Il tempo nel mondo quantistico

Esiste il tempo nel mondo quantistico?

Sì, il tempo esiste nel mondo quantistico, ma la sua natura e il modo in cui interagisce con i fenomeni quantistici sono molto più complessi e meno intuitivi rispetto alla fisica classica.

Ecco alcuni punti chiave sulla questione del tempo nella meccanica quantistica:

 * Tempo come parametro esterno: Nella formulazione standard della meccanica quantistica, il tempo è spesso trattato come un parametro esterno e classico, simile a come viene trattato nella fisica newtoniana. L'evoluzione di un sistema quantistico è descritta dall'equazione di Schrödinger, che descrive come lo stato quantistico di un sistema cambia nel tempo. In questo senso, il tempo è una sorta di "orologio universale" che scorre in modo uniforme per tutti i sistemi.

 * Il "problema del tempo": Esiste un annoso "problema del tempo" in fisica teorica, che nasce dalla difficoltà di conciliare la descrizione del tempo nella meccanica quantistica con quella della relatività generale. La relatività generale descrive il tempo come una dimensione dinamica e relativa, strettamente intrecciata con lo spazio e influenzata dalla gravità. Questa visione è in netto contrasto con il tempo assoluto e universale della meccanica quantistica standard.

 * Tempo emergente dall'entanglement quantistico: Alcune ricerche recenti suggeriscono che il tempo potrebbe non essere un'entità fondamentale, ma emergere da un fenomeno quantistico chiamato entanglement. L'idea, proposta originariamente nel meccanismo di Page e Wootters, è che il tempo percepito per un sistema possa emergere dalle correlazioni quantistiche (entanglement) tra quel sistema e un altro sistema che funge da "orologio". In un sistema non entangled, il tempo non esisterebbe e l'universo apparirebbe congelato.

 * Operatore tempo: A differenza di altre grandezze fisiche in meccanica quantistica (come posizione o momento), non esiste un operatore autoaggiunto standard che rappresenti il tempo. Questo è legato a diverse problematiche teoriche e al fatto che il tempo è spesso considerato un parametro di evoluzione piuttosto che una variabile dinamica.

 * Tempo di tunneling: Esistono concetti come il "tempo di tunneling", che si riferisce alla durata del processo di tunneling quantistico (la capacità di una particella di attraversare una barriera di potenziale che classicamente non potrebbe superare). La definizione e la misurazione del tempo di tunneling sono ancora oggetto di dibattito e ricerca.

In sintesi, il tempo gioca un ruolo cruciale nella meccanica quantistica, ma la sua natura fondamentale e la sua relazione con gli altri aspetti della teoria (e con la relatività generale) rimangono questioni aperte e attivamente studiate nella fisica teorica moderna. L'idea che il tempo possa emergere dall'entanglement è una delle frontiere più affascinanti della ricerca attuale. 

E' vero che le equazioni quantistiche non hanno una direzione temporale specifica?

In una certa misura, è vero che alcune equazioni fondamentali della meccanica quantistica non mostrano una direzione temporale intrinseca, nel senso che sono invarianti sotto l'inversione temporale (simmetria T). Tuttavia, è importante fare delle precisazioni e considerare il quadro completo.

Ecco i punti chiave:

Equazioni fondamentali con simmetria T:

 * Equazione di Schrödinger (indipendente dal tempo): Questa equazione descrive gli stati stazionari di un sistema quantistico e non contiene esplicitamente la variabile tempo.

 * Equazione di Schrödinger (dipendente dal tempo): Se si inverte la direzione del tempo (t → -t) e si effettuano le opportune trasformazioni (come la coniugazione complessa della funzione d'onda), l'equazione di Schrödinger rimane formalmente valida. Questo significa che, a livello fondamentale, le leggi che governano l'evoluzione quantistica non distinguono intrinsecamente tra passato e futuro.

Dove la direzione temporale emerge nel mondo quantistico:

Nonostante la simmetria T delle equazioni fondamentali, la direzione del tempo emerge nel mondo quantistico attraverso diversi meccanismi:

 * Il processo di Misura: La misurazione di un sistema quantistico è un processo irreversibile che porta al "collasso" della funzione d'onda in uno degli autostati possibili. Questo processo introduce un'asimmetria temporale: lo stato dopo la misura è definito e diverso dalla sovrapposizione di stati precedente. La meccanica quantistica standard non descrive in dettaglio il meccanismo del collasso, ma è un elemento cruciale che rompe la simmetria T a livello fenomenologico.

 * Seconda Legge della Termodinamica: Anche nel contesto quantistico, la seconda legge della termodinamica continua a valere. L'entropia di un sistema isolato tende ad aumentare nel tempo. Questa è una legge statistica che definisce una chiara freccia del tempo, sia a livello macroscopico che microscopico (in sistemi con un gran numero di particelle).

 * Condizioni al Contorno: Come nella fisica classica, le condizioni iniziali e finali imposte a un sistema quantistico possono introdurre un'asimmetria temporale nelle soluzioni delle equazioni.

 * Decoerenza Quantistica: L'interazione di un sistema quantistico con l'ambiente circostante (decoerenza) porta alla perdita di coerenza quantistica e al comportamento che assomiglia sempre più a quello classico. Questo processo è tipicamente irreversibile e introduce una freccia del tempo.

In sintesi:

 * Le equazioni fondamentali della meccanica quantistica (come l'equazione di Schrödinger) sono invarianti sotto inversione temporale.

 * Tuttavia, la direzione del tempo emerge nel mondo quantistico attraverso processi irreversibili come la misura, la seconda legge della termodinamica, le condizioni al contorno e la decoerenza.

Quindi, non è del tutto corretto affermare che le equazioni quantistiche "non hanno una direzione temporale specifica" in un senso assoluto. A livello fondamentale, le leggi sono simmetriche, ma i processi fisici che osserviamo nel mondo reale mostrano una chiara freccia del tempo anche nel dominio quantistico. La comprensione completa di come la freccia del tempo emerga dalla fisica fondamentale, inclusa la meccanica quantistica, è ancora un'area di ricerca attiva e affascinante.