I fisici prevedono l'esistenza dei cristalli temporali

Una delle idee più potenti della fisica moderna è che l'Universo sia governato dalla simmetria. Questa è l'idea che certe proprietà di un sistema non cambiano quando subisce una trasformazione di qualche tipo.

Ad esempio, se un sistema si comporta allo stesso modo indipendentemente dal suo orientamento o movimento nello spazio, deve obbedire alla legge di conservazione della quantità di moto.

Se un sistema produce lo stesso risultato indipendentemente da quando si verifica, deve obbedire alla legge di conservazione dell'energia.

Dobbiamo ringraziare la matematica tedesca Emmy Noether per questo potente modo di pensare. Secondo il suo famoso teorema, ogni simmetria equivale a una legge di conservazione. E le leggi della fisica sono essenzialmente il risultato della simmetria.

Altrettanto potente è l'idea della rottura della simmetria. Quando l'universo mostra meno simmetria rispetto alle equazioni che lo descrivono, i fisici dicono che la simmetria è stata rotta.

Un esempio ben noto è la soluzione a bassa energia associata alla precipitazione di un solido da una soluzione, la formazione di cristalli, che hanno una periodicità spaziale. In questo caso la simmetria spaziale si rompe.

I cristalli spaziali sono ben studiati e ben compresi. Ma sollevano una domanda interessante: l'universo consente la formazione di periodicità simili nel tempo?

Oggi, Frank Wilczek del Massachussettsi Institute of Technology e Al Shapere dell'Università del Kentucky, discutono di questa domanda e concludono che la simmetria temporale sembra fragile quanto la simmetria spaziale a basse energie.

Questo processo dovrebbe portare a periodicità che chiamano cristalli temporali. Inoltre, i cristalli temporali dovrebbero esistere, probabilmente sotto i nostri stessi nasi.

Esploriamo questa idea in modo un po' più dettagliato. Innanzitutto, cosa significa per un sistema rompere la simmetria temporale? Wilczek e Shapere la pensano così. Immaginano un sistema nel suo stato energetico più basso che è completamente descritto, indipendentemente dal tempo.

Poiché è nel suo stato energetico più basso, questo sistema dovrebbe essere congelato nello spazio. Pertanto, se il sistema si muove, deve rompere la simmetria temporale. Ciò equivale all'idea che lo stato di energia più bassa ha un valore minimo su una curva nello spazio piuttosto che in un singolo punto isolato

In realtà non è così straordinario. Wilczek sottolinea che un superconduttore può trasportare una corrente, il movimento di massa degli elettroni, anche nel suo stato energetico più basso.

Il resto è essenzialmente matematica. Allo stesso modo in cui le equazioni della fisica consentono la formazione spontanea di cristalli spaziali, periodicità nello spazio, così devono consentire anche la formazione di periodicità nel tempo o cristalli temporali.

In particolare, Wilczrek considera la rottura spontanea della simmetria in un sistema quantomeccanico chiuso. È qui che la matematica diventa un po' strana. La meccanica quantistica costringe i fisici a pensare a valori immaginari del tempo o iTime, come lo chiama Wilczek.

Egli mostra che le stesse periodicità dovrebbero presentarsi in iTime e che questo dovrebbe manifestarsi come comportamento periodico di vari tipi di proprietà termodinamiche.

Ciò ha una serie di importanti conseguenze. Il primo è la possibilità che questo processo fornisca un meccanismo per misurare il tempo, poiché il comportamento periodico è come un pendolo. La formazione spontanea di un cristallo temporale rappresenta l'emergere spontaneo di un orologio, afferma Wilczek.

Un altro è la possibilità che sia possibile sfruttare i cristalli temporali per eseguire calcoli utilizzando energia zero. Come dice Wilczek, è interessante ipotizzare che un... sistema meccanico quantistico i cui stati potrebbero essere interpretati come una raccolta di qubit, potrebbe essere progettato per attraversare un paesaggio programmato di stati strutturati nello spazio di Hilbert nel tempo.

Nel complesso questo è un argomento semplice. Ma la semplicità è spesso ingannevolmente potente. Naturalmente, ci saranno controversie su alcuni dei problemi che questo solleva. Uno di questi è che il movimento che rompe la simmetria temporale sembra un po' sconcertante. Wilczek e Shapere lo riconoscono: parlando in senso lato, ciò che stiamo cercando sembra pericolosamente vicino al moto perpetuo.

Ci vorrà un po' di difesa. Ma se qualcuno ha il pedigree per portare avanti queste idee, è Wilczek, che è un fisico vincitore del premio Nobel.

Attendiamo con impazienza il dibattito che segue.

Rif.:

arxiv.org/abs/1202.2539 : Cristalli del tempo quantistico

arxiv.org/abs/1202.2537 Cristalli del tempo classico

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