Sembra tutto ovvio. Ma se ci fermiamo un attimo e ci chiediamo cosa abbia da dire la fisica sul perché il tempo scorre, scopriamo che fatica a rispondere. Le idee di Einstein hanno distorto il tempo, la teoria quantistica lo considera appena, e nessun altro settore della fisica moderna lo spiega in modo soddisfacente. “È uno dei più grandi misteri della scienza”, dice Natalia Ares dell’università di Oxford.

Ora, però, sta tornando alla ribalta una delle proposte più audaci su come funziona davvero il tempo. Negli anni ottanta alcuni fisici avevano ipotizzato che fosse un’illusione provocata dallo strano funzionamento della meccanica quantistica. All’epoca questa idea, conosciuta come meccanismo di Page-Wootters, aveva destato molto interesse, ma era impossibile metterla alla prova. Quarant’anni dopo, nuove ricerche sul funzionamento degli orologi mostrano come potremmo finalmente verificare questa elegante teoria e svelare il ruolo misterioso dei buchi neri nello scorrere del tempo.

Se analizziamo le leggi e le equazioni della fisica moderna, l’unico indizio del fatto che il tempo scorre in un’unica direzione verrebbe dalla seconda legge della termodinamica, secondo cui l’entropia, una misura del disordine, tende ad aumentare. È per questo che il caffè non si separa dal latte una volta mischiato, e i castelli cadono in rovina ma non si ricostruiscono mai spontaneamente. Tutto questo va benissimo, ma non è certo una spiegazione perfetta del tempo. Tra l’altro questo concetto sottintende che l’universo sia cominciato in una improbabile condizione di ordine e bassa entropia, un aspetto che la fisica non sembra in grado di spiegare del tutto.

La teoria della relatività generale di Einstein ha combinato tra loro il tempo e lo spazio in un tessuto flessibile e quadridimensionale che si deforma sotto l’influenza della massa e del movimento. Questo produce effetti sorprendenti, come il fatto che il tempo scorre più rapidamente in cima a una montagna, dove la gravità è più debole, che al livello del mare. In scenari estremi, come quello di oggetti che viaggiano a velocità vicine a quelle della luce, due osservatori potrebbero perfino non essere d’accordo sull’ordine degli eventi. Secondo Einstein tutto questo ha senso solo se passato, presente e futuro esistono contemporaneamente, come pagine di un folioscopio o flipbook, un libretto con sequenze d’immagini che danno l’illusione del movimento.

Se la relatività confonde il significato del tempo, la meccanica quantistica arriva quasi a cancellarlo. Il tempo non è una parte integrante della teoria dei quanti, ma solo un accessorio che ticchetta sullo sfondo, e molti processi quantistici in linea di principio potrebbero funzionare sia in avanti sia indietro nel tempo. La teoria quantistica si basa sulle misurazioni, e diversamente da proprietà come la posizione, la quantità di moto e l’energia, il tempo non può essere misurato direttamente. Possiamo stabilire dove si trova una particella, ma non quando. “Il tempo è la nota stonata”, spiega Nicole Yunger Halpern, fisica del National institute of standards and technology del Maryland. “Somiglia a un elemento che è stato inserito a forza nella teoria, più che a una proprietà naturale e misurabile dei sistemi quantistici”.

Tutto questo ha spinto alcuni fisici a porsi una domanda radicale: e se il tempo fosse solo un’illusione emersa da una struttura più profonda che non abbiamo ancora individuato?

È stato proprio questo interrogativo a spingere i fisici Don Page e William Wootters a esprimere, nel 1983, quello che secondo loro era il vero volto del tempo. Come Einstein, anche Page e Wootters immaginavano l’intero universo come un immenso oggetto stazionario. Ma invece di paragonarlo a un folioscopio, ipotizzarono che fosse una gigantesca funzione d’onda quantistica: una vasta struttura matematica che codifica ogni forma che l’universo può assumere. Ogni particella e ogni direzione che la particella può seguire, così come ogni campo, sono compresi in un unico pacchetto. Di per sé questa funzione non si muove ed è senza tempo.

Ma poi Page e Wootters divisero in due questa struttura congelata. Una metà contiene tutta la “roba” che possiamo osservare: la materia, il movimento e il caos della realtà. L’altra metà, invece, funziona come una sorta di orologio interno. Le due metà sarebbero connesse da una strana caratteristica della fisica quantistica chiamata correlazione (entanglement), un effetto che collega due oggetti in modo talmente intimo che i cambiamenti in uno influenzano subito l’altro. Page e Wootters mostrarono che questa correlazione permetteva l’emergere di una parvenza di tempo.

Immaginate un romanzo appoggiato sul tavolo. È senza tempo: l’inizio, la parte centrale e la fine sono già scritti. Ma per dare un senso alla storia dobbiamo leggere le pagine nell’ordine corretto. I numeri delle pagine forniscono questa struttura, correlando tra loro i personaggi, la trama e le azioni e legando istantanee che altrimenti sarebbero statiche. Secondo Page e Wootters l’universo funziona in modo simile. La parte della funzione d’onda che codifica il contenuto della realtà somiglia alle parole sulle pagine. L’altra parte, l’orologio, è costituita dai numeri delle pagine. Solo insieme le due parti possono creare l’esperienza del tempo che scorre. “Penso che sia una spiegazione molto convincente”, sottolinea Simone Rijavec dell’università di Tel Aviv, in Israele.

Alcuni segnali indicano che l’idea non è del tutto campata in aria. Nel 2024 Paola Verrucchi, del Consiglio nazionale delle ricerche italiano (Cnr), ha costruito un semplice modello matematico basato sul meccanismo di Page-Wootters, collegando un orologio composto da una serie di piccoli magneti a un sistema quantistico che si comportava come una molla. Dall’esterno il sistema appariva statico, fermo in uno stato quantistico fisso e con energia costante. Ma rispetto all’orologio la molla sembrava allungarsi e contrarsi, manifestando una sequenza di cambiamenti simile allo scorrere del tempo. L’effetto risultava invariato quando il sistema veniva ingrandito, lasciando pensare che l’illusione del tempo generato dalla correlazione potesse persistere anche sulla scala della fisica classica. “Da questo modello è possibile ricavare tutte le equazioni che conosciamo relative al movimento”, spiega Verrucchi. In altre parole, la premessa di base del meccanismo di Page-Wootters sembra reggere.

Tuttavia, fin dall’inizio il meccanismo di Page-Wootters ha lasciato molte domande in sospeso. I suoi autori non hanno mai specificato cosa fosse il loro “orologio” o se somigliasse agli orologi fisici che usiamo nella vita quotidiana. Inoltre non hanno mai spiegato in che modo la nostra percezione del tempo possa emergere da questa rete di correlazione quantistica. Di solito la correlazione è un legame fragile, dunque se davvero siamo continuamente correlati con l’orologio interno dell’universo, com’è possibile che il tempo sembri scorrere regolarmente senza che la nostra osservazione lo alteri mai?

Per decenni il meccanismo di Page-Wootters è rimasto confinato nel regno delle teorie e degli esperimenti mentali. Ora però diversi studi lo stanno portando in laboratorio, ponendo interrogativi verificabili. Questo nuovo slancio arriva in parte da una direzione imprevista: la tecnologia quantistica. Negli ultimi anni i computer, i sensori e gli altri strumenti quantistici si sono sviluppati oltre lo stadio di prototipo, entrando in una fase in cui il progresso dipende dall’affinamento del controllo.

Il calcolo del tempo è un collo di bottiglia critico. Per gran parte della storia della fisica, gli orologi sono stati dati per scontati. Ma nel 2017 un gruppo di ricercatori ha scoperto che misurare il tempo comporta un costo piccolo ma reale. Hanno dimostrato che gli orologi non sono misuratori passivi simili a un righello, ma sono più simili a un motore, nel senso che calcolare il tempo richiede del lavoro e produce calore. In un contesto classico, la quantità di questo calore è trascurabile. Ma a livello quantistico anche la minima emanazione di calore può interferire con gli ingranaggi di questi orologi.

Marcus Huber, dell’università di Vienna, collabora con Natalia Ares per studiare che succede quando gli orologi vengono spinti verso questi limiti quantistici. “Stiamo cercando di stabilire cos’è un orologio, di quali risorse ha bisogno per funzionare e quali sono i suoi limiti”, spiega Huber.

Per trovare una risposta è utile allargare la definizione di cosa può essere un orologio. Non è necessario che abbia lancette e ingranaggi. In linea di principio è possibile calcolare il tempo dalla velocità con cui il caffè si raffredda o dal numero di rughe che appaiono sul volto di qualcuno. In definitiva “un orologio è qualcosa che crea un evento irreversibile che può essere annotato in un registro”, spiega Huber. Gli eventi irreversibili aumentano l’entropia, motivo per cui gli orologi – anche i più piccoli – emettono calore. Ma questo significa anche che è possibile studiare quanta entropia produce un orologio per comprendere il tempo che registra.

Negli ultimi anni Huber e i suoi collaboratori hanno fatto proprio questo, usando i più semplici orologi immaginabili, costituiti solo da pochi atomi. Nel 2021 hanno descritto la correlazione tra la precisione di un orologio e la quantità di entropia prodotta. In generale, più spesso un orologio “scatta” e più produce entropia. Un orologio che divide un minuto in 60 scatti perfettamente regolari produce più entropia di un orologio che lo divide in tre. Nel 2025 la squadra di Huber ha costruito un orologio che usa processi quantistici casuali per funzionare senza quasi generare entropia. Ma anche in questo caso è emerso un intoppo: leggere il tempo da questo tipo di orologio (ovvero estrarre informazioni) genera entropia.

Lo scopo di questi esperimenti non è solo perfezionare il calcolo del tempo. Secondo Huber sono un modo per affrontare questioni più profonde. “La speranza è che queste definizioni operative degli orologi ci insegnino qualcosa sulla natura del tempo”.

Ciò include un riesame del meccanismo di Page-Wootters. Huber vorrebbe trattare l’ipotetico orologio collegato all’intero universo non come un puro concetto matematico, ma come un sistema fisico soggetto alle stesse regole di qualsiasi altro dispositivo per il calcolo del tempo. Se tali regole – sulla precisione, sull’entropia e sulla reversibilità – possono essere stabilite per ogni tipo di orologio, allora in linea di principio anche la costruzione astratta di Page e Wootters potrebbe essere messa alla prova.

La squadra di Huber sta progettando una serie di esperimenti per farlo, usando sistemi quantistici correlati come le nubi di atomi, che potrebbero imitare il meccanismo di Page-Wootters in laboratorio. Misurando l’entropia emessa dai loro orologi, gli scienziati saranno in grado di affrontare interrogativi fondamentali, stabilendo per esempio se all’interno dei sistemi quantistici il tempo scorra in modo fluido o a scatti distinti.

Huber non è l’unico scienziato a sostenere questa idea. Anche Rijavec e i suoi colleghi stanno cercando un modo per rendere reale l’orologio di Page-Wootters: “Siamo partiti da un orologio ideale, ma ora vogliamo proseguire in una direzione realistica”. Nel 2025 la scienziata ha studiato il modo di leggere un orologio di Page-Wootters senza distruggere la delicata correlazione che gli conferisce una struttura. Oggi sta analizzando la possibilità che a tenere il tempo dell’intero universo non sia un unico orologio ideale, ma un insieme di orologi imprecisi.

Nel frattempo Verrucchi è convinta di essersi già imbattuta nell’orologio supremo della natura. In una ricerca precedente condotta insieme ad Alessandro Coppo per il Cnr, ha esaminato le caratteristiche di un orologio di Page-Wootters ideale. Sapeva che questo orologio avrebbe avuto bisogno di tre elementi: un’energia sufficiente per tracciare le dinamiche del sistema in evoluzione, l’isolamento, in modo che la sua evoluzione non fosse alterata dal rumore esterno, e la capacità di correlarsi con l’elemento per cui tiene il tempo.

In uno studio recente, Verrucchi e Coppo sostengono che in natura esiste qualcosa che soddisfa tutti e tre i requisiti: i buchi neri. Questi oggetti sono circondati da campi gravitazionali talmente potenti che nemmeno la luce può sfuggire al loro orizzonte degli eventi, dunque sono essenzialmente non interagenti. Eppure, come ha dimostrato Stephen Hawking negli anni settanta, possono diventare correlati con il mondo esterno. Una coppia di particelle quantistiche potrebbe formarsi nell’orizzonte degli eventi di un buco nero, e successivamente una di esse potrebbe precipitare all’interno, mentre l’altra potrebbe sfuggire alla forza gravitazionale sotto forma di radiazione. In questo modo l’interno del buco nero sarebbe correlato con l’esterno, forse abbastanza da misurare il tempo. “È un orologio perfetto”, spiega Verrucchi. “Non puoi interagire con un buco nero, ma al contempo puoi essere correlato a esso”.

Dunque la metà orologio del meccanismo di Page-Wootters potrebbe essere costituita nientemeno che dai buchi neri dell’universo? È un’idea audace, ma Verrucchi spera che un giorno possa essere messa alla prova. Le lezioni tratte dallo studio degli orologi quantistici potrebbero essere una via d’accesso. Se un buco nero può funzionare come un orologio quasi ideale, allora la sua attività dovrebbe lasciare delle tracce nella termodinamica e nell’entropia della radiazione che emette. È questo il prossimo passo che attende Verrucchi e Coppo: analizzare la termodinamica del loro modello di buco nero alla ricerca di paralleli con le dinamiche dell’entropia osservate negli orologi quantistici.

Per Verrucchi questi sviluppi rafforzano l’idea generale secondo cui il tempo non è un elemento fondamentale, ma emergente, e l’hanno spinta verso un’idea ancora più profonda. Molti fisici ritengono che la seconda legge della termodinamica abbia qualcosa a che fare con lo scorrere del tempo, a causa della sua natura irreversibile: l’ordine tende a trasformarsi in caos. Ma questa legge, pur dichiarando che l’entropia non può ridursi, non esclude la possibilità che possa rimanere costante. Dunque non spiega come mai il tempo scorra.

Esiste però un aspetto della natura che è davvero irreversibile, sottolinea Verrucchi. Prima di una misurazione, una particella quantistica esiste in una nebbia di possibili esiti differenti. Solo quando viene misurata collassa da una nube di possibilità a un valore definito. Nessuno sa come avvenga questo collasso, ma una cosa è certa: non può essere invertito.

Verrucchi sospetta che questa sia la chiave per capire come funziona il tempo. La freccia del tempo, dice, potrebbe essere semplicemente un registro di ciò che è stato misurato. Come se sfogliassimo un folioscopio cosmico, riveliamo nuove pagine interagendo con gli elementi della realtà – “effettuando misurazioni”, come direbbe un fisico. In questo senso il semplice atto di esistere nel mondo collassa la nostra realtà quantistica in uno stato definito, lasciando una traccia irreversibile.

Se gli orologi sono sistemi fisici che registrano misurazioni – come lo siamo noi – allora, forse, non siamo solo osservatori del tempo, ma partecipiamo alla sua creazione. “Quando chiediamo che ore sono, stiamo creando il tempo”, spiega Verrucchi. ◆ as