🌐 Il paradosso della fisica quantistica: il tempo non torna indietro

Un problema fondamentale della fisica quantistica è spiegare perché, nonostante l’apparente simmetria temporale delle equazioni microscopiche, la descrizione reale dei sistemi fisici mostra che il tempo procede solo in avanti. La risposta della fisica quantistica a questa irreversibilità mette in gioco concetti come informazione, entropia e interazioni con l’ambiente, collegando dinamiche microscopiche e fenomeni macroscopici.

Perché gli effetti della fisica quantistica non si “invertano” e il tempo non possa tornare indietro è una delle domande più profonde e affascinanti della scienza moderna. La questione, al confine tra fisica teorica e filosofia della natura, è stata affrontata in un recente articolo che spiega come, sebbene le equazioni quantistiche fondamentali siano simmetriche rispetto al tempo, i processi reali osservati non lo siano — e quindi il tempo sembri scorrere in una sola direzione. Questo fenomeno emerge da come l’informazione si distribuisce e si perde nei sistemi fisici reali, in particolare nei sistemi quantistici aperti, ossia quelli che interagiscono con l’ambiente circostante.

Dal microscopico al macroscopico: il paradosso della freccia del tempo

📌     In fisica esiste una distinzione fondamentale tra il comportamento delle leggi microscopiche e quello dei sistemi macroscopici. Le leggi della meccanica quantistica, come pure molte equazioni della fisica classica, non discriminano il passato dal futuro: se si invertisse il tempo nelle equazioni, l’evoluzione risultante sarebbe anch’essa una soluzione valida. Questo principio di simmetria temporale è alla base di concetti come il teorema no‑deleting o no‑cloning, che esprimono anche che in un sistema quantistico isolato l’informazione non può essere né cancellata né copiata arbitrariamente.

Eppure, osserviamo intorno a noi processi irreversibili: un bicchiere che si rompe non si ricompone da solo, il calore si diffonde automaticamente dal corpo caldo a quello freddo, non il contrario. Questa differenza tra reversibilità teorica e irreversibilità realistica è nota come la freccia del tempo — un concetto che fu reso più formalmente nelle leggi della termodinamica dalla statistica di Boltzmann e dal cosiddetto paradosso di Loschmidt, che evidenzia proprio il conflitto tra equazioni microscopiche reversibili e comportamento macroscopico irreversibile.

Quando l’ambiente decide il futuro

La risposta della fisica quantistica all’apparente irreversibilità parte dall’osservazione cruciale che il mondo reale non è un sistema isolato: qualsiasi particella o insieme di particelle è in costante interazione con l’ambiente. In un sistema quantistico aperto, queste interazioni non sono trascurabili ma determinano l’evoluzione del sistema in modi che non possono essere “invertiti” semplicemente applicando un’operazione di inversione temporale alle equazioni di base.

Secondo questo approccio teorico, la dinamica del sistema con l’ambiente comporta uno scambio continuo di informazione: lo stato iniziale del sistema si “spalma” su un numero enorme di variabili esterne e interne. Questa perdita operativa di informazione verso i gradi di libertà ambientali è irreversibile in pratica, anche se formalmente l’informazione rimane preservata nel sistema complessivo di sistema più ambiente. Per recuperare l’informazione iniziale, infatti, sarebbe necessario un controllo simultaneo e preciso su tutte le variabili coinvolte — qualcosa di impossibile da realizzare nelle condizioni fisiche reali.

In altre parole, ciò che rende effettivamente irreversibile un processo fisico non è la forma delle equazioni fondamentali, ma la dissipazione e la dispersione dell’informazione nell’ambiente. Questa intuizione rappresenta un possibile ponte concettuale tra la fisica microscopica, apparentemente senza tempo, e il comportamento irreversibile delle cose che osserviamo quotidianamente.

Il ruolo dell’entropia e della statistica

Un altro elemento chiave nella discussione sulla irreversibilità è la concezione di entropia — un concetto fondamentale in termodinamica che misura il grado di disordine o di informazione mancata in un sistema. Nei sistemi macroscopici isolati, la seconda legge della termodinamica afferma che l’entropia tende ad aumentare nel tempo. Questo aumento è ciò che determina la freccia del tempo osservata: un processo naturale procede spontaneamente verso stati di maggiore entropia e più disordine.

Nel contesto quantistico, la dinamica interna può essere reversibile, ma l’irreversibilità statistica emerge quando si considera una moltitudine di gradi di libertà e la perdita apparente di correlazioni specifiche fra le parti di un sistema. Questo è ciò che rende realisticamente impossibile far “tornare indietro” un evento complesso, come ricomporre un vetro frantumato o invertire la diffusione del calore.

Esperimenti, simulazioni e intuizioni moderne

Gli scienziati hanno affrontato il tema dell’irreversibilità anche attraverso simulazioni di sistemi quantistici ideali, così come con analoghi classici. Ad esempio, esperimenti con pendoli quantistici o altri modelli di oscillatori hanno mostrato che, sebbene le leggi fondamentali consentano davvero evoluzioni temporali reversibili a livello teorico, quando il sistema viene realmente lasciato evolvere nell’ambiente esso mostra una chiara preferenza per una direzione temporale.

Allo stesso tempo, ricerche all’avanguardia stanno esaminando fenomeni come la coerenza quantistica e il modo in cui essa può estendersi o degradarsi nel tempo quando un sistema è sottoposto a perturbazioni esterne — il che ha implicazioni anche per tecnologie emergenti come il quantum computing, dove preservare lo stato coerente dei qubit è un problema cruciale.

Tempo, informazione e limiti della conoscenza

La discussione sulla risposta della fisica quantistica alla questione della freccia del tempo tocca anche temi più filosofici: cosa significa che il passato è fisicamente diverso dal futuro? Quanto dipende il nostro concetto di tempo dalla nostra incapacità di controllare tutte le variabili fisiche di un sistema? Per alcuni fisici teorici, la risposta risiede non in una “legge del tempo” aggiuntiva, ma nella perdita di informazione e nella trasformazione delle correlazioni mentre il sistema evolve. Questo implica che la freccia del tempo non è una proprietà fondamentale delle leggi quantistiche, ma un fenomeno emergente legato alla complessità e all’interazione con l’ambiente.

Oltre il tempo: frontiere aperte della ricerca

Rimane comunque aperto un vasto panorama di domande e di ricerca. Alcuni studi sperimentali e teorici suggeriscono che in condizioni molto speciali — ad esempio in sistemi quantistici altamente isolati o in configurazioni di laboratorio particolari — sia possibile osservare comportamenti controintuitivi legati al tempo, come effetti che sembrano suggerire forme di “tempo negativo” o retroazioni locali. Tuttavia, come sottolinea un recente lavoro, questi fenomeni non implicano veramente un viaggio indietro nel tempo o una inversione completa delle dinamiche, ma rappresentano invece maniere diverse di descrivere come particelle o stati possano essere correlati nel tempo quantistico.

La fisica quantistica continua quindi a sfidare la nostra comprensione intuitiva del tempo e della causalità, combinando rigore matematico con risultati che spesso appaiono controintuitivi. Le risposte definite — specialmente su questioni come l’irreversibilità e la freccia del tempo — sono ancora oggetto di dibattito e di nuove scoperte, ma gli sviluppi più recenti offrono un quadro in cui la distinzione tra passato e futuro non è inscritta nelle leggi fondamentali, ma emerge dalla complessità delle interazioni reali e dalla perdita di informazione nei processi fisici.