L’origine fondamentale del Tempo

Mettiamo nel giusto ordine le seguenti frasi: un uomo muore, più tardi si sposa e finalmente nasce. Grazie al nostro senso della percezione del tempo, si tratta di un gioco da ragazzi: “la morte segue sempre la nascita” e non accade mai il contrario. Tuttavia, ad un livello più fondamentale, il problema sull’origine del tempo rimane ancora un mistero.

“È uno dei problemi più profondi della scienza di frontiera”, spiega Nima Arkani-Hamed, un fisico teorico dell’Institute of Advanced Studies (IAS) a Princeton. “Che cos’è il tempo? Da dove proviene? Non è nemmeno chiaro se queste parole abbiano, o meno, un senso. A stento riusciamo a pensare a un mondo, o alla stessa fisica, senza tempo”. Confusi da ciò che implicherebbe l’assenza stessa del tempo, c’è però una sempre più crescente evidenza che al livello più fondamentale della realtà il tempo sia davvero una mera illusione. Cosa ancora più strana è il fatto che alcuni test di laboratorio, realizzati con il laser, e certi progressi nell’ambito della teoria delle stringhe, quel quadro matematico secondo cui le particelle sono composte da stringhe vibranti di energia, portino indipendentemente all’idea che in definitiva il tempo non esiste.Nella concezione di Einstein, lo spazio e il tempo sono interconnessi tra loro. Essi formano un’unica entità a 4 dimensioni. Spazio e tempo non sono più assoluti ma sono relativi al sistema di riferimento dell’osservatore.

L'origine fondamentale del Tempo
L’origine fondamentale del Tempo

Più di un secolo fa, la nostra idea di tempo e spazio era molto meno complicata. I fisici seguivano il moto degli oggetti rispetto ad un sistema di riferimento fisso, indicato dalle tre dimensioni spaziali, e segnavano la loro velocità sulla base di un singolo orologio, una sorta di “cronometro di dio” che essi credevano misurasse il tempo allo stesso modo, non importa il luogo in cui ci si trova nel cosmo. Ben presto, però, agli inizi del XX secolo, questa idea venne ribaltata da due rivoluzioni scientifiche. Con la prima rivoluzione, la teoria della relatività mise insieme lo spazio e il tempo in un sistema “elastico” quadridimensionale. Questo nuovo concetto, che Einstein chiamò “continuo spaziotemporale”, sosteneva che tale sistema poteva “piegarsi” attorno ad oggetti massivi creando una curvatura del “tessuto” dello spaziotempo.Lo spaziotempo quadridimensionale della relatività generale può essere rappresentato dal cosiddetto ‘tessuto di Eddington’, una sorta di lenzuolo di gomma, dove la presenza di un corpo dotato di massa ne determina la deformazione geometrica in quella regione. Nel caso di un buco nero, la distorsione dello spaziotempo diventa estrema e in questo caso si forma una specie di ‘pozzo gravitazionale’, circoscritto da una linea di non ritorno, detta orizzonte degli eventi, al di là della quale la gravità è talmente intensa che niente può sfuggire, nemmeno la luce.

L'origine fondamentale del Tempo
L’origine fondamentale del Tempo

In questo modo, gli oggetti più piccoli possono rotolare lungo seguendo linee curve verso gli oggetti di massa più grande, grazie alla loro maggiore attrazione gravitazionale. In questa nuova teoria dell’Universo, il tempo non era più a lungo uno “spettatore immutabile” bensì una vera e propria dimensione interconnessa con lo spazio. Anziché essere quella dimensione non ambigua da prendersi come riferimento assoluto, ora il tempo diventava relativo. Dunque, la teoria della relatività di Einstein mostrò che gli orologi avrebbero segnato il tempo con un ritmo diverso in funzione del loro moto nello spazio e della posizione rispetto agli oggetti più massivi, che li attraggono a causa dell’azione esercitata dalla gravità.La relatività generale descrive uno spaziotempo continuo, liscio senza alcuna irregolarità. Se consideriamo scale piccolissime, dell’ordine delle dimensioni atomiche, ci accorgiamo che esistono una serie di fluttuazioni quantistiche, dovute alla creazione spontanea di coppie particella/antiparticella, che danno allo spaziotempo una forma alquanto spigolosa e irregolare.

L'origine fondamentale del Tempo
L’origine fondamentale del Tempo

La seconda rivoluzione, invece, che introdusse una nuova visione del tempo fu la meccanica quantistica, la fisica che descrive il mondo degli atomi. La teoria dei quanti suggerì ben presto che su scale molto piccole, la realtà diventava alquanto strana e bizzarra. Ad esempio, due particelle possono diventare “correlate” (via entanglement quantistico) in modo tale che esse agiscono in tandem. In altre parole, un esperimento che viene eseguito su una particella influenzerà immediatamente l’altra, non importa quanto esse siano distanti. Dunque, le particelle distanti “comunicano istantaneamente”, un fatto che apparentemente viola non solo la regola in base alla quale nulla può viaggiare più veloce della luce ma anche lo stesso concetto di tempo.Credit: NIK SPENCER/NATURE; Panel 4 adapted from Budd, T. & Loll, R. Phys. Rev. D 88, 024015 (2013)

Il vero “problema del tempo”, così come è diventato poi noto, emerse negli anni ’60 quando i fisici tentarono di conciliare la meccanica quantistica, che governa le leggi fisiche del microcosmo, e la relatività generale, la teoria del macrocosmo. La ricerca di una “teoria del tutto”, che permetta di descrivere le leggi fisiche degli oggetti su tutte le scale, era già in atto. Una delle ipotesi più famose, sebbene controverse, emerse da due fisici del New Jersey: John Wheeler della Princeton University e Bryce DeWitt dell’IAS. Wheeler e DeWitt cercarono di descrivere l’intero Universo con la meccanica quantistica, cioè tentarono di applicare leggi della fisica del microcosmo ai pianeti, alle stelle, alle galassie e alle strutture cosmiche. “Molti fisici si domandarono se il loro approccio funzionasse, dato che non c’era stata alcuna evidenza che suggeriva il contrario”, dice Marco Genovese, un fisico quantistico presso l’ Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) a Torino. Tuttavia, sembrava ragionevole almeno provare ad unificare la matematica delle due teorie per vedere che cosa accade. Quando i due fisici provarono a combinare le equazioni di Einstein con quelle della meccanica quantistica, essi si trovarono di fronte ad una sorpresa: i due insiemi di leggi fisiche mostravano indipendentemente il tempo come una variabile rispetto alla quale evolvevano gli eventi. Ma quando le due teorie erano combinate per produrne una, la variabile del tempo veniva letteralmente cancellata dalle equazioni matematiche. Gli scienziati avevano derivato una nuova equazione che descriveva come si comportava l’Universo e non c’era più una quantità nella loro formulazione matematica che potesse essere utilizzata per indicare lo scorrere del tempo. “L’equazione di Wheeler-DeWitt dice che l’Universo è stazionario e nulla evolve nel tempo”, fa notare Genovese. “Ma, naturalmente, tutti noi percepiamo lo scorrere del tempo”.

L'origine fondamentale del Tempo
L’origine fondamentale del Tempo

Questa conclusione fu chiaramente errata. Ad ogni modo, i fisici non trovarono niente di sbagliato nel percorso matematico che era stato intrapreso da Wheeler e DeWitt. Per prima cosa, sembrava che essi avevano erroneamente ritenuto che l’intero cosmo potesse essere descritto in termini delle leggi del mondo dei quanti. Ma ci fu un’altra possibilità intrigante, proposta negli anni ’80 da Don Page ora all’University of Alberta, in Canada e da William Wooters del Williams College a Williamstown, nel Massachusetts. Page e Wooters decisero di applicare questo concetto dibattuto assumendo che l’intero Universo potesse essere trattato come una sorta di “oggetto quantistico gigantesco” soggetto cioè alle stesse leggi fisiche delle particelle subatomiche. Essi immaginarono di suddividere il cosmo in due “sezioni”. Dato che in questo modello dovevano prevalere le leggi della fisica quantistica, queste due sezioni sarebbero state “correlate” via entanglement. Di fatto, gli scienziati hanno trovato che due particelle connesse mediante entanglement quantistico possono avere valori uguali ma opposti: ad esempio, se una particella ruota in senso orario, l’altra ruoterà in senso anti-orario così che le loro proprietà si cancellano quando vengono sommate. Page e Wooters affermarono che allo stesso modo ogni sezione del loro cosmo poteva evolvere indipendentemente, ma dato che tali sezioni erano correlate dall’entanglement quantistico, qualsiasi cambiamento che accadeva in una sezione sarebbe stato controbilanciato nell’altra sezione. Ad un osservatore all’interno di una delle due sezioni il tempo appariva trascorrere, ma ad un osservatore esterno l’intero cosmo sarebbe apparso statico. Mentre Page e Wooters avevano proposto un quadro teorico, basato appunto sull’entanglement quantistico, sembrava che non ci fosse alcun modo di confermare o smentire la loro idea sul fatto che il loro cosmo sarebbe apparso stazionario a qualcuno che vi entrasse dall’esterno.