Relatività e meccanica quantistica trattano il tempo in modi profondamente diversi. Nuovi lavori sugli orologi quantistici rafforzano un’idea che i fisici discutono da decenni: il tempo potrebbe emergere dalle relazioni tra sistemi, invece di costituire un ingrediente fondamentale dell’Universo
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LA NOTIZIA IN BREVE – Da oltre quarant’anni alcuni fisici provano a risolvere un paradosso: come può nascere il tempo da equazioni che, in certe formulazioni della gravità quantistica, sembrano farne a meno? Una delle risposte più influenti arriva dal modello di Page e Wootters, secondo cui la successione degli eventi può emergere dalle correlazioni tra un sistema e un “orologio” interno. Esperimenti con fotoni e studi più recenti sui riferimenti temporali quantistici hanno trasformato questa idea in un vero terreno di ricerca.
Oggi il punto più interessante riguarda il rapporto tra tempo, causalità e gravità. In alcuni modelli, cambiando orologio quantistico cambia anche il modo in cui un evento viene collocato nel tempo; perfino l’ordine tra due operazioni può assumere caratteristiche indefinite. La posta in gioco va oltre la misura delle ore: capire se spazio e tempo siano proprietà fondamentali oppure fenomeni emergenti potrebbe diventare uno dei passaggi decisivi verso una teoria quantistica della gravità.
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L’APPROFONDIMENTO – Il tempo potrebbe non esistere. Almeno, potrebbe non esistere nel modo in cui lo immaginiamo ogni giorno, come un grande orologio universale che scandisce nello stesso ordine passato, presente e futuro. La fisica moderna prende sul serio questa possibilità da decenni e gli studi sugli orologi quantistici stanno rendendo la questione ancora più concreta. In un lavoro accettato nell’agosto 2026 da Physical Review D, Veronika Baumann e Maximilian P. E. Lock mostrano che uno stesso evento può occupare un istante preciso rispetto a un orologio quantistico e apparire distribuito nel tempo rispetto a un altro.
È un risultato teorico, ma tocca uno dei problemi più profondi della fisica contemporanea. Quando gli scienziati provano a mettere insieme relatività generale e meccanica quantistica, il tempo perde il ruolo familiare che gli attribuiamo. Le equazioni suggeriscono una possibilità sorprendente: potremmo ricavare ciò che chiamiamo tempo dalle relazioni tra le parti dell’Universo, proprio come ricaviamo la temperatura dal comportamento collettivo di miliardi di particelle.
La fisica usa due idee diverse di tempo
Einstein ha già tolto al tempo il carattere assoluto che Newton gli attribuiva. Nella relatività, spazio e tempo formano un’unica struttura, lo spaziotempo, e due osservatori possono misurare durate differenti tra gli stessi eventi. La velocità modifica il ritmo degli orologi. Anche la gravità lo modifica. Un orologio posto più vicino a una grande massa accumula il tempo in maniera diversa rispetto a uno situato più lontano.
Qui entriamo nella fisica sperimentale, molto lontano dalle speculazioni filosofiche. Gli scienziati misurano questi effetti con orologi atomici e i sistemi di navigazione satellitare li tengono in considerazione ogni giorno. Senza le correzioni previste dalla relatività, la posizione calcolata dai satelliti accumulerebbe rapidamente errori.
La meccanica quantistica parte invece da un’altra impostazione. Nella sua formulazione più comune tratta il tempo come un parametro esterno: l’orologio scorre e, lungo quello scorrere, lo stato quantistico cambia. I problemi nascono quando si prova a costruire una teoria capace di descrivere contemporaneamente gravità e fenomeni quantistici. In quel punto i due concetti entrano in collisione.
La celebre equazione di Wheeler-DeWitt, sviluppata nel tentativo di descrivere quantisticamente l’intero Universo, offre l’esempio più radicale. Nella sua forma fondamentale manca il parametro temporale che compare nell’equazione di Schrödinger.
Ed ecco il rompicapo: come può nascere un Universo nel quale vediamo continuamente cose accadere da una descrizione fondamentale che sembra priva di un orologio esterno?
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Un Universo immobile visto da fuori, in movimento visto da dentro
Nel 1983 i fisici Don Page e William Wootters proposero una risposta elegante. Immaginarono l’Universo come un unico sistema quantistico. Una sua parte svolge il ruolo di orologio; tutto il resto cambia in relazione a quell’orologio. Il tempo emerge così dalle correlazioni tra le diverse parti del sistema.
Immaginiamo un libro che raccolga tutti i fotogrammi di un film. Il libro completo contiene l’intera storia in una volta sola. Sfogliando le pagine, però, compare una sequenza: un’immagine segue l’altra e nasce la sensazione del movimento. Page e Wootters applicano un principio simile al mondo quantistico. L’intero sistema può possedere una descrizione globale stazionaria, mentre un osservatore interno ricostruisce una successione di eventi confrontando ciò che osserva con una parte usata come orologio.
Più di trent’anni dopo, nel 2014, un gruppo guidato da ricercatori dell’INRIM di Torino, insieme a Scuola Normale Superiore, CNR, Università di Pavia e INFN, portò in laboratorio un’illustrazione di questo meccanismo attraverso due fotoni correlati. Usando uno dei due come orologio, i ricercatori vedevano evolvere lo stato dell’altro. Considerando invece la coppia nel suo insieme, ottenevano una descrizione stazionaria. L’esperimento trasformò un problema apparentemente confinato alla cosmologia in qualcosa che un laboratorio poteva esplorare con gli strumenti dell’ottica quantistica.
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Che cosa succede se gli orologi diventano due?
Baumann e Lock hanno analizzato sistemi con diversi riferimenti temporali quantistici. Ed emerge un risultato che mette in crisi una delle nostre intuizioni più robuste: la domanda «quando è accaduto?» può dipendere dall’orologio scelto. Rispetto a un primo orologio, un evento può occupare un istante ben definito. Cambiando riferimento, lo stesso evento può distribuirsi su più tempi possibili.
Nel mondo quotidiano una situazione del genere appare assurda. Un incidente avviene alle 10.32 oppure alle 10.33. Nel regime quantistico, però, gli stati possono trovarsi in sovrapposizione e anche un riferimento temporale può acquisire proprietà quantistiche.
La questione diventa interessante quando entrano in scena due eventi. Siamo abituati a costruire un evento suddividendolo in blocco: prima succede A, poi succede B. Oppure l’ordine si rovescia. La fisica quantistica permette altre configurazioni nelle quali l’ordine delle operazioni entra in sovrapposizione.
Il caso più famoso prende il nome di quantum switch. In questi esperimenti un sistema attraversa due operazioni, A e B, mentre il dispositivo mantiene una sovrapposizione dei percorsi «A poi B» e «B poi A».
I laboratori hanno già osservato questo fenomeno con fotoni. Nel 2018 un esperimento pubblicato su Physical Review Letters fornì una delle verifiche più nette dell’ordine causale indefinito. Da allora i ricercatori hanno esteso il concetto e nel 2025 un esperimento su chip fotonico ha esplorato configurazioni ancora più complesse.
La posta in gioco riguarda il significato stesso di prima e dopo quando la natura entra pienamente nel regime quantistico.
La gravità rende il problema ancora più strano
A questo punto proviamo ad “aggiungere Einstein”. La gravità cambia il ritmo degli orologi. La meccanica quantistica permette invece a un sistema di occupare una sovrapposizione di stati. Combinando le due idee, alcuni modelli descrivono masse quantistiche capaci di produrre una sovrapposizione di differenti geometrie dello spaziotempo. A quel punto anche l’ordine temporale tra gli eventi può diventare indefinito.
Nel 2020 un lavoro pubblicato su Nature Communications ha studiato proprio un gravitational quantum switch. L’idea collega due territori che i fisici cercano di unire da quasi un secolo: la relatività generale, che descrive la gravità attraverso la geometria dello spaziotempo, e la meccanica quantistica, che governa particelle e atomi.
Gli esperimenti capaci di mettere direttamente alla prova queste condizioni richiedono ancora tecnologie molto più raffinate. Proprio qui si concentra una parte della ricerca: costruire sistemi quantistici sempre più massicci, orologi sempre più precisi e misure abbastanza sensibili da rivelare l’eventuale natura quantistica della gravità. Il risultato potrebbe dirci che spazio e tempo possono nascere insieme da una struttura ancora più profonda.
Perché sentiamo il tempo scorrere in un’unica direzione?
Resta una domanda molto più vicina alla nostra esperienza. Ricordiamo ieri e aspettiamo domani. Vediamo un bicchiere cadere, rompersi e spargere frammenti sul pavimento. La sequenza opposta appartiene ai film proiettati al contrario. La termodinamica fornisce una parte fondamentale della spiegazione. Nei sistemi macroscopici l’entropia tende a crescere. Gli stati disordinati risultano enormemente più numerosi di quelli ordinati e questa asimmetria costruisce ciò che i fisici chiamano freccia del tempo.
Il ghiaccio si scioglie. Il profumo si diffonde in una stanza. Il calore passa spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo. Miliardi di eventi microscopici producono una direzione macroscopica chiarissima. Qui appare uno dei punti più affascinanti dell’intera storia. Il tempo fondamentale e la freccia del tempo potrebbero rappresentare due problemi diversi. Un livello profondo della realtà potrebbe descrivere soltanto relazioni tra sistemi. A una scala più grande, entropia, memoria e irreversibilità costruirebbero invece la successione temporale che accompagna ogni momento della nostra vita.
Alcuni modelli recenti provano infatti a usare proprio l’aumento dell’entropia come una sorta di orologio interno dell’Universo.
E se non fosse questa la domanda corretta?
Chiedere semplicemente «il tempo esiste?» rischia di mettere insieme fenomeni diversi. Gli orologi misurano intervalli di tempo. La relatività spiega come gravità e velocità cambino quelle misure. La termodinamica racconta perché il mondo macroscopico possiede una direzione privilegiata. La gravità quantistica cerca invece il livello più profondo, quello dal quale potrebbero emergere spazio, tempo e causalità.
Ed è proprio lì che la vecchia immagine del tempo come fiume universale comincia a scricchiolare. La fisica possiede già esempi di proprietà emergenti. La temperatura offre forse il paragone più semplice: un singolo atomo possiede energia e velocità, mentre la temperatura acquista significato quando consideriamo moltissime particelle insieme. Il tempo potrebbe seguire una logica simile.
In quel caso nessuno avrebbe bisogno di «accendere» un grande orologio cosmico all’origine dell’Universo. Basterebbero sistemi capaci di cambiare gli uni rispetto agli altri. Da quelle relazioni nascerebbero sequenze, orologi, ricordi e infine il tempo che scandisce la nostra esperienza.
La verifica decisiva arriverà dagli esperimenti. Orologi quantistici sempre più precisi, sistemi sottoposti a differenti campi gravitazionali e test sull’ordine causale potrebbero distinguere tra modelli che oggi producono descrizioni molto simili.
Link utili
Studi e fonti scientifiche per approfondire il dibattito sulla natura del tempo.
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Studio scientifico · 2026
Tempo e riferimenti quantistici
Lo studio analizza come la collocazione temporale degli eventi possa cambiare scegliendo differenti orologi quantistici e affronta il tema dell’ordine causale indefinito.
Vai allo studio → -
Studio fondamentale · 1983
Il modello di Page e Wootters
Il lavoro che ha introdotto l’idea di descrivere l’evoluzione temporale attraverso le correlazioni tra un sistema e un orologio interno.
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Esperimento · 2014
Il tempo ricostruito con due fotoni
Un esperimento con fotoni correlati ha fornito un’illustrazione in laboratorio del meccanismo proposto da Page e Wootters.
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Approfondimento scientifico · 2023
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Un’analisi del modello Page-Wootters chiarisce quali correlazioni servono perché emerga una dinamica temporale e in quali condizioni l’entanglement risulti necessario.
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