CRISTALLI DEL TEMPO di Natalie Wolchover, pubblicato su Quanta Magazine il 25 aprile 2013 https://simonsfoundation.org/quanta/20130425-perpetual-motion-test-could-amendtheory- of-time/ Nel Febbraio 2012, il premio Nobel per la fisica Frank Wilczek ha deciso di rendere pubblica una sua strana idea, che temeva potesse diventare addirittura imbarazzante per lui. Per quanto impossibile possa sembrare, Wilczek è riuscito ad ottenere una apparente prova dell’esistenza di “cristalli del tempo” — strutture fisiche che si muovono in modo ripetitivo, come le lancette dei minuti in un orologio, senza perdere energia né rallentare. Diversamente da un orologio o da altri oggetti conosciuti, i cristalli del tempo derivano il loro movimento non da energia immagazzinata ma da una frattura nella simmetria del tempo, originando un tipo speciale di moto perpetuo. “Gran parte della ricerca, in fisica, è la continuazione di qualcosa che abbiamo già studiato” ha affermato Wilczek, professore al Massachusetts Institute of Technology. “Questo, invece, è qualcosa di anomalo”. La teoria di Wilczek ha suscitato i responsi più disparati tra i fisici. Uno studioso brillante, un professore noto per aver sviluppato teorie inizialmente percepite come esotiche e che in seguito diventano parte integrante degli insegnamenti comunemente accettati, tra cui l’esistenza di particelle chiamate assioni e anioni, e la scoperta delle proprietà delle forze nucleari note col nome di libertà asintotica (che gli è valsa il premio Nobel per la fisica nel 2004). Ma il moto perpetuo, ritenuto impossibile in base alle leggi fondamentali della fisica – quello sì che è un boccone duro da mandar giù. Il suo lavoro di ricerca costituisce un’importante scoperta o un esempio di illogicità? Jakub Zakrzewski, professore di fisica e direttore dell’istituto di ottica atomica alla Jagiellonian University in Polonia, ha scritto un articolo che accompagna la pubblicazione dello studio di Wilczek, in cui ha risposto:“non lo so”. Ora però è stato realizzato un avanzamento tecnologico che ha reso possibile ai fisici testare l’idea. Progettano di costruire un cristallo del tempo, non nella speranza che questo moto perpetuo possa generare una quantità senza fine di energia (come hanno inutilmente cercato di fare gli inventori per più di un migliaio di anni), ma che ciò permetta loro di sviluppare una migliore teoria del tempo. Un Concetto Folle L’idea è venuta a Wilczek mentre preparava una lezione nel 2010. “Riflettevo sulla classificazione dei cristalli, e mi è venuto in mente che è del tutto naturale pensare a spazio e tempo come a qualcosa di unito; così, se pensiamo ai cristalli nello spazio, è naturale pensare anche alla classificazione del comportamento cristallino nel tempo.” Quando la materia si cristallizza, i suoi atomi si organizzano spontaneamente disponendosi in file, colonne e cumuli di un tessuto reticolato tri-dimensionale. Un atomo occupa ciascun “punto del reticolato”, ma l’equilibrio delle forze tra gli atomi impedisce loro di occupare lo spazio intermedio. Poiché gli atomi ad un certo punto hanno una specifica – anziché continua – serie di scelte per decidere dove esistere, si dice che i cristalli “rompono la simmetria spaziale della natura”, la nota regola in base alla quale tutti i luoghi dello spazio sono equivalenti. Ma cosa si può dire della simmetria temporale della natura — la regola secondo cui oggetti stabili rimangono immutati nel tempo? Wilczek ha rimuginato per mesi sulle possibilità. Alla fine, le sue equazioni indicavano che gli atomi possono di fatto formare una trama che si ripete regolarmente nel tempo, ritornando alla loro disposizione iniziale soltanto dopo intervalli specifici (anziché continui), rompendo in tal modo la simmetria del tempo. Senza consumare o produrre energia, i cristalli del tempo sarebbero stabili in quello che i fisici chiamano il loro ground state (stato fondamentale), nonostante variazioni cicliche nella struttura che secondo gli scienziati possono essere interpretate come moto perpetuo. Hartmut Häffner, un fisico quantico dell’Università di California a Berkeley, ha dichiarato: “Per un fisico, si tratta di un concetto assolutamente folle: ipotizzare uno stato fondamentale che sia dipendente dal tempo. La definizione di stato fondamentale è che è a energia zero. Ma se lo stato è dipendente dal tempo, ciò implica che l’energia cambia o che qualcosa sta cambiando. Qualcosa si muove.” Com’è possibile che qualcosa si muova, e continui a muoversi per sempre, senza aver bisogno di energia? Sembrava un’idea assurda, qualcosa che viola le leggi della fisica comunemente accettate. Ma gli studi di Wilczek sui cristalli quantici e classici del tempo (quest’ultimo scritto insieme ad Alfred Shapere della University of Kentucky) hanno superato la prova della revisione da parte di un gruppo di esperti e sono stati pubblicati sulla rivista specializzata Physical Review Letters nell’ottobre 2012. Wilczek non afferma di sapere con certezza dell’esistenza di oggetti in natura che rompono la simmetria del tempo, ma sfida gli sperimentatori a cercare di realizzarne uno. “È un pò come disegnare dei bersagli, e poi aspettare che le frecce li colpiscano”, ha affermato. “Se non c’è una barriera logica che prevenga questo comportamento, allora mi aspetto che possa realizzarsi.” Il Grande Test A giugno un gruppo di fisici guidato da Xiang Zhang, nanoingegnere a Berkeley, e da Tongcang Li, fisico e ricercatore dell’equipe di Zhang, ha proposto di creare un cristallo del tempo sotto forma di un anello continuamente rotante di atomi carichi, o ioni (Li ha affermato di averci pensato anche prima di leggere lo studio di Wilczek). L’articolo è stato pubblicato insieme a Wilczek su Physical Review Letters. Da allora, in tutta la letteratura accademica, c’è stata una sola voce critica che ha espresso il proprio dissenso: quella di Patrick Bruno, fisico teorico presso la European Synchrotron Radiation Facility in Francia. Bruno ritiene che Wilczek e i suoi colleghi abbiano erroneamente identificato un comportamento dipendente dal tempo in oggetti che si trovano in stati energetici eccitati, piuttosto che nel loro stato fondamentale. Non c’è nulla di sorprendente se oggetti con un surplus di energia si muovono in maniera ciclica; il moto rallenta man mano che vi è dissipazione di energia. Per essere un cristallo del tempo, un oggetto deve esibire moto perpetuo nel suo stato fondamentale. Le obiezioni di Bruno e la replica di Wilczek sono apparsi su Physical Review Letters nel marzo 2013. Bruno ha dimostrato che uno stato energetico minore è possibile in un modello di sistema che Wilczek ha proposto come ipotetico esempio di un cristallo del tempo quantico. Wilczek ha replicato che sebbene l’esempio addotto non sia un cristallo del tempo, non ritiene che l’errore “metta in discussione il concetto di base.” “Ho provato che l’esempio non è corretto”, ha dichiarato Bruno. “Ma non ho una prova definitiva — almeno fino ad ora.” Il dibattito probabilmente non troverà soluzione sul terreno teorico. “La palla è nel campo dei nostri brillanti colleghi sperimentali”, ha detto Zakrzewski. Un’equipe internazionale guidata dagli scienziati di Berkeley sta preparando un complesso esperimento di laboratorio, per la cui realizzazione potrebbero volerci “da un minimo di tre anni a infinito”, a seconda dei finanziamenti o delle difficoltà, ha dichiarato Häffner, principale co-ricercatore di Zhang. La speranza è che i cristalli del tempo possano spingere i fisici al di là delle precise – ma a quanto pare imperfette – leggi della fisica quantica e aprano la strada ad una più ampia teoria. “Il mio interesse è quello di dare un nuovo contributo alla teoria di Einstein”, ha detto Li. “Fu lui ad affermare che la meccanica quantica non è completa.” Costruire un anello di ioni Nella teoria generale della relatività di Albert Einstein (la serie di leggi che governano la gravità e la struttura dell’universo su larga scala), le dimensioni di tempo e spazio sono intessute tra loro in un’unica trama, detta spazio-tempo. Ma nella meccanica quantica (le leggi che governano le interazioni su scala subatomica), la dimensione del tempo è rappresentata in modo diverso dalle tre dimensioni dello spazio — “una asimmetria deplorevole, esteticamente sgradevole”, secondo Zakrzewski. Il modo diverso in cui viene trattato il tempo può essere una causa di incompatibilità tra le relatività generale e la meccanica quantica, o quanto meno una delle due va alterata affinché si possa giungere alla formulazione di una teoria onnicomprensiva della gravità quantica (considerata unanimemente uno degli obiettivi principali della fisica teoretica). Qual è il concetto corretto di tempo? Se i cristalli del tempo sono in grado di rompere la simmetria del tempo allo stesso modo in cui i cristalli convenzionali rompono la simmetria dello spazio, secondo Häffner, “questo ci dice che, in natura, queste due quantità sembrano avere proprietà simili, che in ultima analisi dovrebbero riflettere se stesse in una teoria”. Il che suggerisce che la meccanica quantica è inadeguata, e che una migliore teoria quantica possa trattare tempo e spazio come due trame dello stesso tessuto. Una illustrazione dell’esperimento progettato all’Università della California di Berkeley sui cristalli del tempo. I campi elettrici saranno usati per contenere ioni di calcio in una “trappola” larga 100 micron, in cui formeranno un anello cristallino. Gli scienziati credono che un campo magnetico statico provocherà la rotazione dell’anello. (Illustrazione: Hartmut Häffner) L’equipe guidata dai ricercatori di Berkeley cristallo inietterà 100 ioni di calcio in una piccola camera circondata da elettrodi. Il campo elettrico generato dagli elettrodi conterrà gli ioni in una “trappola” larga 100 micron, all’incirca la larghezza di un capello umano. Gli scienziati dovranno calibrare gli elettrodi con grande precisione per rendere il campo omogeneo. Poiché cariche dello stesso segno si respingono, gli ioni si disporranno ordinatamente sull’esterno della “trappola” circolare, formando un anello cristallino. Inizialmente gli ioni vibreranno in uno stato eccitato, ma verranno usati dei diodi laser come quelli dei lettori di DVD per dissipare gradualmente la loro energia cinetica in eccesso. Stando ai calcoli dell’equipe, l’anello di ioni dovrebbe stabilizzarsi sul suo stato fondamentale quando gli ioni vengono raffreddati, per mezzo di un laser, fino a raggiungere la temperatura di un miliardesimo di grado al di sopra dello zero assoluto. L’ottenimento della stabilità di una simile temperatura era stato reso impossibile, finora, dal calore di background emanato dalla “trappola” di elettrodi, ma nello scorso settembre, una tecnica innovativa per ripulire la superficie degli elettrodi da elementi contaminanti ha reso possibile una riduzione del calore pari a 100 volte meno. “È esattamente il fattore di cui avevamo bisogno per poter rendere realizzabile l’esperimento”, ha commentato Häffner. Quindi i ricercatori attiveranno un campo magnetico statico nella trappola, il che in teoria dovrebbe indurre gli ioni ad iniziare a ruotare (e a continuare a farlo indefinitamente). Se tutto va come previsto, gli ioni ruoteranno intorno al loro punto di partenza ad intervalli fissi, formando un modello di ripetizione regolare nel tempo che rompe la simmetria temporale. Per osservare la rotazione dell’anello, gli scienziati punteranno uno degli ioni con un laser, individuandolo e ponendolo effettivamente in un diverso stato elettronico rispetto agli altri 99 ioni. Esso resterà luminoso (e rivelerà il suo nuovo posizionamento) quando gli altri verranno oscurati da un secondo laser. Se lo ione luminoso si muove intorno al cerchio ad un ritmo regolare, allora gli scienziati avranno dimostrato, per la prima volta, che la simmetria traslazionale (o interna, NdT) del tempo può essere rotta. “Sarà un’autentica sfida per la nostra comprensione”, ha dichiarato Li. “Ma prima dobbiamo provare che esiste realmente.” Fino a quel giorno, alcuni fisici rimarranno profondamente scettici. “Personalmente non credo che sia possibile riscontrare del moto nello stato fondamentale”, ha affermato Bruno. “Potranno riuscire a creare un anello di ioni in una trappola toroidale e studiarne aspetti interessanti per la fisica, ma non l’orologio perpetuo di cui parlano.” https://simonsfoundation.org/quanta/20130425-perpetual-motion-test-could-amend-theory-of-time/
Posted on: Wed, 18 Sep 2013 19:20:48 +0000
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