Le teorie della meccanica quantistica e della gravità sono note per essere incompatibili, nonostante gli sforzi di decine di fisici negli ultimi cinquant'anni. Però, recentemente un team internazionale di ricercatori guidati da fisici dell'Università di Vienna, l'Accademia austriaca delle scienze, l'Università del Queensland (AUS) e lo Stevens Institute of Technology (US) hanno combinato gli elementi chiave delle due teorie che descrivono il flusso del tempo e hanno scoperto che l'ordine temporale tra gli eventi può mostrare autentiche caratteristiche quantistiche .

Secondo la relatività generale, la presenza di un oggetto massiccio rallenta lo scorrere del tempo. Ciò significa che un orologio posizionato vicino a un oggetto massiccio funzionerà più lentamente rispetto a uno identico che è più lontano.

Però, le regole della teoria quantistica consentono di preparare qualsiasi oggetto in uno stato di sovrapposizione. Uno stato di sovrapposizione di due posizioni è diverso dal posizionare un oggetto in una o nell'altra posizione in modo casuale:è un altro modo in cui un oggetto esiste, consentito dalle leggi della fisica quantistica.

Una delle domande aperte in fisica è:cosa succede quando un oggetto abbastanza massiccio da influenzare il flusso del tempo viene posto in uno stato di sovrapposizione quantistica?

Questo è un argomento controverso:alcuni fisici affermano che tali scenari sono fondamentalmente impossibili - in primo luogo alcuni nuovi meccanismi devono impedire la formazione della sovrapposizione - mentre altri sviluppano intere teorie basate sul presupposto che ciò sia possibile.

"Abbiamo iniziato affrontando una domanda:cosa misurerebbe un orologio se fosse influenzato da un oggetto massiccio in uno stato di sovrapposizione quantistica?" spiega Magdalena Zych dell'Università del Queensland.

Gli scienziati si aspettavano di affrontare i blocchi stradali rendendo impossibile lo scenario, ma sorprendentemente, usando la fisica standard dei libri di testo sono stati in grado di descrivere esattamente cosa succede.

Hanno così scoperto che quando un oggetto massiccio viene posto in una sovrapposizione quantistica in prossimità di una serie di orologi, il loro ordine temporale può diventare genuinamente quantistico, sfidando ogni descrizione classica.

Caslav Brukner, il coautore dell'Università di Vienna e dell'Accademia austriaca delle scienze ha aggiunto che il regime in cui potrebbe sorgere l'ordine quantistico del tempo è abbastanza remoto dalla nostra esperienza quotidiana, "ma l'intuizione più importante del nostro lavoro è che l'ordine temporale quantistico è possibile, e che si traduca in nuovi effetti fisici."

Per illustrare cosa succede, immagina un paio di astronavi che si addestrano per una missione. Viene chiesto loro di spararsi l'un l'altro in un momento specifico, e avviano immediatamente i loro motori per schivare l'attacco dell'altro. Se una delle navi fa fuoco troppo presto, distruggerà l'altro, e questo stabilisce un ordine temporale inequivocabile tra gli eventi di sparo. Se un potente agente potesse piazzare un oggetto sufficientemente massiccio, diciamo un pianeta, più vicino a una nave rallenterebbe il conteggio del tempo. Di conseguenza, la nave più lontana dalla massa sparerà troppo presto perché la prima scappi.

Le leggi della fisica quantistica e della gravità prevedono che manipolando uno stato di sovrapposizione quantistica del pianeta, le navi possono finire in una sovrapposizione di una di esse che vengono distrutte. Un tale stato di sovrapposizione, coinvolgendo due sistemi, si chiama entangled. Il nuovo lavoro mostra che l'ordine temporale tra gli eventi può mostrare sovrapposizione e entanglement, caratteristiche genuinamente quantistiche di particolare importanza per testare la teoria quantistica rispetto alle alternative. Il risultato può ora essere utilizzato come banco di prova teorico per strutture per la gravità quantistica, e quindi aiutare ad andare avanti nella formulazione della teoria corretta della gravità quantistica.

Lo studio sarà rilevante anche per le future tecnologie quantistiche. I computer quantistici che sfruttano l'ordine quantistico di eseguire operazioni potrebbero battere i dispositivi che operano utilizzando solo sequenze fisse. Le implementazioni pratiche dell'ordine temporale quantistico non richiedono condizioni estreme, come i pianeti in sovrapposizione, e possono essere simulate senza l'uso della gravità. La scoperta delle proprietà quantistiche del tempo può portare a dispositivi quantistici migliori nella prossima era dei computer quantistici.