venerdì, luglio 26, 2013

precipitando nel futuro (versione pizza)

Cadere nel vuoto di un burrone di cui non si intravede la fine, è la sensazione che dovremmo avere guardando il tempo trascorrere e l'Universo evolversi; il bigbang rappresenta il fulcro dal quale siamo stati sganciati in questa folle corsa che ci vede calare a velocità inimmaginabile in un destino ancora incerto. Ma esisterà un fondo a questo precipizio? E la velocità di caduta sarà sempre la stessa? Qualcuno mi a chiesto perché il piatto dell'universo dovrebbe precipitare e non per esempio salire verso l'alto: si tratta solo di un immagine per trasmettere la sensazione di un movimento non facilmente frenabile e ancor di più impossibile da ribaltare proprio come la caduta di un oggetto nel vuoto.

Nella realtà sappiamo che tutto è cominciato con il bigbang ed un piattino piccolissimo, infinitesimo: come questo protouniverso sia stato scagliato fuori dal nulla e come una qualche energia lo stia sospingendo verso il futuro, questo ancora esattamente non lo sappiamo; sappiamo però che il piatto ha cominciato a crescere, e le sue dimensioni in poco tempo si sono decuplicate e poi centuplicate e cosi via, fino ad arrivare alle dimensioni attuali. In questa enorme espansione è stata creata e sparsa la materia ma soprattutto sono stati creati spazio e tempo, in modo continuo ed uniforme, come ancora tutt'ora sta avvenendo.
Come è possibile che si continui a creare del nuovo spazio (ed incredibilmente anche del nuovo tempo) apparentemente dal nulla? Proviamo a spingere la nostra immaginazione ancora oltre e trasformiamo il piatto in un disco di pasta per la pizza prima che venga infornata:
condiamo il tutto con qualche oliva qua e la, ed ecco il nostro universo pronto nuovamente a precipitare verso il futuro.



In modo inaspettato, ed inspiegabile, la caduta nel vuoto fa lievitare la pasta che lentamente cresce di volume in tutte le direzioni; le olive, che nella realtà trovano corrispondenza con le galassie sparse per l'universo, iniziano inesorabilmente ad allontanarsi l'una dall'altra.
Ad oggi è ancora questo che osserviamo scrutando il cielo e, misurando gli spostamenti, rileviamo che tutte le galassie si stanno allontanando dalla nostra.

Ma le olive, cioè le galassie, non lievitano anche loro? Le olive per fortuna hanno un altra consistenza ed il processo di lievitazione non le tocca dall'interno cosicché rimangono unite e ben distinte dalla pasta. Nella mia fantasiosa similitudine però accade un fenomeno che nella realtà fisica non è mai stato osservato e probabilmente è solo una mia speculazione: la pasta dell'immagine sopra, che rappresenta l'evoluzione dello spazio-tempo, man mano che lievita è sempre meno densa a causa del continuo stiramento nelle varie dimensioni. E' possibile che quello che ad oggi viene considerato solo un concetto topologico e geometrico (seppur in quattro dimensioni) possa avere avuto caratteristiche variabili durante la sua evoluzione? In altre parole potrebbe esistere una densità dello spazio e del tempo e questa densità potrebbe non essere omogenea in tutto l'universo?

giovedì, luglio 11, 2013

Precipitando nel futuro

Il "tempo vola", aggiungerei inesorabilmente: a volte si dice proprio per sottolineare che possiamo fare ben poco nei confronti del meccanismo che fa marciare l'Universo nella direzione in cui punta la freccia del tempo e cioè il futuro. Abbiamo visto però che questa andatura non è per tutti la stessa, ed alcuni oggetti trascorrono il loro tempo in modo rallentato rispetto ad altri. E' stato difficile, fino alla scoperta di Einstein, capire che poteva esserci un tempo soggettivo in quanto le leggi che regolano il nostro mondo macroscopico non sono quasi influenzate dagli effetti relativistici ed i fisici, prima del ventesimo secolo, avevano già spiegato il mondo in modo esaustivo per le loro esigenze: erano semmai i piccoli particolari ad avere nelle loro inspiegabili anomalie il seme della rivoluzione scientifica.

Una volta misurata la velocità della luce e scoperto che questa era una costante, per qualsiasi osservatore, in qualsiasi sistema di riferimento, da qualsiasi prospettiva, fu allora che si dovette cedere all'evidenza: lo spazio ed il tempo devono potersi contrarre o dilatare per permettere alla luce di avere sempre la stessa velocità. Pensare agli effetti della relatività in termini strettamente matematici però è complesso ed a volte non da la sensazione di come tutto ciò possa accadere.
Per avere una idea del tempo che scorre e della insuperabilità  della velocità della luce vorrei proporvi questa immagine: pensiamo al nostro Universo come ad un piatto che precipita nel vuoto, ed immaginiamo che questa caduta rappresenti il passare del tempo.

Se guardiamo il piatto durante la sua caduta vedremmo che ad ogni istante il suo contenuto si evolve in modo del tutto indipendente dalla caduta stessa, caduta che gli abitanti del piatto percepiscono solo come scorrere del tempo, mentre si muovono liberamente sulla sua superficie: cosa accade però se un oggetto si muove all'interno del piano ad una velocità prossima a quella del piatto in caduta?

Mentre per le entità che si muovono lentamente vedremmo delle traiettorie pressoché diritte, quelle con velocità sostenute, o meglio confrontabili con la velocità di caduta del piatto stesso, compieranno traiettorie inclinate nel passaggio tra un istante e l'altro: cosa sta accadendo? In pratica le traiettorie rappresentano il moto degli oggetti nello spazio-tempo e siccome le traiettorie inclinate sono sicuramente più lunghe di quelle verticali, il tempo, agli occhi degli osservatori esterni, è anch'esso più lungo e cioè trascorre più lentamente (sempre che l'oggetto debba rimanere a bordo del piatto e cioè continuare ad esistere nell'universo, condizione a cui non ci possiamo sottrarre).

Per rendere meglio l'immagine lasciamo perdere il fatto che la caduta rappresenti il tempo e pensiamo che sia un normale spostamento nello spazio: quando osserviamo un oggetto che si sta muovendo circa alla nostra velocità ma con una traiettoria inclinata rispetto alla nostra, quello che percepiamo è che l'oggetto sia più lento, fino al caso estremo in cui l'oggetto si muova perpendicolarmente alla nostra posizione, caso in cui addirittura ci sembrerà fermo (nel caso del nostro schema si tratterebbe di oggetto che si muove a velocità infinita): in pratica chi viaggia a velocità prossime a quelle della luce è come se avesse una traiettoria inclinata rispetto a noi che siamo fermi o che ci muoviamo a basse velocità e quindi apparirà al nostro sguardo viaggiare nella direzione tempo a velocità inferiore alla nostra.

Altre conseguenze di questo modello è che non è possibile viaggiare sul piatto ad una velocità superiore a quella della caduta del piatto stesso (il che è rappresentato da una pendenza limite della freccia inclinata), pena l'uscita dal piatto e la non appartenenza al piccolo universo di porcellana ed, in ultima analisi, che il viaggiatore ad alta velocità alla fine arriverà comunque sul piatto all'istante successivo (nel disegno istante 1) ed a sua volta osservando che il tempo per l'oggetto fermo trascorre più velocemente.
La cosa strabiliante che tutto ciò dipende dalla velocità a cui il piatto precipita e cioè la velocità della luce nel vuoto; in poche parole il nostro Universo è in caduta libera verso il futuro e possiamo  solo ingannarci pensando di rallentare la caduta, mentre la realtà è che sarebbe più corretto dire che il tempo non vola ma che precipita inesorabilmente.

domenica, luglio 07, 2013

decoerenza temporale

Trovare un immagine per visualizzare ciò che accade tra le pieghe del nostro Universo quadridimensionale è cosa complessa ma non impossibile; tutt'altra astrazione mentale ci vuole per immaginare un Universo ad undici dimensioni come quello teorizzato dai fisici delle stringhe, ma "fortunatamente" per ora non esistono prove sperimentali di queste recenti teorie, mentre abbiamo numerosi riscontri pratici del fatto che le tre dimensioni spaziali ed il tempo siano interconnessi per formare un continuum spazio-temporale, un unica trama nella quale le entità cosmiche si muovono seguendo leggi prefissate.


Se volessimo semplificare al massimo il comportamento degli oggetti fisici all'interno di questo reticolo potremmo iniziare a pensare ad un telo teso, che pur essendo bidimensionale può rappresentare le tre dimensioni spaziali (facciamo finta di dimenticare l'altezza e pensiamo che il mondo sia piatto); questo telo a sua volta ha infiniti teli paralleli, ognuno dei quali rappresenta un istante successivo (i teli sottostanti) o precedente nel tempo (i teli sovrastanti).
Le minuscole entità del microcosmo, diciamo per semplificare le particelle elementari, se ne stanno volentieri sul telo di partenza, muovendosi su di esso a velocità elevatissima, toccando la punta massima della velocità della luce (inizialmente completamente prive di massa come i fotoni). Il problema è che alcune particelle, muovendosi sul telo, incontrano dei "pelucchi" (campo di Higgs) che tendono ad appiccicarsi: in questo modo acquisiscono massa e peso e quindi cominciano a deformare il telo e più la deformazione aumenta e più altre particelle vengono inghiottite (gravità).

Il fatto è che il telo è elastico e le sue maglie sono deformabili cosi che appena la massa lo permette, l'oggetto, attraversando il tessuto stressato (ma non rompendolo), cade sul telo sottostante e così via: il risultato è che maggiormente un oggetto possiede massa e più si muove lentamente tra le coordinate spaziali (scivola lentamente sul telo) e più precipita  velocemente da un telo sottostante all'altro (e quindi il tempo per l'oggetto trascorre più velocemente); inoltre a massa maggiore corrisponde una deformazione del tessuto spazio-temporale più grande con tutte le conseguenze che abbiamo già affrontato parlando di relatività generale perché gli oggetti che passano lungo le deformazioni del telo non si trovano più sullo stesso piano temporale e quindi il loro tempo è modificato (rallentato).

Siccome le maglie del tessuto non sono poi così rigide, la maggior parte degli oggetti che siamo abituati a vedere, cadono verso gli strati sottostanti a grande velocità e di conseguenza tendono a muoversi sulla superficie del telo molto lentamente, ed ecco perché abbiamo la sensazione di stare tutti sempre sulla stessa superficie e che esista un unico istante uguale per tutte le entità fisiche;
solo avendo abbastanza energia per accelerare un oggetto in modo che scivoli sul telo e non cada di sotto, possiamo accorgerci che quest'ultimo rimane leggermente indietro sui teli precedenti mentre noi cadiamo inesorabilmente nel futuro.
L'altra caratteristica fondamentale di questo modello mentale è che possiamo solo scivolare nel futuro e non abbiamo nessuna possibilità di arrampicarci indietro sui teli del passato.