For Whom Does Bell Hold?

Le leggi della fisica che governano le particelle più piccole governano anche le strutture più vaste del cosmo, dallo spin di un elettrone alla formazione delle galassie. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a un set specifico di regole per distinguere tra un mondo guidato dalla probabilità classica e uno guidato dalla meccanica quantistica. Nel mondo classico, le cose hanno proprietà definite indipendentemente dal fatto che le osserviamo o meno, e le probabilità degli eventi sono calcolate sommando numeri semplici. Nel mondo quantistico, le cose esistono in una nebbia di possibilità finché non vengono misurate, e le probabilità sono calcolate utilizzando numeri complessi che possono interferire tra loro, creando schemi impossibili nel regno classico. Il modo più famoso per dimostrare che un sistema è quantistico è misurare due diverse proprietà che non possono essere conosciute contemporaneamente, un metodo noto come test di Bell. Tuttavia, questo metodo fallisce quando guardiamo l'universo nel suo insieme. Non possiamo riavvolgere il tempo per misurare l'universo primordiale in due modi diversi, e gli osservabili che vediamo oggi, come la distribuzione delle galassie, si comportano come numeri classici ordinari. Ciò lascia un profondo mistero: se i semi di tutta la struttura cosmica sono cresciuti da fluttuazioni quantistiche, come possiamo dimostrarlo ora che quelle fluttuazioni si sono stabilizzate in un modello dall'aspetto classico?

Un team di ricercatori dell'Università della California, San Diego, ha proposto un nuovo modo per risolvere questo enigma, guardando non a ciò che misuriamo, ma a come tali misurazioni cambiano nel tempo. Essi suggeriscono che la storia dell'evoluzione di un sistema contenga un'impronta digitale che distingue un'origine quantistica da una classica, anche quando i risultati finali appaiono identici. Il loro lavoro si concentra sulle correlazioni statistiche tra le diverse parti di un sistema. In un sistema classico, se si parte da fluttuazioni casuali e si lascia che evolvano, le connessioni tra le diverse parti del sistema finiranno per svanire man mano che le diverse frequenze di movimento si sfasano tra loro, un processo chiamato dephasing (defase). In un sistema quantistico, tuttavia, lo stato di vuoto — lo stato di energia più bassa possibile — si comporta diversamente. Anche quando il sistema si trova nel suo stato più tranquillo, le regole quantistiche impongono che esistano certe correlazioni che sono completamente indipendenti dal tempo. I ricercatori dimostrano che se si tenta di costringere un sistema classico a imitare queste correlazioni quantistiche, esso svilupperà inevitabilmente un tipo specifico di instabilità quando le frequenze delle sue parti si allineano perfettamente, una condizione nota come risonanza.

Per dimostrare ciò, gli autori hanno costruito un modello teorico utilizzando oggetti rotanti semplici, simili a piccoli magneti, posti in campi magnetici. Nella versione quantistica di questo modello, gli spin sono posti nel loro stato di energia più bassa. Quando i ricercatori hanno introdotto un'interazione che permetteva agli spin di influenzarsi a vicenda, le connessioni statistiche risultanti tra di essi rimanevano stabili e immutate, dettate solo dai gap energetici tra lo stato fondamentale e gli stati eccitati. Nella versione classica, gli spin sono in costante movimento, precessando come trottole. Per far corrispondere la statistica quantistica, i ricercatori hanno dovuto assumere che gli spin partissero con fasi casuali. Quando hanno introdotto la stessa interazione negli spin classici, il sistema si è comportato diversamente. Inizialmente, le correlazioni sono cresciute, ma con il passare del tempo, le differenze casuali nelle velocità degli spin hanno causato l'attenuazione e il decadimento delle connessioni. La differenza più sorprendente è apparsa quando i ricercatori hanno sintonizzato il sistema su una risonanza, dove la frequenza di uno spin corrispondeva alle frequenze combinate degli altri. Nel mondo classico, questa risonanza ha causato un picco delle correlazioni seguito da un rapido decadimento mentre il sistema perdeva la sua coerenza. Nel mondo quantistico, lo stato fondamentale è rimasto stabile e le correlazioni non hanno mostrato questo decadimento risonante.

I ricercatori hanno generalizzato questa scoperta per dimostrare che non si tratta solo di una particolarità di semplici magneti rotanti, ma di una caratteristica fondamentale di come i sistemi classici e quantistici evolvono. Hanno scoperto che i sistemi classici, quando deformati dalle interazioni, sviluppano inevitabilmente un "Hamiltoniano risonante", una descrizione matematica di come l'energia fluisce tra le parti del sistema quando le loro frequenze si allineano. Questo flusso porta a un comportamento dipendente dal tempo che alla fine si media a zero a causa della natura casuale delle condizioni iniziali. I sistemi quantistici, al contrario, non hanno questo flusso risonante nel loro stato fondamentale perché il vuoto è uno stato unico e stazionario che non può essere eccitato senza aggiungere energia. I ricercatori hanno dimostrato che questa differenza permette un test che non richiede la misurazione di variabili non commutanti o il riavvolgimento dell'universo. Invece, si può semplicemente osservare il modello di correlazioni in un sistema che si è evoluto nel tempo. Se il sistema è classico, le correlazioni mostreranno segni di aver attraversato una fase di risonanza, decadendo infine. Se il sistema è quantistico, le correlazioni rimarranno indipendenti dal tempo e non mostreranno lo stesso schema di decadimento.

Questo approccio offre un modo per distinguere tra un universo che è iniziato con fluttuazioni quantistiche e uno che è iniziato con fluttuazioni classiche, una questione che ha a lungo tormentato i cosmologi. Sebbene esistano altri test, come la ricerca di specifici modelli di rumore nella luce o la verifica di valori negativi nelle distribuzioni di probabilità, tali metodi richiedono spesso condizioni specifiche o falliscono quando il sistema viene osservato in un solo modo. Il metodo qui proposto si basa proprio sulla struttura dell'evoluzione temporale. Gli autori sostengono che l'apparizione di certi poli, o singolarità matematiche, nelle correlazioni di un sistema classico è un segno che il sistema sta attraversando un'interazione risonante che un vuoto quantistico non sperimenta. Analizzando come queste correlazioni si comportano mentre il sistema evolve, è possibile inferire la natura della fisica sottostante senza dover conoscere i dettagli esatti delle forze in gioco.

Lo studio colloca inoltre questo nuovo test nel contesto di altri fenomeni quantistici noti, come i vantaggi di velocità osservati nei computer quantistici. Mentre i computer quantistici possono risolvere certi problemi più velocemente di quelli classici, i ricercatori osservano che questo vantaggio spesso si basa su algoritmi specifici e non fornisce sempre un test diretto e indipendente dal modello come il test di correlazione da loro proposto. Essi sottolineano che il loro lavoro non pretende di aver risolto il mistero dell'universo quantistico, ma piuttosto di fornire un nuovo strumento generalizzato per investigarlo. I risultati suggeriscono che la differenza tra evoluzione quantistica e classica non è solo una questione di scala o complessità, ma una distinzione fondamentale in come la probabilità e il tempo interagiscono. Concentrandosi sui modelli statistici che sopravvivono al passaggio del tempo, gli scienziati potrebbero finalmente essere in grado di leggere la storia delle origini quantistiche dell'universo, anche quando le prove si sono da tempo stabilizzate in un aspetto classico.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre la cosmologia. Gli stessi principi potrebbero applicarsi a qualsiasi sistema chiuso in cui la meccanica quantistica si prevede giochi un ruolo, ma dove la misurazione diretta di variabili non commutanti è impossibile. Che si tratti del comportamento della materia nell'universo primordiale o della dinamica di materiali quantistici complessi, la capacità di distinguere tra evoluzione quantistica e classica basandosi sulle correlazioni dipendenti dal tempo offre una nuova strada da seguire. I ricercatori concludono che, sebbene la sfida di comprendere la natura quantistica della realtà rimanga immensa, la struttura dell'evoluzione temporale stessa potrebbe detenere la chiave per svelarla. Guardando a come le correlazioni crescono, decadono e risuonano, potremmo scoprire che l'universo lascia una firma della sua nascita quantistica proprio nella trama della sua storia statistica.