La nozione di tempo in fisica è legata principalmente al quadro teorico in cui ci si situa. Quello più spontaneo, conosciuto ai più, è quello legato alla concezione della meccanica di Newton.
In questa teoria il tempo è perfettamente scindibile dallo spazio, scorre in modo omogeneo ed identico per tutti gli osservatori (la nozione di osservatore andrebbe discussa in dettaglio; per un approfondimento vedi digressione in fondo all'articolo), i meccanismi che avvengono all’interno di esso sono perfettamente reversibili, la struttura rigidamente determinista.
Con reversibile intendo che se una persona filma una scena (ad esempio una ruota che procede lungo una strada) e poi guarda il nastro al contrario non vi è contraddizione.
Tutti i movimenti puramente meccanici sono di questo tipo. Non è così ad esempio per quelli biologici. Saremmo molto sorpresi di osservare una persona ringiovanire nel tempo!
Una giustificazione (debole) per questa apparente contraddizione è data dalla complessità della biologia che non può essere, ancora ai giorni nostri, spiegata in termini di pura meccanica.
Vi sono però fenomeni che esulano da questo contesto. Ad esempio immaginiamo qualcuno che sprimaccia un cuscino imbottito di piume. Vedremo le piume andare ovunque per la stanza. Saremmo molto sorpresi di vedere la stessa persona sbatacchiare detto cuscino in una stanza piena di piume e notare che queste vanno ad infilarsici.
La giustificazione di questi fenomeni apparentemente in contraddizione è legata alla nozione di entropia. Senza entrare per ora nel dettaglio, basti sapere che l’entropia, una nozione sviluppata dopo le teorie di Newton come conseguenza della termodinamica, impone al tempo una “freccia”, ovvero un unico senso di scorrimento. E attualmente materia di dibattito se questa direzione privilegiata sia o meno in contraddizione con la meccanica di Newton (o Einstein) che postula la reversibilità di un fenomeno.
I fautori della reversibilità sostengono che la contraddizione è solo apparente: le piume non tornano nel cuscino poiché se calcoliamo le probabilità di distribuire le piume all’interno di un volume (la stanza) le combinazioni possibili in cui tutte si trovano dentro il cuscino sono molto inferiori a quelle in cui esse si trovano “un po’ ovunque”. Dunque la situazione in cui sprimacciando il cuscino le piume tornano al suo interno è molto improbabile e non viene osservata. Essa resta però possibile.
In sostanza qualcuno le ha obbligate a trovarsi in una situazione poco probabile quando si trovano nel cuscino. Ecco perché abbiamo l’impressione di una non reversibilità. L’analisi microscopica del movimento però ristabilisce il primato della meccanica newtoniana. Se nel cuscino ci fosse una sola piuma non saremmo sorpresi di vederla uscire, ma nemmeno saremmo troppo sorpresi se un colpo di vento fortuito ve la riportasse dentro!

In realtà questa spiegazione non soddisfa completamente l’osservatore attento. Entrerò nei dettagli della teoria entropica in un altro articolo. Basti sapere che la reversibilità non è un fatto acquisito (vedi ad esempio Prigogine/Stengers) e che cambiando teoria cambia anche la nozione del tempo.

Più scioccante è forse il cambiamento che avviene in relatività.
La relatività è una teoria che tenta di spiegare il movimento di oggetti nello spazio. E detta “ristretta” quando tratta situazioni ideali in cui la gravità può essere trascurata. E invece “generale” quando questo non è possibile.
Per una presentazione completa della teoria ristretta vi rimando al documento flash che spero comparirà in Lankelot tra qualche settimana. Per quella generale rassegnatevi: o vi mettete a studiare matematica molto seriamente oppure potrete conoscere solo molto vagamente alcune sue conseguenze. Nemmeno i professionisti in fisica studiano sempre i dettagli di questa teoria!

La versione ristretta è però sufficiente a destare interesse.
Essa postula infatti che la velocità della luce è la stessa per qualunque osservatore, indipendentemente dalla sua velocità. Tutti sappiamo che questo non è vero in generale. Ad esempio se io circolo a 100 Km/h in macchina (rispetto ad un poliziotto fermo sul ciglio della strada) e una macchina sfreccia sull’altra corsia a 100 Km/h, sempre rispetto al poliziotto, a me essa appare circolare a 200 Km/h. I danni in caso di incidente saranno anche conseguenti, dunque non si tratta soltanto di una percezione ingannevole!
Ora pensiamo alla luce. Io la vedo viaggiare a 300000 Km/s. Un osservatore ipotetico che viaggia a 100000 Km/s, in virtù del postulato di sopra la vede anche lui viaggiare a 300000 Km/s.
Come questo influenza lo scorrere del tempo è sconcertante: facciamo questa piccolo esperimento immaginario (Gedankenexperiment). Immaginiamo di inviare un fascio di luce con due torce su due specchi che si trovano a destra ed a sinistra ma ad un’eguale distanza.
Se accendo le due torce allo stesso momento i due fasci colpiscono simultaneamente gli specchi. Rifacciamo l’esperienza, questa volta su di una nave che attraversa l’oceano a 50 Km/h.
Il guardiano del faro che osserva da fuori vedrà i due fasci di luce viaggiare a 300000 Km/s (e non come potremmo pensare a 300050 e 299950) in virtù del nostro postulato.
Però uno dei due specchi avanza in direzione del fascio (a 50 Km/h, la velocità della nave) ed è dunque toccato per primo. I due avvenimenti non sono simultanei!
Si può dimostrare (come ho fatto nella presentazione flash) che questo fenomeno si ripercuote sulla struttura del tempo, causandone una dilatazione. Se osservo una persona muoversi (ognuno considera se stesso immobile in generale) la mia percezione del suo tempo è dilatata ovvero io vedo il suo tempo passare più lentamente.
Un problema simile è legato allo spazio.

Spazio e tempo insomma non sono più gli stessi per tutti. Invece la nozione di spazio-tempo (un intervallo spaziotemporale è definito come un intervallo temporale meno uno spaziale, o come uno spaziale meno uno temporale secondo la convenzione matematica in uso) resta la stessa per tutti. In questo senso la separabilità di spazio e tempo viene soppressa ed essi diventano un unico concetto.

E importante notare come la nozione di tempo e spazio in fisica siano nozioni estranee all’empirismo immediato. La fisica ragiona sempre in termini di istanti e luoghi esatti (Franco abita a Roma, latitudine e longitudine definita e rientra dal lavoro alle 18:00) mentre la percezione è sempre legata ad un intervallo di tempo (anche se molto breve), mai ad un istante.
Questi problemi non sono trascurabili. Li affronterò prossimamente.

Digressione sulla nozione di osservatore: Un osservatore in fisica è una persona o un'entità di qualche tipo capace di registrare, misurare ed interpretare i risultati di un esperimento. Anche se generalmente viene considerata ingenuamente, l'ipotesi di un osservatore non è per nulla scontata.

Essa sottointende la presenza di un'intelligenza (definire intelligenza è già di per se un problema), dunque di un oggetto macroscopico, complesso, capace di osservare senza influenzare in modo determinante il risultato di un'esperienza. Sappiamo oggi grazie alla meccanica quantistica che questo non è solo difficle ma addirittura impossibile. Quando infatti osserviamo la temperatura di una piscina cosa misuriamo?

L'idea spontanea è l'agitazione molecolare di un fluido, ma tutti converrete che in realtà ci limitiamo a leggere le tacche di un termometro. Potremmo ribattere però che osserviamo la luce che ha colpito il termometro ed impressiona la retina. O ancora il messaggio elettrico che passa nel nervo ottico. O piuttosto le reazioni sinaptiche che sono generate nel cervello.

Ad ogni passo riduciamo la nostra immagine di osservatore ed estendiamo quella di osservato. E un processo inarrestabile. Cosa è dunque davvero un'osservatore? Se in realtà l'osservatore è la coscienza che misura il comportamento delle sinapsi, per quale strana ragione tutte le coscenze sembrano misurare la stessa cosa?

Una seconda perplessità nasce dallo studio di fenomeni estremi, come ad esempio la natura dell'universo primordiale. Se risaliamo il tempo ci accorgiamo che ad un istante molto vicino al Big Bang l'universo deve aver avuto una densità altissima ed un raggio di Hubble molto corto. Il raggio di Hubble dell'universo è "la porzione di universo che riusciamo a vedere oggi alle dimensioni che aveva allora". Ci accorgiamo con sgomento che l'universo aveva una denistà media di una particella per ogni raggio di Hubble. Per descriverlo ricorriamo alla nozione di osservatore, diciamo cioé "un osservatore vede questo e quello". Ma cos'è un osservatore se non "un numero molto grande di particelle"?

In questo caso la presenza dell'ipotesi di un osservatore altera irremediabilmente la natura stessa dell'universo osservato.

Digressione sulla dilatazione temporale: Ho accennato sopra che osservando una persona in movimento il suo tempo ci appare dilatato. Questo fatto è fonte di diversi problemi, il più noto è il paradosso dei gemelli.

Eccovi l'idea: Franco é seduto su di un vascello spaziale. Michele suo gemello sul pianeta terra, misura la velocità di Franco eguale alla metà della velocità della luce, ed ovviamente si ritiene immobile. Franco che si ritiene a sua volta immobile misura invece una velocità per Michele della metà della velocità della luce. Inutile dire che entrambi percepiscono il tempo dell'altro dilatarsi. Sono dunque in disaccordo su chi ha effettivamente viaggiato (e dunque su chi sarà più giovane dell'altro).

Franco, sempre alla ricerca di nuovi orizzonti, decide di andare in visita su di un lontano pianeta. Lo fa viaggiando fino al posto predefinito a velocità costante, si ferma per una visita e poi torna indietro. Quando torna Michele si aspetta che il tempo per Franco sia passato lentamente e di essere quindi il più anziano dei due. Lo stesso vale per Franco. Chi dei due ha ragione?

Per risolvere correttamente questo problema dobbiamo renderci conto che Franco per effettuare la sua visita deve fermarsi e ripartire. Subisce gli effetti della decelerazione, la descrizione del suo viaggio sarà dunque almeno in questa parte radicalmente diversa da quella di Michele. Ecco quindi come è possibile stabilire chi ha realmente effettuato un viaggio. Il paradosso non è dunque più tale.

E bene notare un secondo problema: la dilatazione del tempo é tanto più grande quanto più ci avviciniamo alla velocità della luce. Ad una velocità uguale a quella della luce il tempo non scorre e ci appare congelato. La difficoltà è che non è possibile superare la velocità della luce. Questo è dovuto al fatto che l'apporto in energia necessario a spingere un oggetto non aumenta proporzinalmente alla velocità richiesta. Avvicinandosi alla velocità della luce occorre sempre maggiore energia (il problema che abbiamo oggi nei grandi acceleratori) e per raggiungere la velocità della luce occorrerebbe un'energia infinita.

La luce come può allora viaggiare alla sua velocità? La luce fa parte di una categoria diversa rispetto agli oggetti. Gli oggetti hanno una massa mentre la luce ne è priva. Solo gli oggetti di massa zero vaggiano alla velocità della luce. È anche bene notare che non possono viaggiare a nessun'altra velocità (parliamo sempre di muoversi nel vuoto; muoversi attraverso un oggetto è tutta un'altra storia). Dunque o sei dotato di massa e sempre andrai a velocità inferiori alla luce, o sei di massa nulla e viaggi sempre alla velocità della luce.

È stata postulata (ma mai dimostrata) l'esistenza di un terzo tipo di oggetti, di massa immaginaria (i numeri immaginari dovreste ricordarli dal liceo sono radici di numeri negativi), di velocità superiore a quella della luce. Questi oggetti sono conosciuti come tachioni, particelle molto particolari che percorrono il tempo all'indietro. Ovviamente non possono fare nient'altro che viaggiare più rapidi della luce e indietro nel tempo, non potranno mai cambiare il proprio destino. Al momento attuale la proliferazione di particelle "esotiche" é tale che fatico a prenderle eccessivamente sul serio, tanto più che i tachioni per loro stessa natura sono particelle impossibili (per ora) da "misurare" e dunque restano  pura speculazione. Certo è un'ipotesi seducente che lascia spazio al sogno, ma di simili chicche pullula la fisica delle particelle. Io stesso ho lavorato sei mesi su di una tesi che specula sull'esistenza di particelle ancora più strane.

La macchina del tempo è un'idea che ha ossessionato da sempre gli uomini, desiderosi di cambiare il proprio destino e di rimediare agli errori del passato. Una simili ipotesi oltre a non essere assolutamente verosimile secondo le conoscenze attuali porrebbe serissimi problemi da un punto di vista filosofico. Non è bene chiaro infatti cosa ne sarebbe della causalità tanto cara agli olisti. Premesso che il pensiero olista non raccoglie le mie simpatie non vedo alla luce delle mie conoscenze come queste idee possano uscire dall'ambito di fumetti e libri di fantascienza.

Al futuro va l'ultima parola

Questo articolo è dedicato a Patrick Karlsen ed agli appassionati del divenire.