Eventi di luce dal nulla: scoperta una nuova dimensione del tempo
Un team europeo rivela lampi di luce che nascono dal nulla e resistono ai disturbi esterni. Condotti degli esperimenti che riscrivono le regole della fisica e promettono applicazioni nei laser, nelle telecomunicazioni e nella computazione quantistica
Nel cuore di un laboratorio, un gruppo di fisici delle Università di Rostock e Birmingham ha osservato un fenomeno senza precedenti: un lampo di luce che nasce e scompare dal nulla, localizzato in un punto esatto dello spazio e del tempo, senza alcuna sorgente visibile. I risultati, pubblicati su Nature Photonics, annunciano una scoperta che scuote dalle fondamenta il modo in cui concepiamo tempo, spazio e luce.
“È come il primo verso della Genesi”, commenta con tono evocativo il professor Alexander Szameit. “All’inizio non c’è nulla. Poi la fisica dice: ‘sia la luce’ – e la luce si manifesta davvero, in un istante preciso e irripetibile.” Non si tratta di un’iperbole, ma del risultato di complesse interazioni tra luce, topologia e proprietà nascoste del tempo stesso. Il fenomeno, definito evento topologico spazio-temporale, si presenta come una nuova classe di stati della luce, “resistenti a disturbi, imprecisioni e persino al caos ambientale”, come sottolinea il dott. Joshua Feis.
Il tempo non è più un semplice vettore
Per secoli la fisica ha trattato il tempo come una freccia irreversibile, una linea che scorre in avanti senza possibilità di ritorno. Già Sir Arthur Eddington, nel 1927, parlava dell’arrow of time come una peculiarità misteriosa e non spiegata a fondo. Mentre lo spazio poteva essere curvato, deformato, segmentato, il tempo era rigido, unidirezionale.
Ma negli ultimi anni, la ricerca su cristalli temporali e strutture spazio-temporali periodiche ha mostrato che anche il tempo può avere simmetrie, interfacce e, soprattutto, transizioni topologiche. L’introduzione di cristalli spazio-temporali – strutture in grado di ripetersi sia nel tempo che nello spazio – ha fornito il contesto ideale per esplorare un fenomeno radicale: la possibilità che il tempo stesso ospiti stati quantistici protetti, analoghi a quelli già noti nella materia.
Cos’è un evento topologico spazio-temporale e perché è rivoluzionario
L’evento osservato dai ricercatori è un nuovo tipo di stato quantistico: un impulso di luce che si forma in un punto preciso nello spazio-tempo, protetto da invarianti topologici. Si tratta di proprietà matematiche che, anche in presenza di perturbazioni esterne o errori sperimentali, garantiscono l’esistenza dello stato.
Prof.ssa Hannah Price: “La topologia impone certe regole fondamentali. Qui, queste regole si applicano al tempo. Il risultato è che lo stato di luce non solo appare dal nulla, ma lo fa con una precisione e stabilità che mai avevamo visto prima.”
L'evento è causalmente protetto: non può essere attivato se il segnale non proviene da una direzione temporale corretta. Anche se si invia un impulso identico da una direzione futura, l’evento non si attiva. Questo comportamento riflette una nuova applicazione del principio di causalità, unica nella fisica dei materiali.
Come nasce la luce dallo spazio-tempo
L’esperimento si basa su un sistema ottico estremamente sofisticato: due anelli di fibra ottica accoppiati, con percorsi leggermente diversi, attraverso i quali vengono fatti passare impulsi di luce. L’interferenza controllata tra questi impulsi genera un reticolo fotonico sintetico, all’interno del quale la luce si comporta come se si muovesse su una griglia quantistica.
Ogni passaggio della luce attraverso gli anelli equivale a un passo temporale in un cammino quantistico discreto. Variando le proprietà del mezzo (attraverso modulatori di fase, guadagni/attenuazioni, e beamsplitter), i ricercatori sono riusciti a modellare i parametri topologici del sistema, aprendo gap di energia e di quantità di moto – condizioni necessarie alla nascita degli stati topologici.
I tre tipi di topologia: spaziale, temporale e spazio-temporale
Finora la topologia in fisica riguardava quasi esclusivamente lo spazio: un materiale presentava bordi o interfacce dove comparivano stati elettronici o fotonici protetti. Questa è la cosiddetta topologia spaziale.
Ma esiste anche una topologia temporale, che si manifesta in sistemi dove le proprietà variano nel tempo. Qui, le transizioni non avvengono nello spazio, ma al passaggio da un’epoca temporale a un’altra. Quando questi due approcci si combinano, si entra nel regno della topologia spazio-temporale, dove gli stati si localizzano simultaneamente nello spazio e nel tempo, creando eventi altamente localizzati e protetti.
Il ruolo dei gap di quantità di moto e la teoria del winding number temporale
La protezione degli eventi osservati è garantita da proprietà topologiche calcolabili, tra cui il winding number temporale, una quantità che misura come gli stati fotonici si avvolgono attorno a certi punti nello spazio dei parametri del sistema. Quando questo numero cambia, si verifica una transizione topologica.
I ricercatori hanno usato matrici di trasferimento e modelli non-Hermitiani per analizzare i gap di quantità di moto, rilevando che questi si comportano come veri e propri gap topologici temporali, analoghi ai gap energetici noti nella materia condensata.
Applicazioni future: comunicazioni ottiche, imaging e laser topologici
Gli eventi spazio-temporali potrebbero rivoluzionare le tecnologie fotoniche. Grazie alla loro robustezza intrinseca, offrono vantaggi enormi in campi dove la stabilità della luce è cruciale, come:
- Laser topologici, capaci di generare luce estremamente coerente, resistente al rumore
- Comunicazioni quantistiche, dove l'informazione deve viaggiare in modo sicuro nel tempo
- Imaging ad alta risoluzione, in particolare nei tessuti biologici, dove la luce deve penetrare senza distorsioni
“È la nascita di una nuova architettura ottica basata non su materiali, ma su concetti matematici astratti applicati al tempo stesso”, sintetizza il dott. Sebastian Weidemann.
Il futuro della fisica: tempo, topologia e nuove connessioni con altri campi
Le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre la fotonica. Le stesse idee potrebbero essere applicate a onde acustiche, vibrazioni meccaniche, onde d’acqua, atomi ultrafreddi, o persino sistemi biologici.
Il concetto di topologia legata al tempo richiama la termodinamica irreversibile, la computazione quantistica e persino la cosmologia. L’idea che la freccia del tempo possa ospitare stati protetti apre un ventaglio di domande fondamentali: è possibile manipolare la causalità? Potremo in futuro selezionare solo i segnali che provengono da direzioni temporali specifiche?
La ricerca è appena iniziata, ma la scoperta di Rostock e Birmingham mostra che la fisica del XXI secolo si muoverà sempre più nel tempo, oltre che nello spazio.
Fonti:
