato che i nostri migliori orologi atomici sono coerenti tra loro e possono misurare tick fino a 10-19 secondi, o un decimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo, l'unità di tempo di base non può essere superiore a 10-33 secondi. Queste le conclusioni di un articolo su questa teoria apparso a giugno 2020 sulla rivista Physical Review Letters.

5. Orologio atomico a base di lutezio presso l'Università Nazionale di Singapore.

Testare l'esistenza di una tale unità di tempo di base va oltre le nostre attuali capacità tecnologiche, ma sembra comunque più accessibile rispetto alla misurazione del tempo di Planck, che è 5,4 × 10–44 secondi.

L'effetto farfalla non funziona!

Rimuovere il tempo dal mondo quantistico o quantizzarlo può avere conseguenze interessanti, ma siamo onesti, l'immaginazione popolare è guidata da qualcos'altro, ovvero il viaggio nel tempo.

Circa un anno fa, il professore di fisica dell'Università del Connecticut Ronald Mallett ha detto alla CNN di aver scritto un'equazione scientifica che potrebbe essere utilizzata come base per macchina del tempo reale. Ha persino costruito un dispositivo per illustrare un elemento chiave della teoria. Crede che sia teoricamente possibile trasformando il tempo in un cicloche permetterebbe un viaggio nel tempo nel passato. Ha persino costruito un prototipo che mostra come i laser possono aiutare a raggiungere questo obiettivo. Va notato che i colleghi di Mallett non sono convinti che la sua macchina del tempo si materializzerà mai. Anche Mallett ammette che la sua idea è del tutto teorica a questo punto.

Alla fine del 2019, New Scientist ha riferito che i fisici Barak Shoshani e Jacob Hauser del Perimeter Institute in Canada hanno descritto una soluzione in cui una persona potrebbe teoricamente viaggiare da un feed di notizie al secondo, di passaggio attraverso un buco spazio tempo o un tunnel, come si suol dire, "matematicamente possibile". Questo modello presuppone che ci siano diversi universi paralleli in cui possiamo viaggiare e presenta un grave inconveniente: il viaggio nel tempo non influisce sulla linea temporale dei viaggiatori. In questo modo si possono influenzare altri continuum, ma quello da cui abbiamo iniziato il viaggio rimane invariato.

E poiché siamo nello spazio-tempo continua, quindi con l'aiuto di computer quantistico Per simulare il viaggio nel tempo, gli scienziati hanno recentemente dimostrato che non esiste alcun "effetto farfalla" nel regno quantico, come si vede in molti film e libri di fantascienza. Negli esperimenti a livello quantico, danneggiati, apparentemente quasi immutati, come se la realtà si guarisse da sola. Un articolo sull'argomento è apparso quest'estate su Psysical Review Letters. "Su un computer quantistico, non ci sono problemi né con la simulazione dell'evoluzione opposta nel tempo, né con la simulazione del processo di spostamento del processo indietro nel passato", ha spiegato Mikolay Sinitsyn, fisico teorico presso il Los Alamos National Laboratory e co- autore dello studio. Lavoro. “Possiamo davvero vedere cosa succede al complesso mondo quantistico se torniamo indietro nel tempo, aggiungiamo qualche danno e torniamo indietro. Scopriamo che il nostro mondo primordiale è sopravvissuto, il che significa che non esiste alcun effetto farfalla nella meccanica quantistica».

Questo è un duro colpo per noi, ma anche una buona notizia per noi. Il continuum spazio-temporale mantiene l'integrità, non permettendo a piccoli cambiamenti di distruggerlo. Come mai? Questa è una domanda interessante, ma un argomento leggermente diverso dal tempo stesso.