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.

Velocità della luce: più lenti non si può (parte 1)

L'idea o meglio la constatazione alla base della relatività ristretta è quella che vede la velocità della luce come un limite massimo invalicabile; tale convinzione nacque già alla fine dell'800, quando Michelson e Morely allo scopo di provare l'esistenza dell'etere, si accorsero che la velocità della luce era costante da qualsiasi punto di riferimento si provasse a misurarla.

In pratica se stessimo viaggiano su di un moderno treno ad una velocità di 300 km/h ed incrociassimo un impulso luminoso che viaggia in direzione opposta, misurando da passeggeri la velocità "percepita" di tale impulso ci aspetteremmo di trovare che la velocità osservata fosse quella della velocità della luce sommata ai 300 km/h; per capirci la velocità percepita o relativa è spiegabile con quella sensazione che abbiamo provato tutti su di un treno alla stazione guardando il treno sul binario vicino e non riuscendo a capire quale dei due si stia effettivamente muovendo:
sommando la velocità del treno fermo (zero) con quella del treno in partenza (esempio 10) e ottenendo lo stesso totale (10) da entrambe i passeggeri dei due treni, non si può sapere quale dei due sia fermo se non osservando un terzo sistema di riferimento (ad esempio il marciapiede). 

A grande sorpresa, nel caso del impulso luminoso, i rilevatori di velocità sopra il treno segnalerebbero, come somma delle due velocità, sempre solo la velocità della luce (1.054.052.849 km/h) e non la velocità del treno sommata a quella della luce. E se il treno andasse ad una velocità prossima a quella della luce? La risposta è sempre uguale, alla faccia di Newton e Galileo, al massimo si registrerebbe un impulso luminoso che va alla velocità della luce: quindi a velocità elevate il principio di relatività spaziale non sembrerebbe più valido.

Da questo assunto è partito Einstein nella stesura della sua teoria, senza andare troppo a scavare sulle cause di un fenomeno apparentemente inspiegabile ed illogico, ma sviluppando da questo dato oggettivo una formidabile serie di previsioni teoriche e di risultati eclatanti, primo tra tutti che il tempo non è assoluto ma è relativo all'osservatore. Infatti per spiegare come possa accadere che un fenomeno che nella quotidianità risulta essere perfettamente concordante con le osservazioni, quale la somma o la differenza delle velocità di sistemi di riferimento in movimento, diventi un rompicapo  inestricabile, si deve introdurre la relatività temporale, soprattutto per sistemi di riferimento che viaggiano a velocità molto elevate (il nostro treno Vs l'impulso luminoso); in questo modo chi percorre tragitti a velocità prossime a quelle della luce rallenta il proprio orologio all'occhio di chi viaggia più lentamente.

Ogni singola particella dell'universo vive un tempo relativo legato alla sua condizione di velocità il che è traducibile con la seguente affermazione: l'orologio di ogni singola particella scandisce il tempo in relazione alle interazioni che la particella stessa subisce dai campi che la circondano. Infatti ciò che noi chiamiamo accelerazione dipende essenzialmente dalla massa e dall'energia che possiede la particella (o l'insieme di particelle) e cioè dalla presenza dei campi elettromagnetici, gravitazionali e di Higgs (la definizione di campo è qualcosa di complesso ma possiamo immaginare un fluido che permea lo spazio con certe caratteristiche e densità). E se i campi non ci fossero?

I fisici sono d'accordo sul fatto che senza campi le particelle sarebbero condannate a viaggiare tutte alla velocità della luce, riempendo un "non tempo" e forse un "non luogo" di scie di energia ricurve su se stesse, un posto inimmaginabile in cui più lenti della luce non si può. (continua)