Decoerenza ed effetti relativistici sul tempo

La metrica o, meglio, la teoria dello spaziotempo di Einstein spiega il passaggio dal dominio quantistico a quello classico. A sostenerlo è un team internazionale di ricercatori in un interessante paper su Nature Physics. Nel 1915 Einstein formulò la teoria della relatività generale cambiando radicalmente la nostra comprensione della gravità. E non solo. Ha spiegato la gravità come la manifestazione della curvatura del tessuto spaziotemporale in cui il tempo stesso viene alterato dalla massa.

Questo fenomeno, noto come ” dilatazione gravitazionale del tempo”, indica il rallentamento del tempo più ci si avvicina a un oggetto massiccio. Se vogliamo tradurre questo principio pensando alla vita di tutti i giorni possiamo dire che le persone che lavorano al piano terra invecchieranno più lentamente rispetto ai loro colleghi al piano di sopra, di circa 10 nanosecondi in un anno. Per quanto possa essere piccolo questo effetto è stato confermato in molti esperimenti e con orologi molto precisi. Ora, un team internazionale di ricercatori ha scoperto che il rallentamento del tempo è in grado di spiegare un altro fenomeno sconcertante: la decoerenza, ossia il passaggio dal livello quantistico a quello che normalmente spieghiamo con i principi della fisica classica.

Cos’è la decoerenza. Il concetto di decoerenza compare per la prima volta nell’articolo di H. Dieter Zeh pubblicato nel 1996, What is achieved by Decoherence? (Che cosa si ottiene con la decoerenza?) ed è, ad oggi, la descrizione dei fenomeni maggiormente condivisa. L’idea è semplice: con decoerenza si intende l’irreversibile scomparsa della sovrapposizione degli stati quantistici attraverso l’inevitabile interazione con il loro ambiente mediante lo scambio di calore e materia.

La scomparsa della capacità di dar luogo a sovrapposizione di stati diversi avviene, al crescere dell’ordine di grandezza, a causa dell’inevitabile interazione dell’oggetto col suo ambiente, interazione che cresce di pari passo con l’aumentare delle dimensioni.  Nel processo irreversibile della decoerenza, dunque, lo stato coerente di sovrapposizione di un oggetto fisico viene perturbato dall’inevitabile influsso dell’ambiente. La determinata relazione coerente di fase tra le componenti della sovrapposizione va così irrimediabilmente perduta. Qui vale la regola che più l’oggetto è grande, tanto prima esso interagirà con l’ambiente, e tanto più bassa sarà la probabilità di osservarlo in uno stato di sovrapposizione. L’inevitabile interazione con l’ambiente distrugge lo stato di sovrapposizione quantistico e conduce, come risultato finale, agli ordinari stati singoli non sovrapposti degli oggetti del nostro ordine di grandezza.

Un gatto, io stessa o altri sistemi mesoscopici non siamo pensabili come sistemi isolati e non assumeremo mai stati di sovrapposizione tra vivo e morto; è quindi sensato pensare che non dovremmo aspettarci che tali sistemi seguano l’equazione di Schrödinger, applicabile solo ad un sistema chiuso. Cosa direbbero del paradosso del gatto di Schrödinger i seguaci della decoerenza?  Abbastanza semplice: la sovrapposizione simultanea degli stati vivo e morto del gatto non ha luogo, perché è distrutta dall’interazione del gatto con il suo ambiente, ad esempio attraverso l’aria (della quale ha necessariamente bisogno per vivere) o la radiazione termica che emette (essendo un corpo dotato naturalmente di una certa temperatura). A questo punto si potrebbe obiettare che a trovarsi in uno stato esteso di sovrapposizione potrebbe ancora essere l’intero contenuto della cassetta e cioè proprio tutto quello che vi è al suo interno: l’atomo radioattivo, il contatore, il martello, la boccetta e il gatto, includendo anche le molecole d’aria e la radiazione termica. Il contenuto della cassetta, essendo un perfetto sistema isolato, sarebbe così immunizzato e al riparo dalla decoerenza. Effettivamente, però, questa sarebbe una idealizzazione a dir poco utopistica: l’oggetto macroscopico “cassetta”, nei casi concreti rilevanti, non può essere considerato un sistema isolato.

Ciò nonostante, il passaggio dal livello quantistico a quello mesoscopico presenta molti problemi.  Mentre è stato possibile effettuare esperimenti di interferenza in sistemi isolati con neutrini e con varie molecole abbastanza grandi – si pensi al fullerene che è composto da un numero elevato di atomi di carbonio – nel caso di un gatto non si può pensare ad esso come ad un sistema isolato. La nostra esperienza continua a confermare che un gatto o è vivo o è morto.

In che modo la gravità uccide i “modi di essere” quantistici? La dilatazione del tempo giocherebbe un ruolo importante nella scomparsa dei fenomeni quantistici. In dettaglio, la sovrapposizione quantistica verrebbe meno man mano che atomi e molecole si strutturano in forme e dimensioni più grandi e, di conseguenza, sono soggetti alla forza di gravità. Ovviamente tutto quello che osserviamo lo osserviamo sulla Terra, dove non possiamo prescindere dalla gravità. Nell’abstract dell’articolo si possono leggere i passaggi concettuali dell’esperimento:

“the physics of low-energy quantum systems is usually studied without explicit consideration of the background spacetime. Phenomena inherent to quantum theory in curved spacetime, such as Hawking radiation, are typically assumed to be relevant only for extreme physical conditions: at high energies and in strong gravitational fields. Here we consider low-energy quantum mechanics in the presence of gravitational time dilation and show that the latter leads to the decoherence of quantum superpositions. Time dilation induces a universal coupling between the internal degrees of freedom and the centre of mass of a composite particle. The resulting correlations lead to decoherence in the particle position, even without any external environment. We also show that the weak time dilation on Earth is already sufficient to affect micrometre-scale objects. Gravity can therefore account for the emergence of classicality and this effect could in principle be tested in future matter-wave experiments”.

Paper: Igor Pikovski et alii., Universal decoherence due to gravitational time dilation, in Nature Physics(2015) doi:10.1038/nphys3366.

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-einstein-quantum-cat.html

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