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Viaggio nel tempo

Il viaggio nel tempo è il concetto del viaggio tra diverse epoche o momenti temporali. Può essere effettuato verso il passato o verso il futuro, senza che il soggetto faccia esperienza dell’intervallo temporale tra l’epoca di partenza e di arrivo.

Per la fisica attuale, questa esperienza rimane ancora molto limitata. Tuttavia, l’idea di viaggiare nel tempo ha da sempre affascinato l’umanità. Alcune volte utilizzata come espediente narrativo per storie ambientate nel passato, altre volte con storie o viaggi ambientati o simulati come nel caso della realtà virtuale.

La “macchina del tempo”

Ingranaggi di un vecchio orologio
Ingranaggi di un vecchio orologio

La “macchina del tempo” è il nome dell’ipotetico mezzo di trasporto per viaggiare nel tempo, in grado di far balzare da un’epoca temporale all’altra. La fantascienza ci ha abituato a vedere tale macchina come una sorta di “veicolo” nel quale si entra, si configurano i parametri di viaggio e si aziona il comando di partenza; dopo pochi secondi, si può quindi uscire dalla macchina, ritrovandosi nell’epoca temporale programmata.

Tuttavia, con le attuali conoscenze, tale macchina dovrebbe compiere anche enormi balzi spaziali oltre che temporali, poiché il pianeta Terra occupa, secondo per secondo, una posizione diversa lungo l’orbita di rivoluzione intorno al Sole, così come il Sole occupa uno spazio ben preciso durante il suo moto intorno al centro Via Lattea, e così via. Un viaggio nel tempo così concepito dovrebbe essere anche un viaggio nello spazio, altrimenti l’ipotetico crononauta si ritroverebbe sperduto nel vuoto cosmico al momento dell’arrivo.

Per ora, le uniche “macchine” in grado di farci soltanto “vedere il passato” – o il “futuro” – pur rimanendo nel presente, rimangono i cronovisori. Dispositivi che con le tecnologie di oggi, possono essere interpretati come immagini di paesaggi o scenari di interi mondi, generati attraverso ricostruzioni grafiche al computer.

Il viaggio nel tempo secondo la fisica attuale

La fisica classica esaminò per secoli e con attenzione la possibilità di viaggiare nel tempo e le difficoltà emersero soprattutto per il viaggio nel passato. Questa difficoltà restalegata al concetto di “tempo” secondo l’esperienza di un “tempo” percepito come “lo scorrere degli eventi” (visione di “divenire” di Eraclito).

Secondo questa visione, il tempo risulta quindi un parametro immutabile e unidirezionale, come lo scorrere dell’acqua di un fiume, e tutti gli eventi dell’Universo si susseguono seguendo le leggi del modello di causalità (causa → effetto). Tutte le leggi della natura infatti, seguono una cosiddetta “freccia del tempo“, che è strettamente legata al concetto di entropia. Dei classici esempi sono l’irreversibilità nel ricomporre i cocci di un vaso rotto al vaso intero originario, o il fumo di una sigaretta che brucia che rientra dentro la sigaretta stessa, o addirittura una persona morta riportata in vita.

Tutti i fenomeni naturali sono quindi assoggettati da un aumento di entropia, sintetizzata, in altre parole, come “disordine”, “caos”. In un qualsiasi fenomeno, la natura ha una direzione per la quale “preferisce” scegliere il maggior numero di stati possibili successivi allo stato iniziale. Se ne conclude che il processo inverso sia altamente improbabile; l’esempio classico è quello di un neonato al quale mettiamo dei piccoli guanti alle mani. Il neonato, dopo vari tentativi disordinati, aiutandosi con la bocca, o le braccia, i piedi, ecc. riuscirà a togliersi i guanti dalle mani. Ma è molto improbabile che egli riuscirà a ricalzarli perfettamente, perché esiste un solo e unico modo ordinato per metterli: la natura si comporta esattamente come il neonato.

Formula dell’entropia

Sul finire del XIX secolo, il fisico Boltzmann studiò a fondo tali principi, soprattutto nel ramo della termodinamica, aprendo così la strada alla cosiddetta “fisica statistica“: sulla tomba gli fu dedicata la formula dell’entropia ( S = k B ln ⁡ W {\displaystyle S=k_{\mathrm {B} }\,\ln W} ), sebbene questa fosse stata perfezionata da Planck.

All’inizio del XX secolo il concetto di freccia del tempo e il concetto filosofico di causalità (causa → effetto) furono interessati dall’ingresso della meccanica quantistica. Parimenti, lo stesso concetto dello “scorrere del tempo”, considerato immutabile, fu rivoluzionato dalla nascente teoria della relatività ristretta e della relatività generale.

Un altro modo di definire il “tempo” può essere quello di un semplice “cambiamento di stato”, quindi strettamente legato anche alla dimensione dello “spazio” – in relazione all’osservatore/i stesso/i del fenomeno – oltre che alla materia, all’energia. Non è più un parametro fisso, immutabile e universale, così come concetto di fenomeno esperenziale, bensì una componente variabile. Un primo modello fu dato dalle teorie della relatività einsteiniane, che identificarono nei fenomeni una struttura quadridimensionale dove non esiste più lo spazio in sé, e non più un tempo in sé, ma una dimensione plastica detta di spaziotempo.

Filosofia del tempo

Esperimento di Hafele-Keating (1971)
Esperimento di Hafele-Keating (1971)

La cosiddetta “filosofia del tempo” cominciò quindi ad avere divergenze e opinioni varie. Un altro interessante modello matematico simile dello spaziotempo è quello dell’universo a “eventi”, altrimenti detto universo di Minkowski, per il quale gli eventi si sviluppano nello spaziotempo attraverso coni di luce o, più genericamente, coni detti “degli eventi”.

In tutte le teorie della relatività rimase costante solo la velocità della luce nel vuoto e in tutti i sistemi di riferimento; con lo sviluppo dell’astrofisica, si comprese che, in un certo senso, per grandi distanze noi viaggiamo già nel passato. Ad esempio, la luce del Sole che ci scalda è di circa 8 minuti fa, la luce di Sirio di circa 8 anni fa, e così via. Ma lo stesso vale, impercettibilmente, anche per le piccole distanze.

La possibilità di viaggiare nel tempo in modo apprezzabile sarebbe quindi ammessa solo in condizioni estreme, impossibili da realizzare con le attuali tecnologie e, tendenzialmente, soltanto in un “futuro” relativo all’istante temporale per il quale si decide di iniziare tale viaggio.

Crononauti “cloni di se stessi”

Il celebre fisico Stephen Hawking fu un forte sostenitore dell’impossibilità di viaggi nel passato. Se questi fossero possibili per la sola relatività generale, avrebbero comunque effetti significativi anche sulla natura quantistica. Hawking sostenne l’impossibilità anche per il discorso della conservazione della materia-energia nel continuum spaziotempo, affermando che così l’Universo sarebbe pieno di crononauti “cloni di sé stessi”.

La teoria della relatività ristretta prende in esame il fenomeno della dilatazione del tempo, registrabile soprattutto da osservatori che viaggino a velocità prossime a quella della luce (299 792,458 km/s); tuttavia anche questo spostamento nel futuro è vincolato dallo stesso principio di causalità che regola gli eventi dal passato verso l’istante presente scelto come riferimento per l’osservazione del fenomeno.

Spaziotempo e velocità della luce

Sotto la velocità della luce

La teoria della relatività ristretta dice che soltanto la velocità della luce nel vuoto rimane fissa, e questo in tutti i sistemi di riferimento.

Al di sotto della soglia della velocità della luce nel vuoto, i corpi dotati di massa subiscono una variazione in termini di spaziotempo e rispetto a un osservatore esterno, variazione altresì verificata attraverso una relazione matematica, idealmente sperimentata con quel che viene definito il “treno di Einstein“.

Alla velocità della luce

La stessa relazione matematica tra velocità e tempo conferma inoltre che, per corpi che si muovessero a velocità molto vicine alla velocità della luce, il tempo t’ tenderebbe a infinito, mentre il tempo t di riferimento terrestre smetterebbe praticamente di scorrere. Purtroppo un corpo dotato di massa non può raggiungere la velocità della luce. Esperimenti eseguiti su una particella subatomica detta muone, hanno dimostrato che essa vive più a lungo man mano che si avvicina a velocità prossime alla luce.

Sopra la velocità della luce

Nel caso ipotetico di particelle che si muovano a velocità superluminali, le equazioni prevedono che lo scorrere del tempo diventi negativo. Il loro “futuro” quindi, sarebbe il passato di tutti gli altri corpi. Ipotizzando un corpo a velocità sopraluminale, questo potrebbe possedere soltanto una massa immaginaria, sia a riposo sia accelerata; all’ipotetica particella sopraluminale fu attribuito il nome di “tachione“.

Dal punto di vista del tachione, anche il principi dell’entropia sarebbe invalidato. Cocci di vetro si ricomporrebbero per generare un bicchiere infranto, un cadavere potrebbe riprendere vita e tornare al momento del concepimento. Queste ipotesi furono gradualmente abbandonate, anche se le teorie einsteiniane non proibiscono velocità superluminali; il raggiungimento di tali velocità è vietato solo a corpi con massa reale e positiva, ovvero tutti i corpi costituiti dalla materia al momento conosciuta. Non si sa se nell’universo esistano oggetti per cui tale divieto non sia valido. Infatti fu dimostrata l’esistenza della cosiddetta “materia oscura“, chiamata così poiché non direttamente osservabile ma per la quale sono comprovati i suoi effetti, oltre che alla teoria per la quale nei viaggi nel tempo potrebbe essere implicata anche la cosiddetta “materia esotica“, teoria avanzata dal fisico Kip Thorne.

Spaziotempo e gravità

La relatività generale ci dice anche che lo spaziotempo si curva quando un corpo – o anche la luce stessa – attraversa un qualsiasi campo gravitazionale. Ulteriori osservazioni scoprirono che anche la luce, quando attraversa una massa subisce una curvatura dello stesso spaziotempo, fenomeno successivamente battezzato col nome di “lente gravitazionale“.

Quando il campo gravitazionale diventa molto elevato (come in prossimità di un buco nero o di una stella di neutroni), la cosa si fa ancora più interessante: il tempo viene, in questi casi, enormemente influenzato nel suo scorrere, tendendo addirittura a fermarsi in taluni casi estremi, come, nel caso del buco nero, sul suo bordo, ovvero in prossimità dell’orizzonte degli eventi. Non a caso, i buchi neri, sia il campo gravitazionale, rientrano nella possibilità di creare ponti spaziotemporali (come ad esempio il Ponte di Einstein-Rosen).

Spaziotempo o cronotopo

Per capire un po’ meglio il concetto di tempo influenzato dalla gravità, dobbiamo raffigurarci lo spaziotempo (o “cronotopo“, mutuando il termine dalla geometria) come un telo perfettamente elastico, ben tirato, e increspato in qualche punto da alcuni gravi. Ogni increspatura – o avvallamento – è detta “curvatura spaziotemporale”, influenzata proporzionalmente dal campo gravitazionale generato dal corpo stesso immerso in esso.

Se le teorie einsteiniane pongono un limite teorico alle velocità, non vi sono limiti teorici all’intensità di un campo gravitazionale. Le speculazioni teoriche sulla creazione di “macchine per il viaggio nel tempo” sono quindi incentrate sull’ipotesi di deformazioni spazio-temporali di varia natura. La realizzazione di tali deformazioni, sempre estreme, necessita però di quantità immense di energia, che eccedono di gran lunga persino quelle prodotte nel Sole.

Sperimentazioni

Vari esperimenti realizzati danno l’impressione di un viaggio nel tempo verso il passato. Un esempio fu l’esperimento di cancellazione quantistica a scelta ritardata del 1999 che lascia supporre che su scala quantica una particella nel futuro determini il suo passato. Secondo alcuni, questo mette semplicemente in evidenza le difficoltà di qualificare la nozione di tempo all’interno della scala quantica; in ogni caso, quest’esperimento non costituisce una violazione della causalità.

Il teletrasporto e il viaggio temporale sono quindi temi collegati, che presuppongono la copertura di enormi distanze nello spazio o nel tempo. Le tematiche del viaggio nel tempo e nello spazio vengono a essere in stretta relazione, per almeno due ragioni:

  • secondo la relatività generale, spazio e tempo sono parte di un continuum a quattro dimensioni;
  • il paradosso dei gemelli ammette la possibilità teorica di un viaggio nel futuro;
  • i ponti di Einstein-Rosen sono una costruzione fisica e matematica che ammette la possibilità teorica di un viaggio nel passato e nel futuro. I ponti di Einstein-Rosen descrivono sia un collegamento fra due punti arbitrariamente distanti nello stesso universo, oppure che possono distare arbitrariamente nel tempo. I punti possono appartenere allo stesso universo o a due universi paralleli.