Due mondi separati

Ho lasciato appositamente sedimentare per qualche giorno la news del 11 febbraio: le onde gravitazionali esistono e sono esattamente quelle previste dalla teoria della Relatività Generale.

Il fiume di notizie è stato giustamente imponente, da un lato per cercare di spiegare l'importanza della scoperta, dall'altra per riuscire a descrivere in modo semplice ai non specialisti ed appassionati, di cosa effettivamente si stesse parlando. Io ve la spiego con una immagine.

Lo spazio è molto simile ad una rete a maglie: se tirate la rete in una direzione si allargheranno le maglie in quel senso e si restringeranno in quello perpendicolare. In pratica al passaggio di un onda gravitazionale lo spazio (ed il  tempo a lui connesso) si allungherà in una direzione ed automaticamente si accorcerà in quella perpendicolare.
Per tale motivo il rilevatore di onde gravitazionali è costruito come una enorme L, con i bracci lunghi quattro chilometri: così se passa l'onda un braccio si accorcerà mentre l'altro aumenterà di lunghezza.

Detta così forse può risultare troppo semplice ma vi basta un numero per farvi capire che non lo è affatto: lo stiramento del reticolo spaziale causato dall'onda gravitazionale intercettata è dell'ordine di 10^-21 metri (0,000000000000000000001) cioè l'ordine di grandezza di un nucleo atomico rispetto a 4 chilometri del rilevatore, quindi tutt'altro che facile da misurare. In ogni caso gli scienziati di LIGO ci sono riusciti e con una precisione straordinaria.

Quello però su cui vorrei far riflettere è che quest'ennesimo successo nel campo della fisica sperimentale va a collocarsi come potente colonna a sostegno della teoria di Einstein, così come la scoperta del bosone di Higgs di due anni fa è stato l'ultimo puntello al modello standard delle particelle e quindi alla Meccanica Quantistica; c'è solo un problema, queste due teorie, l'una che ci svela i segreti del cosmo e l'altra che ci descrive il mondo delle particelle, sono incompatibili tra loro.
Sono diversi anni che i fisici cercano una soluzione al dilemma ed alcune strade sono state tracciate, come la gravità quantistica a loop o la teoria delle stringhe, ma rimane un profondo solco che divide la visione di un universo simile ad un tessuto calmo che si piega ed ondeggia in balia del peso delle stelle e quello di uno spazio in cui ribollono infiniti pacchetti di energia.

Sicuramente studiare un'atomo d'acqua per comprendere le maree non è la strada migliore, ma siccome il mare è fatto d'acqua prima o poi troveremo il collegamento che ci manca, la visione d'insieme che ci permetterà di vedere l'universo come un unico grande disegno.

Video che spiega le onde gravitazionali

Il lenzuolo scrollato

Primo pomeriggio, cortile interno di un palazzo qualsiasi di una cittadina qualunque, silenzio surreale da fase digestiva rotto soltanto da qualche strillo catodico; dalle finestre e dai balconi, in modo apparentemente casuale, escono le massaie a sbattere con forza le tovaglie per liberarle dalle briciole del pranzo. Immagini di altri tempi ormai, abitudini che richiamavano le nostre recenti radici rurali, comportamenti tutti tesi ad eliminare ogni spreco, ed ecco che le briciole diventavano cibo per gli animali da cortile. Non importava che nel cortile condominiale non ci fossero polli e galline e le uniche bestie fossero qualche gatto e i soliti piccioni, la tovaglia andava scrollata fuori, un gesto che è improvvisamente diventato arcaico.

In quell'atto energico e deciso che si ripercuote sulla stoffa c'è però anche molta fisica, o meglio ci sono molti spunti per parlare di fisica (oltre che di sociologia)  a partire dalla teoria ondulatoria ad arrivare alle onde gravitazionali, passando per la il tessuto spazio-temporale e la relatività generale.

Quindi il lenzuolo si presta bene per analogie del mondo fisico reale ed io non posso che approfittarne.

La prima cosa stupefacente è l'onda, un concetto che ci pare familiare, soprattutto se osserviamo il mare ma che cela uno dei misteri più profondi dell'universo: l'onda non è spostamento di materia bensì è trasporto di energia, ed è proprio l'energia del movimento sul lenzuolo che lo attraversa completamente con movenza ondulatoria; però per propagarsi l'onda ha bisogno di un mezzo, il lenzuolo, senza il quale il gesto di scuoterlo non avrebbe alcun effetto. E le onde elettromagnetiche? La luce, le radiazioni, le onde radio? Su quale lenzuolo viaggiano? Evidentemente anche il vuoto che separa per esempio il Sole dalla Terra non è ciò che immaginiamo poter essere esattamente il nulla, visto che in esso l'energia si propaga sotto forma di onde. In passato si era pensato che lo spazio che ci circonda fosse intriso di una qualche sostanza invisibile chiamata etere ma gli esperimenti del secolo scorso ne hanno escluso l'esistenza.

La teoria oggi più accettata ci dice che lo spazio a livello microscopico (metri zero, seguito da 35 zeri) è simile ad una schiuma ribollente in cui le coppie di materia ed antimateria si creano e si annichiliscono in un tempo per noi impercettibile; ma i fotoni della meccanica quantistica (quelli immaginati di Einstein) non avrebbero più bisogno di un mezzo sul quale spostarsi in quanto essi stessi particelle, e quindi simili anche ad una minuscola biglia scagliata nel vuoto. Quindi il fotone è si un onda ma impacchettata, ed è anche il mezzo per trasportare l'onda stessa!

Poi il lenzuolo teso si presta ad immaginare il tessuto spaziale, immersi nel quale gli oggetti massivi creano una buca che rappresenta l'effetto gravitazionale che hanno i corpi sullo spazio-tempo deformandolo. Sono queste pieghe, più o meno profonde a secondo della massa, che risucchiano gli oggetti che passano nei paraggi, e sono queste deformazioni a deviare i raggi di luce che viaggiano per l'universo e che hanno permesso la prima verifica della teoria della relatività generale.

Infine possiamo pensare alle onde sul lenzuolo come alle increspature gravitazionali che dovrebbero propagarsi nell'universo a seguito di qualche fenomeno particolarmente violento; infatti una esplosione di supernova o lo stesso primordiale big bang dovrebbero aver creato l'effetto di scuotimento che riproduce il gesto sul lenzuolo ed alcune onde, minuscole e quasi impercettibili, potrebbero attraversare il nostro spazio-tempo anche in questo momento, anche se fino ad ora nessuno è riuscito a rilevarle.




Se è pur vero che il lenzuolo rappresenta una superficie bidimensionale e che solo le onde che lo attraversano gli impongono tridimensionalità, il nostro mondo che da tridimensionale diventa un "cronotopo" con l'aggiunta del tempo, può essere percepito proprio grazie all'analogia che permette al lenzuolo di diventare il nostro universo immaginario, nella speranza che il pranzo non finisca troppo presto e di non essere scrollati via.

temporeggiando (l'elettrone che non cade mai sul protone)

Leonardo da Vinci: L'acqua che tocchi de' fiumi è l'ultima di quelle che andò e la prima di quella che viene. Così il tempo presente.

L'immagine del fiume che scorre ci riporta spesso al trascorrere del tempo e ci immerge mentalmente nell'acqua che con il suo flusso incessante trasporta qualsiasi cosa in direzione della corrente. Come molti altri aspetti del mondo che ci circonda, anche il tempo è percepito nella scala in cui noi esseri umani assimiliamo i fenomeni, e non a caso i riferimenti che utilizziamo sono la naturale derivazione di questi ultimi: suddividere le nostre esistenze in anni, mesi e giorni è solo il modo più semplice di utilizzare il grande orologio universale che con le varie rotazioni e rivoluzioni celesti ci indica quante volte la Terra ha girato intorno al Sole, quante ha girato su se stessa e via dicendo.

Ma se fossimo una minuscola particella, un elettrone per esempio, quale riferimento potremmo utilizzare per organizzare il nostro tempo? Difficile a dirsi perché l'esplorazione dei fenomeni a scale così ridotte è appena iniziato (diciamo da un centinaio di anni) ed i risultati sono spesso incomprensibili o difficilmente interpretabili. Ed allora partiamo con il solito giochino mentale e cerchiamo di immaginare l'inimmaginabile.

Entriamo per semplicità in un mondo bidimensionale e visualizziamo lo spazio dell'universo come una ragnatela piatta e fittissima (il tessuto spaziale); prendiamo una briciola (un pezzo di materia) e poniamola al centro della tela, e poi lasciamo cadere tutto nel vuoto (tale caduta rappresenta l'inizio dello scorrere del tempo).
Durante la caduta (il tempo che passa) immaginiamo che la nostra ragnatela sia circondata da una specie di vapore che viene assorbito solo dal pezzettino di materia mentre il resto della tela lo lascia traspirare senza interagire (il vapore rappresenta il campo di Higgs responsabile dell'esistenza della massa). Ciò che accadrebbe è che la continua interazione tra la briciola ed il vapore originerebbe uno scuotimento in grado di provocare delle minuscole onde nella tela in caduta (invisibili per noi umani, ma non certo per un minuscolo elettrone).

Se tali movimenti sussultori rappresentassero qualcosa nel mondo reale come potremmo spiegarli?
Supponiamo quindi che il comportamento del tessuto spaziale sia proprio quello descritto in precedenza e che la nostra briciola fosse un protone con carica positiva.

Immaginiamo che alcuni elettroni si trovino in prossimità del protone in caduta: mentre quest'ultimo possiede una discreta massa che è indice di una forte interazione con il vapore (di Hisggs), gli elettroni hanno una massa infinitesimale, il che indica uno scarsissimo assorbimento e quindi quasi nessun effetto sulla ragnatela.

Essendo poi carichi negativamente gli elettroni verrebbero attirati dal polo protonico positivo al centro dell'onda e cercherebbero di avvicinarsi il più possibile, così come si attirano i poli opposti di una calamita; l'energia prodotta dall'onda però tenderebbe a mantenerli in equilibrio ad una certa distanza.


Un altro significato interessante dell'onda nello spazio-tempo è che la fluttuazione verso l'alto ed il basso rappresenterebbe un continuo pendolamento nel passato e nel futuro; in pratica se fissiamo la linea del presente al centro della massa del protone in caduta, osserviamo che il nostro universo bidimensionale, non più completamente piatto, oscilla in parte verso la direzione dalla quale la tela cade ed in parte nel verso dove è diretta.
Se a prima vista questa interpretazione può sembrare che utilizzi una visione classica in opposizione con la teoria quantistica del microcosmo, in realtà la fluttuazione ipotizzata, se riportata in una realtà quadridimensionale, apparirebbe come un continuo saltellare dell'elettrone nello spazio e nel tempo, in accordo con le osservazioni che hanno prodotto l'interpretazione quantistica.

Questo potrebbe significare che, mentre a livello macroscopico la netta distinzione tra passato presente e futuro e perfettamente comprensibile, nelle minuscole pieghe del mondo quantistico tale distinzione è meno marcata se non forse addirittura impercettibile, fino a poter immaginare che tale rappresentazione sia alla base stessa della percezione del tempo nel mondo macroscopico.

Il "campo" saltellante

Alcune correlazioni come quelle tra tempo e gravitazione o tra moto dell'elettrone e spazio, sono state sondate con tenacia dai fisici ma molte domande rimangono prive di risposta.

Solo l'immaginazione ci può far volare sopra il muro, quello che la scoperta può abbattere, che per ora ci divide dalla piena conoscenza della natura; è quindi con un modello mentale che cercherò di immaginare i meccanismi che potrebbero lontanamente avvicinarsi a quelli reali - o forse nemmeno lontanamente - ma con lo scopo di dare una visione più vasta all'ignorante curioso, un quadro artefatto ma possibile tra i tanti, di come l'universo funzioni.

Una delle evidenze più sconvolgenti venute a galla lo scorso secolo è quella della quantizzazione della natura: tutto ciò che ci circonda è fatto di pacchetti, minuscoli, indivisibili e ben misurabili, dalla materia all'energia, e su questo principio - la meccanica quantistica - si è costruita una delle teorie fisiche più precise che gli scienziati abbiano mai partorito: solo lo spazio, la gravità  ed il tempo sono sfuggiti per ora a questa sorta di suddivisione in blocchetti.

Partiamo dall'immaginare un atomo di idrogeno, quello più semplice, il nucleo centrale con carica positiva e l'elettrone negativo che si "muove" nella nube di probabilità: sappiamo che il cosiddetto spostamento è più simile ad un saltellare e che non esiste una vera e propria traiettoria dell'elettrone, anche perché se così fosse, questo granello polarizzato, ruotando intorno al nucleo protonico, emetterebbe energia per poi, esausto, precipitare verso il centro annichilendosi (cosa mai osservata in natura).

Preso atto di ciò che vediamo e misuriamo, come è possibile spiegare un comportamento tanto singolare? Qual'è l'energia infinita che sposta gli elettroni intorno ai nuclei degli atomi dall'inizio dei tempi? 

La soluzione più semplice è quella di accettare il comportamento dell'elettrone per quello che è, un po' come si fa con una persona ribelle ed indomabile; una volta recepita l'idea si cerca di adattarsi alla situazione: così è nata la teoria della schiuma quantistica che in realtà spiegherebbe diversi fenomeni microscopici ma che nella pratica è difficile da sondare. Lo spazio sarebbe pullulante di una infinità  di coppie di materia ed antimateria che creandosi spontaneamente ed annichilendosi in tempi a noi impercettibili (ed anche ai nostri strumenti), comporrebbero lo strato, la pellicola, su cui tutto ciò che vediamo nell'universo esiste e si muove.

In alternativa, non avendo riscontri sperimentali della teoria della schiuma, si può spingere la fantasia un gradino più avanti: se fossero lo spazio ed il tempo a saltellare mentre l'elettrone è perfettamente fermo in balia dell'attrazione del nucleo? Ed inoltre cosa ci sarebbe di così scandaloso se anche lo spazio ed il tempo fossero quantizzati, visto che sappiamo esserlo il resto della natura?

Tutti abbiamo visto qualche vecchio film in cui alcuni fotogrammi danneggiati o bruciati non sono stati montati, avendo la sensazione che la scena si svolga a scatti; siccome gli avvenimenti che osserviamo nelle scene hanno una sequenza logica, il comportamento poco fluido delle immagini non influisce sulla nostra comprensione degli avvenimenti, ed una palla che cade da un terrazzo ci apparirà esattamente per quello che è, come se la sequenza fosse stata integra. Se invece stiamo osservando un fenomeno del quale non conosciamo in origine la sequenza, per esempio un palloncino che sgonfiandosi impazza velocemente per la stanza, sarà molto difficoltoso ricostruire la successione originale.
Se quindi lo spazio-tempo a livello microscopico avesse un comportamento non fluido, l'immagine dell'elettrone che si sposta apparentemente in modo probabilistico potrebbe avere origine da un mix di traiettoria elettromagnetica e continuo spostamento dei punti di riferimento.


Pensiamo ad una nave che beccheggia: il suo continuo oscillare in acqua crea una serie di onde che si susseguono con origine dallo scafo verso l'acqua circostante. Poi immaginiamo delle minuscole scialuppe magnetizzate attratte più o meno debolmente dallo scafo della nave principale; se la forza di attrazione si equivale a quella di trascinamento delle onde, le barchette calamitate staranno in equilibrio attorno alla nave senza poterla mai raggiungere. Aggiungiamo che la nave può essere in movimento, può ruotare su se stessa, e che le onde potrebbero comunque essere presenti in acqua naturalmente e potremmo avere una immagine della complessità delle interazioni tra nucleo (la nave), elettroni (le scialuppe) e lo spazio-tempo (l'acqua).


Ma perché solo l'elettrone dovrebbe apparire saltellante? In questa visione dovremmo supporre che la materia del nucleo, avendo una massa molto maggiore, non subisca una eccessiva distorsione dalla vibrazione dello spazio-tempo. Alle nostre misurazioni, forse proprio perché nella dimensione macroscopica iniziamo ad osservare comportamenti di cui conosciamo perfettamente le sequenze, percepiamo un comportamento classico, proprio come nel film incompleto di prima; d'altronde gli esperimenti ci dicono che il passaggio da comportamento quantistico a quello fisico classico, è graduale e riguarda non solo gli elettroni ma anche particelle ed atomi complessi, ma che più la massa aumenta è meno le caratteristiche "insolite" appaiono. D'altronde se pensiamo al nucleo atomico come ad un transatlantico capiamo subito che le sue dimensioni e la sua massa non subiscono interferenze dal leggero turbamento delle acque in cui è immerso ed anzi è la sua stessa stazza in movimento a perturbare il liquido circostante, cosa che crea non pochi problemi alle minuscole scialuppe elettroniche.

D'altronde che la massa abbia una influenza sullo spazio-tempo circostante ce lo ha insegnato Einstein con la teoria della Relatività Generale: infatti è sperimentalmente noto che il tessuto quadridimensionale dello spazio-tempo viene piegato dalla massa immersa in esso, anche se il meccanismo per cui ciò avvenga è ancora ignoto. E se non fosse l'unica interazione tra i due elementi? Se a livello atomico esistesse una influenza che ad oggi non comprendiamo?

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?

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.

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.

Un brivido dall'Universo

Se dovessi definire con una parola tutto ciò che mi circonda direi immediatamente "vibrazione".

I suoni, la luce, il movimento, gli stessi atomi esistono perché esiste la vibrazione, o meglio la possibilità di cambiare in modo ripetitivo e ciclico il proprio stato: il mondo che conosciamo non è altro che la complessa combinazione di cicli di vibrazione diversi e con frequenze eterogenee, dai quali prende vita il balletto del cosmo.

Non è un caso allora che una delle teorie più promettenti nella descrizione completa ed unificata dell'Universo sia quelle delle Stringhe: per farla molto ma molto breve, ogni minuscolo pezzo di materia od unità di energia, non sarebbe altro che il risultato di una minuscola corda oscillante che in base al modo di vibrazione darebbe vita alla varietà di particelle che osservano gli scienziati negli acceleratori come quello del CERN.

Una teoria affascinante, che riporterebbe tutta la creazione ad un unica invisibile (per dimensioni) entità, la stringa o come più recentemente teorizzato una membrana multidimensionale, dalla quale poi creare, vibrando note diverse, i diversi mattoncini che ci compongono, proprio come una corda di un violino emette suoni differenti se pizzicata a dovere; quindi anche per le stringhe la vibrazione sarebbe fondamentale.

Rimane comunque aperta la solita matriosca che ci indurrebbe a porre subito la questione sull'origine della vibrazione della stringa, ma qualsiasi teoria prendessimo come riferimento si avrebbe il problema di rivelare un mistero ad un livello ancora più profondo e quindi dovremmo comunque fermarci all'attimo della creazione, al momento del Big Bang; ed è proprio l'eruzione di materia primordiale ad affascinarmi nel successivo speculativo ragionamento.
Se quelli che chiamiamo energia e materia, che sappiamo essere due facce della stessa medaglia (o dovrei dire due estremità della stessa corda), si trovano ancora dopo miliardi di anni accelerati a seguito del primo grande Bang, lo spazio ed il tempo (che sappiamo essere interagenti tra loro) originati in quello stesso istante, quale caratteristica possono aver plasmato come reazione alla loro stessa creazione?
Einstein ci ha aiutato a capire come il tessuto spazio-temporale si deformi sotto il "peso" della gravità (come un telo teso sul quale appoggino delle bocce) ma tale effetto si manifesta in termini macroscopici ed è tra le pieghe del lenzuolo, quelle minuscole, che ancora nessuno è riuscito a guardare; ciò significa che siamo in possesso di un modello dello spazio-tempo molto preciso a larghe scale ma che ignoriamo se ci siano altri comportamenti od interazioni alle scale atomiche.
E se dovessimo ipotizzare una caratteristica del tessuto quadridimensionale in cui siamo immersi, quale sarebbe più appropriata di una vibrazione? Sarebbe ipotizzabile che, come un lenzuolo scosso ad una estremità, lo spazio-tempo sia in vibrazione fin dall'origine a causa stessa del Big Bang?
Domande che sarebbero da porre a fisici teorici esperti ma alle quali suppongo sarebbe comunque difficile dare una risposta visto che è stato già molto arduo dimostrare sperimentalmente le impercettibili curvature originate dalla relatività generale che comunque hanno scale cosmologiche.
Mi diverto comunque ad immaginare delle analogie tra la funzione d'onda degli elettroni e la fantomatica vibrazione dello spazio-tempo oppure speculando su di un universo in cui siano i nuclei massivi a  vibrare agganciati al lenzuolo e gli elettroni fermi ed immobili ad osservarne la danza.

Velocità della luce: più lenti non si può (parte 2)

(Se ti sei perso la parte 1)

Quando si immagina la trama del tessuto spazio-temporale si dovrebbe pensare a qualcosa di quadridimensionale, cosa a cui la nostra mente non è assolutamente abituata visto che ci siamo evoluti in un mondo a tre dimensioni e tutti i nostri sensi sono tarati per muoverci in un ambiente simile. L'escamotage per entrare nel mondo immaginato da Minkowski ed Einstein è quello di tralasciare qualche coordinata spaziale (tanto sappiamo bene com'è fatto lo spazio a tre dimensioni) per far subentrare quella temporale, prendendo per esempio come partenza un mondo piatto in cui gli oggetti bidimensionali si possano muovere solo avanti-indietro e sinistra-destra: a pensarci bene non è nemmeno una approssimazione tanto lontana da molte situazioni reali, visto che quando siamo per esempio in bici non abbiamo modo ne di volare ne di scavare e quindi i nostri spostamenti sono, ci permettiamo di dire, a due dimensioni. A questo punto dobbiamo aggiungere la dimensione temporale che possiamo immaginare come tutti i fotogrammi del percorso che faremo in bici, magari sovrapposti uno sull'altro come in una risma di fogli, in pratica un cubo in cui la traiettoria nello spazio e nel tempo sia rappresentata da una linea che congiunge i vari punti (uno per foglio) in cui la bici si è trovata durante il tragitto.

Ancora più semplicemente vorrei introdurvi alla analogia che prediligo: pensate  ad una pellicola di un film in proiezione, dove ogni fotogramma rappresenta uno dei fogli immaginati prima; ora proviamo ad immaginare di essere seduti e di guardare il film che inizia con la bici ferma e di misurare la velocità con cui i fotogrammi scorrono davanti ai nostri occhi o meglio la velocità della pellicola: troveremo che in quel istante il nastro viaggia a circa 300.000 km/s (ricordiamo che lo scorrere dei fotogrammi rappresenta lo scorrere del tempo).
Ad un certo punto la  bici parte col suo ciclista, sempre inquadrata nel nostro fotogramma, e raggiunge la velocità di 100 km/s (è una bici truccata oppure il ciclista è dopato), mentre noi ci apprestiamo a misurare nuovamente la velocità della pellicola per rilevare che questa invece ha rallentato a 299900 km/s; niente di strano, infatti sappiamo bene che, a causa della relatività ristretta, gli oggetti in movimento rallentano il loro orologio che visto da un osservatore esterno (ricordiamo che noi siamo seduti ed il film lo guardiamo), ci apparirà rallentato.

Se quindi il ciclista riuscisse pedalando ad arrivare a 200000 km/s troveremo che la pellicola sarebbe rallentata a 100000 km/s e quindi il film apparirebbe come uno slow motion; quello che però vorrei che notaste è che la somma delle velocità della pellicola (cioè dello scorrere del tempo) e della bicicletta è sempre 300000 km al secondo che poi non è altro che la velocità della luce:
questo sta a significare che ogni cosa nell'universo corre alla velocità della luce ma, siccome la velocità si scompone nelle varie direzioni dello spazio-tempo, nella nostra apparente quiete spaziale di spettatori seduti, noi corriamo a grande velocità nella direzione del tempo, e ciò attenua gli effetti relativistici nella nostra esperienza quotidiana (anche quando ci stiamo muovendo nelle dimensioni spaziali a piccole velocità).


Tale rivelazione ci mette innanzi ad alcune considerazioni molto interessanti:

1) i fotoni che compongono lo spettro elettromagnetico (come per esempio la luce visibile) viaggiano alla velocità della luce diretti esclusivamente nelle tre direzioni spaziali e quindi la loro pellicola (per tornare al film proiettato in precedenza) è completamente immobile e si trovano al di fuori del tempo, senza mai che un secondo sia trascorso per loro dal Bigbang, come degli eterni highlanders;
2) i fotoni sono privi di massa ed è questa la ragione che permette loro di raggiungere la velocità della luce nella direzione spaziale;
3) l'uomo in bici possiede una massa quando è fermo  (massa a riposo) ma durante la corsa la sua massa aumenterà (massa relativistica che sarebbe meglio indicare come energia totale) a causa delle conseguenze della relatività ristretta.

Rimanendo nel nostro cinema virtuale, vuoi mica vedere che l'inerzia in eccesso, che si crea acquistando velocità nelle direzioni spaziali, finisce per appesantire la pellicola (la dimensione temporale) che sarà costretta a rallentare, essendo il motore del proiettore (dell'universo) sempre lo stesso per tutti gli attori e gli spettatori di questo film?