Superposition of dynamics, indefinite causal order, and quantum histories

Nel mondo quantistico, le regole di causa ed effetto sembrano spesso essere state capovolte. Siamo abituati a un universo in cui gli eventi accadono in una sequenza rigorosa: una causa precede il suo effetto e il tempo scorre in una linea singola e ininterrotta. Questa intuizione è così profondamente radicata nella nostra esperienza da costituire il fondamento del nostro modo di intendere la realtà. Tuttavia, esperimenti recenti hanno dimostrato che, alle scale più piccole, le particelle possono esistere in uno stato in cui l'ordine degli eventi non è fisso. Immaginate due persone, Alice e Bob, che compiono azioni su un sistema quantistico. Nel nostro mondo quotidiano, o Alice agisce per prima e Bob agisce per secondo, oppure Bob agisce per primo e Alice agisce per secondo. Ma nel regno quantistico, è possibile che il sistema esista in uno stato in cui non è realmente chiaro quale azione sia avvenuta per prima, o persino che entrambi i sequenzi siano veri contemporaneamente. Questo fenomeno, noto come ordine causale indefinito, sfida le nostre asserzioni più basilari su come l'universo sia strutturato. Per anni, i fisici hanno utilizzato uno strumento matematico specifico chiamato matrice di processo per descrivere questi scenari strani, ma il significato fisico dietro questo strumento è rimasto in parte un mistero. Non era chiaro se questo "ordine indefinito" fosse una caratteristica fondamentale dello spaziotempo stesso o semplicemente un vezzo del modo in cui scegliamo di misurare i sistemi quantistici.

Un team di ricercatori dell'Università di Patto ha ora affrontato questo problema con una nuova prospettiva, distanziandosi dal modo standard di descrivere la meccanica quantistica e utilizzando un quadro diverso chiamato teoria delle storie (histories theory). Invece di concentrarsi sullo stato di un sistema in un singolo momento temporale, questo approccio osserva l'intera storia di un sistema mentre si dispiega, trattando l'intera linea temporale come un unico oggetto. Facendo ciò, gli autori sono stati in grado di separare due elementi che sono solitamente intrecciati: l'ordine in cui avvengono gli eventi e le leggi fisiche che guidano l'evoluzione del sistema. Hanno scoperto che ciò che chiamiamo ordine causale indefinito è in realtà una versione specifica e limitata di un fenomeno molto più ampio e generale: la sovrapposizione delle dinamiche. In termini semplici, proprio come una particella può trovarsi in due posti contemporaneamente, anche le leggi che governano il modo in cui un sistema cambia nel tempo possono essere in una sovrapposizione. I ricercatori hanno dimostrato che quando si ha un sistema in cui le stesse regole dinamiche sono in sovrapposizione, e lo si osserva attraverso la lente di una misura, esso può apparire esattamente come le matrici di processo che descrivono l'ordine causale indefinito.

L'articolo rivela che questo "ordine indefinito" non è necessariamente una sovrapposizione di diverse strutture spaziotemporali, come alcuni speravano o temevano. Al contrario, è un effetto operazionale che sorge quando diverse sequenze di interazioni interferiscono tra loro. Gli autori hanno identificato due modi distinti di intendere l'ordine indefinito. Il primo è una versione cinematica, dove l'ordine degli eventi è semplicemente una variabile che può trovarsi in una sovrapposizione, proprio come una moneta che è sia testa che croce. Il secondo, e più rilevante per il formalismo della matrice di processo, è una versione dinamica. Qui, la sovrapposizione non riguarda gli eventi stessi, ma i processi fisici che li connettono. I ricercatori hanno dimostrato che se si prende un sistema quantistico standard e si permette alle regole della sua evoluzione di essere un miscuglio coerente di diverse possibilità, si genera una struttura matematica che corrisponde alla matrice di processo. Ciò significa che le strane correlazioni osservate negli esperimenti con l'ordine causale indefinito sono in realtà il risultato dell'evoluzione di un sistema sotto una sovrapposizione di diverse leggi dinamiche.

Fondamentalmente, lo studio chiarisce che questo fenomeno non richiede un collasso della struttura di base dello spaziotempo. L'ordine causale dell'universo può rimanere fisso e ben definito, mentre l'ordine in cui avvengono specifiche interazioni o misurazioni diventa indefinito a causa della sovrapposizione delle dinamiche. I ricercatori hanno scoperto che affinché ciò appaia come una matrice di processo standard, devono essere soddisfatte certe condizioni riguardo a come il sistema e i dispositivi di misura siano separati. Se queste condizioni non sono soddisfatte, il sistema mostra comunque una sovrapposizione di dinamiche, ma non produce le pulite firme operazionali dell'ordine causale indefinito che vediamo negli esperimenti controllati. Questa distinzione è vitale perché suggerisce che l'ordine causale indefinito non è una proprietà fondamentale della geometria dell'universo, ma piuttosto un modo specifico in cui la dinamica quantistica può manifestarsi quando la guardiamo da una particolare prospettiva.

Il lavoro tocca anche la natura degli eventi stessi. Gli autori definiscono un evento non come un punto matematico, ma come l'emergere di un record macroscopico definito, come un risultato di misura che appare su uno schermo. Hanno dimostrato che si può costruire una descrizione quantistica in cui il tempo in cui avvengono questi eventi è esso stesso una variabile quantistica. In questa visione, l'ordine degli eventi è una proprietà che può essere misurata e può esistere in una sovrapposizione, proprio come la posizione di una particella. Ciò fornisce una separazione logica e chiara tra l'ordine degli eventi fisici e l'ordine delle interazioni che compiamo su di essi. Lo studio suggerisce che l' "ordine causale indefinito" che osserviamo in laboratorio è una realizzazione operativamente ristretta di questa capacità più profonda e generale della meccanica quantistica di sovrapporre diverse storie dinamiche.

In definitiva, questa ricerca riformula la nostra comprensione della causalità quantistica. Suggerisce che la stranezza dell'ordine causale indefinito non è un segno che il tempo sia rotto o che lo spaziotempo sia sfocato. È invece una naturale conseguenza del fatto che le leggi del moto nel mondo quantistico possono essere sovrapposte. Il formalismo della matrice di processo, che è stato uno strumento potente per descrivere questi esperimenti, viene rivelato essere un caso speciale di questo fenomeno più ampio. Gli autori concludono che, sebbene abbiamo identificato con successo come queste sovrapposizioni di dinamiche generino gli effetti osservati, la questione se tali sovrapposizioni possano sorgere naturalmente nell'universo, senza la necessità di un controllo ingegneristico o di una post-selezione, rimane aperta. Ciò potrebbe essere rilevante per le teorie della gravità quantistica o dei campi quantistici in background variabili, dove le regole di evoluzione potrebbero non essere uniche. Per ora, l'articolo fornisce una solida base non matematica per comprendere che l'ordine di causa ed effetto nel regno quantistico è flessibile, non perché il tempo sia mal definito, ma perché la storia di come le cose cambiano può essere raccontata in modi molteplici e interferenti contemporaneamente.