Viaggio nel tempo con esperimento quantistico?

La meccanica quantistica è il regno della scienza in cui nulla è normale e tutto sembra minare le basi della nostra comune comprensione della realtà. Tuttavia i fisici quantistici, che si vantano di scrutare l’abisso e carpirne i segreti inquietanti, hanno scoperto un altro fenomeno sconcertante: il «tempo negativo».

Come descritto in uno studio ancora in fase di revisione paritaria pubblicato da Scientific American, un team di ricercatori afferma di aver osservato fotoni che presentano questo bizzarro comportamento temporale come risultato di quella che è nota come eccitazione atomica.

Ciò che è successo in sostanza, come spiega Scientific American, è che quando i fotoni sono stati irradiati in una nube di atomi, sembravano uscire dal mezzo prima di entrarvi.

«Un ritardo temporale negativo può sembrare paradossale, ma significa che se si costruisse un orologio “quantistico” per misurare quanto tempo gli atomi trascorrono nello stato eccitato, la lancetta dell’orologio, in determinate circostanze, si sposterebbe all’indietro anziché in avanti», ha spiegato alla rivista Josiah Sinclair dell’Università di Toronto, i cui primi esperimenti hanno costituito la base dello studio, anche se non è stato direttamente coinvolto.

I fotoni – particelle prive di massa che formano quella che conosciamo come luce visibile – possono essere assorbiti dagli atomi che attraversano. Quando ciò accade, l’energia che trasportano fa sì che gli elettroni degli atomi saltino a uno stato energetico superiore. Questa è l’eccitazione atomica a cui abbiamo accennato prima.

Ma gli atomi possono anche de-eccitarsi, tornando allo stato fondamentale. Uno dei modi in cui ciò accade è che l’energia viene riemessa sotto forma di fotoni. A un osservatore, questo sembra come se la luce che ha attraversato il mezzo fosse ritardata.

I ricercatori erano sconcertati dal fatto che non ci fosse un «consenso tra gli esperti» su cosa accadesse realmente a un singolo fotone durante tale ritardo. «All’epoca non eravamo sicuri di quale fosse la risposta e pensavamo che una domanda così elementare su qualcosa di così fondamentale dovesse essere facile da rispondere», ha detto il Sinclair a Scientific American.

Negli esperimenti condotti, impulsi di fotoni venivano sparati attraverso una nube di atomi a temperature prossime allo zero assoluto. Ed è qui che è successo il fenomeno più strano: nei casi in cui i fotoni li attraversavano senza essere assorbiti, si è scoperto che gli atomi ultrafreddi rimanevano eccitati per l’esatto periodo di tempo in cui li avevano effettivamente assorbiti.

Al contrario, nei casi in cui i fotoni venissero assorbiti, verrebbero riemessi senza ritardo, o prima che gli atomi ultrafreddi potessero diseccitarsi.

Ciò che accade realmente è che i fotoni viaggiano in qualche modo attraverso la nube atomica più velocemente quando eccitano gli atomi – o quando dovrebbero essere assorbiti da essi – rispetto a quando gli atomi rimangono inalterati. Poiché i fotoni non trasportano informazione, la causalità rimane intatta, si legge nella rivista scientifica.

Le incertezze intrinseche a livello quantistico hanno l’effetto di confondere l’intero processo. In particolare il fenomeno della sovrapposizione, in cui particelle quantistiche come i fotoni possono trovarsi in due stati diversi contemporaneamente. Per un rivelatore che misura quando entrano ed escono da un mezzo, questo significa che i fotoni possono produrre un valore positivo così come uno negativo. E quindi, un tempo negativo.

Questo non cambia la nostra comprensione del tempo, affermano i ricercatori. D’altra parte, almeno per quanto riguarda il campo dell’ottica, che il tempo negativo abbia «un significato fisico più profondo di quanto si sia generalmente ritenuto» per quanto riguarda la trasmissione dei fotoni, hanno poi scritto nello studio.

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