Optical time travel: proposal for testing Hawking's Chronology Protection Conjecture in an optical analogue

La macchina del tempo in una scatola

Immaginate di poter inviare un messaggio al vostro sé passato, magari per avvertirlo di un brutto voto o di un caffè versato. Nel mondo dei film e della finzione, questo è un elemento fondamentale delle storie d'avventura. Ma nel mondo reale della scienza, il viaggio nel tempo si colloca in un angolo molto strano della fisica, dove due enormi libri di regole sembrano essere in disaccordo. Da una parte, avete la teoria della Relatività Generale di Einstein, che descrive la gravità e il tessuto dello spazio e del tempo. Sorprendentemente, questa teoria afferma che se si deforma lo spazio nel modo giusto, si potrebbe creare un ciclo in cui si ritorna a un momento precedente nel tempo. È come una strada che curva su se stessa, permettendovi di guidare verso un luogo che avete già visitato.

Dall'altro lato, avete la Meccanica Quantistica, il libro di regole per il mondo minuscolo di atomi e luce. Questa teoria è famosa per essere sfocata e incerta; le cose non sono sempre esattamente dove dovrebbero essere. Un famoso fisico di nome Stephen Hawking propose una "Congettura di Protezione della Cronologia", un modo elegante per dire che la natura probabilmente possiede un interruttore di sicurezza. Egli ipotizzò che, sebbene la strada possa esistere sulla mappa (Relatività), il mondo quantistico causerebbe un enorme ingorgo stradale o un'esplosione nel momento stesso in cui si tenta di percorrerla, vietando di fatto il viaggio nel tempo per mantenere l'universo al sicuro. La grande domanda è: l'universo è strettamente proibito dal viaggiare nel tempo, o è solo molto, molto difficile? Questo è il puzzle che David Bermudez e Ulf Leonhardt hanno deciso di affrontare, non con un'astronave, ma con un esperimento molto ingegnoso che coinvolge la luce.

Il impulso luminoso che salta all'indietro

In questo articolo, gli autori propongono un modo per testare l'idea di Hawking utilizzando una "macchina del tempo" fatta interamente di luce e fibre ottiche. Invece di un essere umano che entra in una macchina, immaginano un impulso di luce che viaggia attraverso un anello di cavo in fibra ottica. Ecco come funziona la loro "macchina del tempo":

Immaginate un'autostrada dritta (un cavo in fibra ottica) con una strada laterale che torna su se stessa in un anello. Nel punto in cui l'autostrada incontra l'anello, c'è un dispositivo speciale chiamato amplificatore parametrico. Questo dispositivo agisce come un vigile urbano magico. Quando un impulso di luce arriva al bivio, l'amplificatore può creare un impulso "gemello" all'interno dell'anello. Grazie al modo in cui l'anello è configurato, questo impulso gemello viaggia all'indietro nel tempo rispetto all'impulso principale.

Perché questo funzioni perfettamente, l'impulso che viaggia all'indietro deve arrivare al bivio prima che l'impulso originale ci arrivi effettivamente. Quando si incontrano, dovrebbero cancellarsi a vicenda perfettamente, come un'onda che si infrange in un buco nell'acqua. Il risultato? L'impulso originale sembra svanire dal presente e riapparire nel passato, o meglio, un nuovo impulso appare nel futuro che sembra provenire dal passato. Gli autori dimostrano che, se si ha abbastanza "guadagno" (amplificazione) per superare la naturale perdita di luce nel cavo, questo effetto di viaggio nel tempo è matematicamente possibile. Infatti, calcolano che con un modesto guadagno di 10, l'impulso luminoso potrebbe lasciare il dispositivo prima ancora di entrarvi, imitando un viaggio a ritroso nel tempo.

Il intoppo quantistico: perché non è così semplice

Tuttavia, l'articolo incontra rapidamente un grosso ostacolo quando passiamo dalla luce "classica" (onde perfette e lisce) alla luce "quantistica" (luce reale composta da fotoni). Nel mondo quantistico, nulla è perfettamente liscio; tutto oscilla e fluttua. Ciò è dovuto al Principio di Indeterminazione di Heisenberg, il quale afferma che non si può conoscere tutto di una particella contemporaneamente.

Gli autori spiegano che, affinché la macchina del tempo funzioni, l'impulso "all'indietro" nell'anello deve essere una copia esatta e perfetta dell'impulso "in avanti" per poterlo cancellare. Ma nel mondo quantistico, non si può mai fare una copia perfetta a causa di quelle minuscole, inevitabili oscillazioni. Il vuoto dello spazio stesso è pieno di queste piccole fluttuazioni. Quando l'amplificatore cerca di potenziare il segnale per far avvenire il viaggio nel tempo, non potenzia solo il segnale; potenzia anche il rumore del vuoto.

Pensate a cercare di sussurrare un segreto al vostro sé passato in una stanza affollata e rumorosa. Se la stanza è silenziosa (fisica classica), potete farlo. Ma nel mondo quantistico, la stanza è piena di interferenze. Più cercate di amplificare il vostro sussurro per essere sentiti, più forte diventa l'interferenza. Gli autori hanno scoperto che questo "rumore" cresce esponenzialmente. Nel momento in cui la luce tenta di viaggiare all'indietro, il rumore è così forte da sommergere il messaggio. La "macchina del tempo" si trasforma essenzialmente in un laser che urla con rumore casuale invece di inviare un segnale chiaro.

Cosa significa per il viaggio nel tempo

Quindi, qual è il verdetto finale? L'articolo suggerisce che, sebbene l'idea del viaggio nel tempo non sia strettamente impossibile nelle equazioni, la realtà di esso è bloccata dal rumore quantistico.

1. Classico vs Quantistico: Se la luce fosse un'onda classica perfetta, il viaggio nel tempo funzionerebbe. Potreste inviare un impulso all'indietro e questo arriverebbe in modo pulito. Ma la luce reale è quantistica, e il principio di indeterminazione assicura che l'impulso "all'indietro" non potrà mai essere perfettamente sincronizzato con quello "in avanti".
2. L'effetto Laser: Gli autori sottolineano che la condizione necessaria per il viaggio nel tempo (il guadagno che supera la perdita) è la stessa condizione necessaria affinché un laser inizi a funzionare. Ciò significa che la macchina del tempo agirebbe inevitabilmente come un laser, amplificando le fluttuazioni del vuoto. Questa instabilità è la versione ottica dell'"esplosione" che Hawking predisse impedirebbe il viaggio nel tempo.
3. Viaggio nel tempo imperfetto: L'articolo non dice che il viaggio nel tempo è impossibile al 100% per sempre. Suggerisce che, se si fa funzionare la macchina per un tempo molto breve, il rumore potrebbe essere gestibile. Si potrebbe avere un'esperienza di viaggio nel tempo "sfocata", dove il segnale è presente ma coperto da interferenze. Non è un viaggio perfetto nel passato, ma uno rumoroso e imperfetto.

Gli autori concludono che il loro esperimento proposto è fattibile e potrebbe essere costruito in un laboratorio per testare questi limiti. Non stanno sostenendo di aver costruito una DeLorean, ma stanno offrendo un modo per vedere esattamente come la natura metta i freni al viaggio nel tempo. L'universo, sembra, vi permette di dare un'occhiata al passato, ma insiste nel sfocare l'immagine in modo che non possiate cambiare nulla. Come Hawking scherzosamente osservò, se il viaggio nel tempo fosse facile, saremmo invasi da turisti dal futuro; il fatto che non sia così suggerisce che il "rumore" dell'universo stia facendo il suo lavoro molto bene.