`It from Bit': is there a second law of quantum complexity?

Nella grande storia dell'universo, esiste una regola famosa che dice che le cose tendono a diventare più disordinate nel tempo. Se lasci una tazza di caffè caldo su un tavolo, questa si raffredda fino a raggiungere la temperatura della stanza, e non si riscalda mai spontaneamente. Questa è la seconda legge della termodinamica, un principio che governa il modo in cui il calore e l'energia fluiscono. Suggerisce che, alla fine, l'universo raggiungerà uno stato di perfetto equilibrio, un luogo dove nulla cambia, nulla si muove e tutta l'energia è distribuita uniformemente. Gli scienziati chiamano questo stato "morte termica". Per molto tempo, i fisici hanno creduto che una volta che un sistema avesse raggiunto questo stato di massima disordine, o entropia, la storia fosse finita. Il sistema sarebbe rimasto lì, congelato nel tempo, senza ulteriore evoluzione.

Tuttavia, è emersa una nuova prospettiva dall'intersezione tra la gravità e la meccanica quantistica, la fisica del molto piccolo. Mentre le leggi classiche della termodinamica dicono che la storia finisce all'equilibrio, il mondo quantistico racconta una storia diversa. Anche dopo che un sistema si è raffreddato e ha raggiunto un perfetto equilibrio, il suo stato quantistico interno continua a cambiare. Continua a esplorare nuove possibilità, diventando più intricato e difficile da descrivere, molto tempo dopo che il calore si è spento. Questa idea, spesso chiamata "vita dopo la morte termica", suggerisce che esista uno strato nascosto di evoluzione che la fisica classica non coglie. La domanda centrale per i ricercatori è stata se esista una nuova regola, una "seconda legge della complessità quantistica", che governi questa crescita lenta e infinita di intrigatezza.

Un team di fisici dell'Università di Shiraz, in Iran, ha ora compiuto un passo significativo verso la risposta a questa domanda. Essi propongono che questa misteriosa crescita di complessità non sia un incidente casuale, ma una diretta conseguenza di come l'informazione e l'energia siano collegate. Trattando le leggi fondamentali del moto come regole su come i sistemi gestiscono la propria informazione, i ricercatori hanno derivato una descrizione matematica di come la complessità cresca dopo che un sistema ha raggiunto l'equilibrio. Il loro lavoro suggerisce che, anche in un universo che sembra essersi fermato, lo stato quantistico della materia sta diventando silenziosamente più complesso, seguendo un modello specifico che alla fine rallenta e si assesta su un limite massimo.

I ricercatori hanno iniziato riesaminando un pilastro della fisica noto come il principio di minima azione. Questo principio afferma che, quando una particella si muove da un punto a un altro, segue un percorso che richiede la minima quantità di sforzo o "azione". Il team si è reso conto che questo principio poteva essere compreso come una regola sull'informazione. Hanno sostenuto che la natura preferisce percorsi che creano la minima quantità di nuova incertezza, o "informazione mancante". In altre parole, i sistemi fisici cercano naturalmente di essere il più possibile efficienti con le proprie risorse informative. Questa idea collega il movimento delle particelle al flusso di informazione, suggerendo che le leggi della fisica siano profondamente radicate nel modo in cui l'informazione viene organizzata e preservata.

Utilizzando questa visione basata sull'informazione, il team ha esplorato cosa accade a un sistema quantistico dopo che ha raggiunto l'equilibrio termico. Hanno applicato una regola chiamata regola di quantizzazione dell'informazione quasi-statica, che collega l'energia di un sistema all'informazione che esso contiene. Hanno scoperto che anche quando un sistema si trova in uno stato di perfetto equilibrio, la storia di come vi è giunto lascia un segno. Il sistema continua a evolversi, ma non nel modo in cui prevede la termodinamica classica. Invece di rimanere statico, lo stato quantistico continua a crescere in complessità. I ricercatori hanno calcolato che questa complessità aumenta nel tempo, seguendo una curva che sale rapidamente all'inizio e poi rallenta gradualmente mentre si avvicina a un limite massimo. Questo limite è determinato dalla quantità totale di disordine, o entropia, del sistema.

Il documento presenta una previsione specifica su come avviene questa crescita. Nel lungo periodo, dopo che il sistema ha raggiunto l'equilibrio, la complessità non cresce per sempre a un ritmo costante. Al contrario, segue un modello in cui aumenta rapidamente all'inizio, poi il tasso di crescita rallenta e, infine, si livella su un valore massimo. Questo comportamento è diverso dalle idee precedenti che suggerivano che la complessità potesse crescere in linea retta per sempre. Il nuovo modello mostra che la crescita è in realtà una fase intermedia, un'accelerazione temporanea prima che il sistema si assesti finalmente nel suo stato massimo di complessità. Ciò fornisce un quadro più dettagliato e testabile di ciò che accade nella "vita ultraterrena" di un sistema termico.

Lo studio ha anche esaminato cosa accade quando un sistema non è in equilibrio. In questi casi, i ricercatori hanno scoperto che può accadere l'opposto. Invece della crescita della complessità, la "non-complessità" del sistema — ovvero la quantità di struttura semplice e ordinata disponibile per il calcolo — può aumentare. Ciò significa che se un sistema viene disturbato o preparato in un modo specifico, può recuperare le sue risorse computazionali. Questa scoperta aiuta a spiegare come l'ordine possa sorgere nell'universo, come nella formazione di stelle e galassie, mostrando che le condizioni di non-equilibrio possono rigenerare l'informazione necessaria per costruire strutture complesse.

In definitiva, questo lavoro connette i punti tra il principio di minima azione, il flusso di informazione e la misteriosa crescita della complessità quantistica. Suggerisce che l'universo non è solo una macchina che si esaurisce e si ferma, ma un sistema che continua a esplorare le proprie possibilità molto tempo dopo che il calore è svanito. I ricercatori hanno dimostrato che questa evoluzione non è casuale, ma segue una legge prevedibile derivata dalla relazione fondamentale tra energia e informazione. Sebbene l'idea rimanga una congettura che necessita di ulteriori test tramite simulazioni e osservazioni, essa offre un nuovo modo affascinante per comprendere la vita profonda e nascosta del mondo quantistico. Rinforza la visione che l'informazione sia un mattone fondamentale della realtà, che modella il modo in cui l'universo evolve dal suo inizio fino alla sua fine.