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Saggio II 

 Luciano Severino

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Tempo e fisica

È nato con l’universo o esiste da sempre?

Anche per i fisici oggi, il tempo non è assoluto: per farlo rallentare basta sfrecciare a tutta velocità,
oppure avvicinarsi alla massa di un buco nero.

Nessun concetto della fisica è più elusivo e misterioso del tempo. I Greci erano convinti che fosse circolare e i Maya, che avevano la stessa convinzione, avevano addirittura stabilito che ogni ciclo durava 260 anni, dopodiché tutto ricominciava daccapo.

In seguito si affermò la convinzione che il tempo fosse lineare, cioè una sorta di fiume senza inizio né fine, che scorre sempre nella stessa direzione.

Il tempo, diceva Isaac Newton, è identico in ogni punto dello spazio, invariabile e indifferente a ciò che accade. Poi però arrivò Einstein, che cambiò le carte in tavola. grazie a lui oggi sappiamo (o crediamo di sapere) che il tempo è intrecciato indissolubilmente con lo spazio e dipende dal "sistema di riferimento". In altre parole, dipende dai punti di vista.  

Il tempo e la relatività

In questo caso, "punto di vista" significa velocità: il tempo rallenta con l’aumentare della velocità.
A convincere di questo fatto anche i più scettici fu un esperimento svolto nell’ottobre del 1971: alcuni studiosi dell’università di Washington fecero caricare su un jet un orologio atomico al cesio, perfettamente sincronizzato con un apparecchio identico rimasto a terra.

L’aereo volò per alcune ore a una velocità che arrivava a meno di un milionesimo di quella della luce. Concluso il viaggio, l’orologio rientrato dal volo registrava un ritardo di 59 miliardesimi di secondo rispetto all’altro. Cioè esattamente lo scarto che i ricercatori avevano previsto basandosi sulle formule di Einstein.

Per capire come e perché la relatività abbia cambiato il concetto di tempo conviene fare però un altro esempio.

Immaginiamo una moto che, viaggiando a 200 chilometri all’ora, sorpassi un’automobile che corre solo a 150 all’ora. Il senso comune ci dice che il guidatore dell’auto vedrà il motociclista allontanarsi a  50 chilometri all’ora, cioè la differenza tra le due velocità. Proviamo ora a ripetere l’esperimento sostituendo la motocicletta in fuga con un raggio di luce e l’auto con un razzo. Il primo viaggia a circa 300 mila chilometri al secondo. Il razzo, sul quale siamo imbarcati lo insegue a 200 mila chilometri al secondo. Dunque dovremmo vedere il raggio allontanarsi da noi alla velocità relativa di 100 mila chilometri al secondo. Invece no: continua a sfrecciare a 300 mila chilometri al secondo. Per quanto strano sia è così che vanno le cose.

La genialità di Albert Einstein consistette nel trarne conseguenze inevitabili ma apparentemente assurde. Come il fatto che il tempo poteva accelerare o rallentare a seconda delle situazioni.  

Il tempo e la gravità

In seguito Einstein dimostrò che il tempo rallenta anche all’aumentare della gravità. In altre parole. l’universo è costellato di isole di "tempo-lento" prodotte dalla presenza di stelle e pianeti. Quanto più si è vicini a una massa, infatti, tanto più il tempo rallenta.

E la situazione diventa ancora più straordinaria nei pressi dei buchi neri. I buchi neri (termine coniato nel 1967 dal fisico John Wheeler) sono stelle collassate: corpi relativamente piccoli, in cui l’attrazione gravitazionale è talmente forte da impedire la fuga anche alla luce. Se un oggetto vi finisse dentro, non potrebbe più uscirne e apparirebbe a un osservatore esterno praticamente immobile, imprigionato nel tempo che, in un buco nero, rallenta fino fermarsi. Viceversa, se si potesse osservare il mondo dall’interno di un buco nero, si assisterebbe all’evoluzione futura dell'universo.

Come mai nessuno si è accorto di questa variabilità del tempo, prima di Einstein? Perché, nella comune esperienza quotidiana non ci sono buchi neri, e i movimenti di qualunque nostro veicolo sono milioni o miliardi di volte più lenti rispetto al procedere della luce.

Per farsi un’idea, se passassimo tutto il nostro tempo a volare attorno al mondo su un jet. potremmo allungare la nostra vita di circa un millisecondo. E le cose cambiano poco anche nel famoso pseudio paradosso dei gemelli. Peter parte nell’anno 2000 per un viaggio nell’universo, a bordo di una navicella spaziale la cui velocità è paria 240 mila chilometri al secondo. Nel 2020 torna sulla Terra, dove, naturalmente, troverà il suo gemello Albert invecchiato di vent’anni. Ma per lui le cose saranno diverse: a quella velocità, infatti, e nel suo sistema di riferimento, avrà vissuto all’incirca dodici anni. Attenzione, non si tratta di un reale paradosso: se si riuscissero a raggiungere quelle velocità, le cose andrebbero veramente così.

La freccia del tempo

Un altro dilemma è quello della freccia del tempo: è proprio obbligatorio andare dal passato al futuro? O, meglio, c’è qualche regola fisica che costringe i fenomeni a svolgersi sempre nella stessa sequenza e non nella sequenza inversa?

La risposta ovvia è sì. Un bicchiere cade e si frantuma e mai si ricompone: il calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo e mai viceversa; un sasso nello stagno provoca onde che si allontanano dalla sorgente e mai cerchi convergenti. Questo ci permette di ordinare gli eventi lungo una direzione sempre uguale, che è chiamata, appunto, "freccia del tempo": la definizione è dell’astrofisico Arthur Eddington, e risale al 1927.

Tuttavia, la meccanica newtomana, la meccanica quantistica (che descrive il comportamento della materia a livello atomico) le leggi sull’elettromagnetismo e la relatività einsteimana, ossia le fondamenta della scienza moderna e contemporanea, funzionerebbero altrettanto bene se il tempo scorresse all’indietro, se cioè si sostituisse nelle formule il parametro t che descrive il tempo con il suo opposto -t.

Questo significa che, a livello di microcosmo, il bicchiere potrebbe anche riaggiustarsi: in fin dei conti un film che mostrasse le particelle subatomiche che collidono l’una con l’altra non apparirebbe diverso se proiettato alla rovescia. Se ciò non accade è solo per una questione statistica; in altre parole, il sistema di particelle che compongono il bicchiere è talmente complesso che la possibilità che gli atomi tornino nelle posizioni originarie è scarsissima, seppure, sul piano teorico, non nulla.

Tuttavia, secondo il fisico britannico Peter Coveney, tutto, nel mondo reale, ci porta a credere che il tempo sia unidirezionale: la nascita e la morte degli esseri viventi, l’evoluzione dell’universo e moltissimi altri fenomeni non potrebbero essere spiegati, né avrebbero senso, se non esistessero un passato, un presente e un futuro.

D’altronde, anche nel mondo microscopico esiste un fenomeno (unico nel suo genere) che smentisce la simmetria del tempo. Si tratta del processo di decadimento di una particella instabile, il kaone, prodotta in seguito ad una collisione violenta tra due particelle nucleari. Quando si dice che una particella decade, si intende che si disgrega in altre particelle allo scopo di porsi in uno stato di maggiore stabilità fisica. Anche questo processo è reversibile: facendo cioè scontrare tra loro tutte le particelle risultanti dal decadimento del kaone, si riforma il kaone stesso.

La scoperta, che nel 1980 valse il Nobel per la fisica ai ricercatori statunitensi J.W. Cronin e V.L. Fitch, è sufficiente per farci sospettare che anche nel mondo microscopico il tempo possa privilegiare una sola direzione.

Una volta stabilito che il tempo "va in una e in una sola direzione", rimane da stabilire come misurarlo. In realtà, il modo migliore per misurare il tempo esiste in natura, anche se è scomodissimo da portare al polso. Si tratta delle cosiddette "pulsar": stelle densissime, rimasugli di supernove, che ruotano su se stesse a tutta velocità emettendo impulsi radio. Alcune di esse, per esempio quella conosciuta nei cataloghi stellari con il numero 1937+21, sono così regolari nelle loro emissioni da sgarrare, al massimo, di un microsecondo ogni dieci anni.

Si potrà ami viaggiare nel tempo?

E improbabile, perché nascerebbero troppi paradossi per esempio, quello dell’uomo che va nel passato e uccide se stesso in fasce.

Tuttavia alcuni studiosi, tra cui l’americano Kip Thorne, hanno ipotizzato l’esistenza di una sorta di collegamento privilegiato tra due buchi neri, attraverso cui viaggiare ad una velocità vicina a quella della luce. Tali collegamenti, chiamati cunicoli temporali (in inglese, wormholes), permetterebbero di raggiungere il passato e di fare ritorno nel presente.

Dal punto di vista matematico funzionerebbe, Thorne non ha dubbi. Ma per Stephen Hawking non bisogna farsi illusioni. Se il tempo sarà un giorno percorribile dagli uomini avremmo già dovuto avere visite.