Causal Trade-Offs in Superluminal Extensions of Relativity. A no-go theorem

Nell'universo così come lo intendiamo, la velocità della luce funge da limite di velocità cosmico, non solo per la luce stessa, ma per qualsiasi cosa trasporti informazione. Questo limite è intrecciato nella trama stessa dello spazio e del tempo, creando una struttura in cui la causa deve sempre precedere l'effetto. Se invii un messaggio, esso non può arrivare prima che tu lo abbia inviato, indipendentemente da quanto velocemente tu stia viaggiando. Questo principio, noto come causalità relativistica, mantiene ordinato il cronogramma dell'universo. Tuttavia, i fisici si sono a lungo interrogati su cosa accadrebbe se potessimo immaginare un mondo in cui questo limite non esiste. Cosa succederebbe se un osservatore potesse muoversi più velocemente della luce? Per decenni, un tale scenario è stato liquidato come impossibile, ma recenti lavori teorici hanno suggerito che, se potessimo estendere le nostre leggi della fisica per includere questi osservatori superveloci, la natura strana e imprevedibile della meccanica quantistica potrebbe in realtà essere una conseguenza necessaria. Questa idea propone che l'incertezza che vediamo nel mondo quantistico non sia un difetto delle nostre misurazioni, ma un requisito fondamentale per impedire all'universo di violare le proprie regole quando viene osservato da una prospettiva superluminale.

Un team di ricercatori ha ora preso questa intrigante proposta e l'ha sottoposta a un test rigoroso utilizzando un nuovo modo di mappare causa ed effetto. Hanno costruito un quadro formale per analizzare se una teoria che permetta osservatori più veloci della luce possa davvero evitare il paradosso dell'invio di segnali indietro nel tempo. La loro indagine si concentra su uno scenario di comunicazione semplice: una persona invia un messaggio a un'altra. Nel nostro mondo normale, questo è un processo diretto. Ma quando i ricercatori hanno applicato la matematica delle trasformazioni superluminali a questa configurazione, hanno scoperto un profondo conflitto. Hanno dimostrato che non è possibile avere una teoria che includa osservatori più veloci della luce, che permetta libere scelte negli esperimenti, che mantenga le leggi della fisica uguali per tutti e che impedisca la comunicazione superluminale contemporaneamente. L'universo, sembra, impone un compromesso.

I ricercatori hanno iniziato esaminando un argomento specifico proposto da due fisici, Andrzej Dragan e Artur Ekert. Essi avevano suggerito che, se permettessimo la presenza di osservatori che si muovono più velocemente della luce, il passato non determinerebbe più il futuro in modo stretto e locale. Nella loro visione, questa perdita di determinismo locale introdurrebbe un'incertezza fondamentale nel tempo e nella localizzazione degli eventi. Sostenevano che questa incertezza sarebbe stata così significativa da sfumare i confini tra causa ed effetto quanto basta per impedire a chiunque di inviare un segnale più veloce della luce, salvando così l'universo dai paradossi. Era una soluzione ingegnosa: usare la vaghezza della realtà per tappare i buchi della causalità.

Per testare ciò, il team ha costruito un modello dettagliato di un protocollo di comunicazione. Immaginate che Alice voglia inviare un semplice bit di informazione a Bob. Lei possiede un dispositivo che può o emettere una particella o rimanere silente. Se lei sceglie di emetterla, Bob, che attende a distanza, potrebbe rilevarla. Nella nostra esperienza quotidiana, la scelta di Alice è libera e la particella viaggia verso Bob entro i limiti della velocità della luce. I ricercatori si sono poi chiesti: cosa succede se guardiamo questo stesso evento dalla prospettiva di un osservatore che si muove più velocemente della luce? In questo sistema di riferimento superveloce, l'ordine degli eventi può invertirsi. Ciò che era la causa nel nostro sistema di riferimento potrebbe apparire come l'effetto nel sistema di riferimento superveloce. Se la connessione tra Alice e Bob è abbastanza forte da costituire un messaggio, questo ribaltamento crea un problema: sembra che un segnale stia viaggiando all'indietro nel tempo o attraverso un divario che dovrebbe essere impossibile da attraversare.

La proposta di Dragan-Ekert suggerisce che la soluzione sia introdurre l'incertezza "D-E", ovvero una sfocatura del momento e del luogo esatti in cui la particella viene emessa o rilevata. L'idea è che se l'evento non è abbastanza nitido da poter essere individuato con precisione, il messaggio non può essere inviato. Tuttavia, il nuovo studio mostra che questa sfocatura non è una soluzione magica. I ricercatori hanno dimostrato che, affinché questa incertezza impedisca effettivamente il paradosso, la "sfocatura" dovrebbe essere immensamente grande. Hanno calcolato che, per mantenere sicuro l'ordine causale in un sistema di riferimento superluminale, la regione in cui Bob attende la particella dovrebbe essere così vasta da coprire centinaia di migliaia di chilometri. Per un esperimento standard in cui Alice e Bob si trovano a forse pochi metri di distanza, l'incertezza richiesta sarebbe della scala di un secondo-luce, ovvero circa 300.000 chilometri. Questa non è una sottile incertezza quantistica; è una distorsione macroscopica che renderebbe l'esperimento impossibile da eseguire in qualsiasi senso pratico.

Lo studio non si ferma al dimostrare che la soluzione proposta è impraticabile. Va oltre, mappando esattamente cosa debba essere sacrificato per far funzionare una teoria con osservatori superluminali. I ricercatori hanno dimostrato che, per evitare il paradosso, si deve abbandonare almeno uno dei pilastri fondamentali della fisica. Si potrebbe rinunciare all'idea che Alice abbia il libero arbitrio di scegliere il suo messaggio. Si potrebbe accettare che le leggi della fisica cambino a seconda di chi osserva, il che significa che la probabilità che un messaggio arrivi sarebbe diversa per diversi osservatori. Si potrebbe accettare che i messaggi possano effettivamente viaggiare più veloci della luce, rompendo di fatto il limite di velocità cosmico. Oppure, si potrebbe accettare che la correlazione tra Alice e Bob semplicemente non esista affatto, il che significherebbe che nessuna comunicazione è possibile.

Il risultato più sorprendente è che l'introduzione dell'incertezza oggettiva, come proposto da Dragan ed Ekert, non è l'unico modo per risolvere il problema, né è necessariamente il modo giusto. I ricercatori hanno mostrato che, se si è disposti a rinunciare ad altre assunzioni, come l'indipendenza degli osservatori o l'esistenza del libero arbitrio, si può evitare il paradosso senza necessitare di questa enorme e irrealistica incertezza. Infatti, se si accetta che il mittente e il destinatario possano scambiarsi i ruoli a seconda della velocità dell'osservatore, la necessità di incertezza scompare interamente in certi scenari. Ciò suggerisce che l'incertezza proposta da Dragan ed Ekert non è un requisito fondamentale di un universo superluminale, ma piuttosto un modo specifico, e forse non necessario, per tentare di tappare i buchi.

In definitiva, questo lavoro chiarisce il panorama delle possibilità per le teorie che estendono la relatività. Dimostra che il conflitto tra osservatori superluminali e la proibizione di segnali superluminali non si risolve semplicemente dicendo "tutto è incerto". Al contrario, rivela un insieme di scelte difficili. Qualsiasi teoria che desideri includere osservatori superluminali deve sacrificare qualcos'altro che noi consideriamo prezioso, che sia il principio per cui tutti gli osservatori vedono le stesse leggi, il concetto di libero arbitrio o la possibilità stessa di comunicazione. I ricercatori non hanno escluso l'esistenza di tali osservatori, ma hanno tracciato un confine netto attorno a ciò che una tale teoria dovrebbe essere. Non può essere una semplice estensione della nostra fisica attuale con un po' di incertezza aggiunta; richiederebbe un ripensamento fondamentale di come causa, effetto e scelta interagiscono nell'universo. La strada da seguire non è assumere che l'incertezza salvi la situazione, ma comprendere esattamente quale prezzo dovremmo pagare per lasciare che l'universo si muova più velocemente della luce.