La Freccia del Tempo. Uno dei più grandi misteri della scienza: la distinzione tra passato e futuro
Nuove Scienze
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A livello subatomico né le vecchie idee della meccanica classica né la moderna teoria della meccanica quantistica sono finora riuscite a distinguere tra passato e futuro. In una tipica interazione tra particelle subatomiche, due particelle possono incontrarsi e interagire in modo da produrre due diverse particelle, che poi si separano. Le leggi delle fisica dicono che quasi tutte queste interazioni possono svolgersi anche in senso contrario, con le due particelle "finali" che si uniscono e interagiscono fino a produrre le due particelle "originarie". A questo livello non è quindi possibile distinguere il passato dal futuro semplicemente osservando le due diverse coppie di particelle. A cura di Elena Sanda Chira, coordinatrice della collana Scienza e Conoscenza
Redazione Web Macro
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A livello macroscopico, quello che sondiamo con i nostri sensi, la distinzione tra passato e futuro appare ovvia: gli oggetti si sciupano, le persone invecchiano. Nell'esempio equivalente all'interazione tra particelle, possiamo immaginare un bicchiere di vetro posto in equilibrio precario sul bordo di un tavolo, finché non cade e si rompe in mille pezzi. Non potremo mai vedere i pezzetti di vetro ricostituirsi, sebbene qualsiasi interazione in cui possono essere coinvolti gli atomi di vetro nel momento in cui il bicchiere si rompe può essere considerata reversibile alla luce delle leggi della fisica.
I fenomeni sono reversibili o irreversibili?
Se ci dovessero mostrare due fotografie in cui appaiono il bicchiere di vino posto sul bordo del tavolo e il bicchiere di vino a pezzi sul pavimento, non avremmo alcuna difficoltà nel dire quale delle due sia stata scattata prima dell'altra. Quando abbiamo a che fare con sistemi complessi, contenenti molte particelle, c'è un orientamento (o, come viene spesso definito, una freccia del tempo) implicito, che punta dal passato al futuro. È tuttavia fondamentale distinguere tra una freccia del tempo che indica il futuro e una che invece si muove nel futuro. L'esempio più adeguato è quello dell'ago di una bussola, che punta a nord ma non deve affatto muoversi verso il nord (né verso nessun altro punto). Se invece delle due fotografie (che potremmo ben etichettare “prima” e "dopo") disponessimo di un filmato che mostra la caduta del nostro bicchiere dal tavolo, potremmo farlo a pezzi e miscelare i diversi fotogrammi, ma saremmo ancora in grado di ricomporre correttamente la sequenza. Non ci sarebbe bisogno di proiettarlo per chiarire la distinzione tra passato e futuro. C'è infatti sempre una distinzione tra passato e futuro, che può essere rappresentata da una freccia che dal passato punta al futuro.
L’entropia può diminuire viaggiando nel passato!
Tale distinzione tra passato e futuro può essere espressa matematicamente. La scienza della termodinamica si basa sull'analisi del modo in cui le cose cambiano mentre ci "spostiamo" dal passato al futuro. L'intuizione chiave è che l'ammontare di disordine presente nell'universo è in continuo aumento: i bicchieri si possono spezzare, ma non possono mai ricostituirsi. I fisici misurano il disordine in termini di una quantità chiamata "entropia". La più importante tra le leggi della fisica ci dice che l'entropia di un sistema chiuso non fa che aumentare nel tempo (trattasi della seconda legge della termodinamica).
Apparentemente si può aggirare tale legge in un sistema aperto, un sistema che dispone cioè di una fonte esterna d'energia.
Il pianeta Terra infrange la seconda legge della termodinamica!
La seconda legge della termodinamica sembra essere violata dalla Terra stessa, giacché gli esseri viventi crescono e gli umani possono, per esempio, prendere una pila di mattoni e trasformarla in una struttura molto più ordinata, come per esempio una casa. Ma tutto ciò dipende dall'ingresso di energia proveniente originariamente dal Sole.
La diminuzione di entropia che ha luogo sulla Terra è di gran lunga inferiore all'aumento di entropia associato alle reazioni di fusione nucleare che hanno luogo all'interno del Sole e al modo in cui il calore così generato si disperde nello spazio. L'entropia dell'intero universo aumenta continuamente col passare del tempo.
Tuttavia nel mondo quantistico la distinzione tra passato e futuro è ben lungi dall'essere chiara. Le interazioni descritte dai diagrammi di Feynman si comportano altrettanto bene sia nel progredire nel tempo sia nel procedere a ritroso nel tempo. L'unica dimensione in cui possiamo parlare di una direzione del tempo è relativa ad alcuni stati che sono più complessi di altri, cosicché tale complessità (il risultato dell'esito di molte diverse interazioni quantistiche) può essere considerata "nel futuro" mentre la condizione di relativa semplicità si trova nel passato.
Il tempo interviene in entrambe le equazioni di Maxwell (che descrivono la condotta della radiazione elettromagnetica) nonché nell'equazione di Schrodinger (che descrive il comportamento dei sistemi quantistici). Tuttavia, interviene in modo completamente simmetrico, cosicché non c'è distinzione tra le onde che viaggiano dal passato al futuro e le onde che viaggiano dal futuro al passato. Ciò potrebbe avere importanti implicazioni nella comprensione della natura della luce e dei fenomeni quantistici.
A livello delle particelle in collisione, le leggi della fisica non fanno distinzione tra il futuro e il passato: l'orientamento del tempo può procedere dal passato al futuro o viceversa senza che le leggi della fisica debbano subire mutazioni.
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Riflessione: Tutto questo può significare che possiamo ringiovanire ritornando nel passato. In ogni caso, non ci conviene fare viaggi nel futuro, in quanto nel futuro troveremo noi stessi molto più vecchi. Purtroppo questo viaggio lo stiamo facendo ogni giorno. La soluzione sarebbe quella di tornare nel passato, cioè ritornare alla propria semplicità, in cui il grado di ordine è molto più elevato. E come si fa? Dobbiamo solamente non ubbidire alla seconda legge della termodinamica. La Terra sa come si fa e ci può insegnare! In uno dei vangeli detti gnostici, Gesù disse: “Prendete cospetto della natura!”
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"John Gribbin è una benedizione per tutti coloro che vogliono saperne di più della scienza ma diventano nervosi alla prospettiva (di ciò che li aspetta)… Egli rende le difficoltà accessibili, e fornisce alle persone che hanno una limitata conoscenza di base, una mappa del mondo della scienza". (Melvyn Bragg)
"Penso proprio di poter dire che nessuno abbia veramente capito la fisica quantistica...sarà opportuno che smettiate di chiedervi: "Ma com'è possibile?", perché così facendo sprechereste soltanto il vostro tempo... Già, perché nessuno sa veramente spiegarsela"! Richard Feynman- Premio Nobel per la Fisica
