Pensieri Sottili

PROLOGO

Il tempo è così fondamentale nella nostra vita quotidiana che comprenderlo può diventare una vera e propria ossessione. Ammesso, e non concesso, di riuscire in questa impresa è comunque interessante analizzarlo e studiarlo, in virtù della sua magica caratteristica di essere “presente” ma - di fatto - fisicamente “assente”.

La “scoperta” dello spazio-tempo, la struttura quadridimensionale emersa con gli studi sulla Relatività ristretta da parte di Albert Einstein, ha sicuramente permesso di fare un piccolissimo passo in avanti nella decifrazione del codice “tempo”. Non a caso, infatti, l’idea e la possibilità di trattare il tempo come un’altra dimensione spaziale ha spalancato tutta una serie di scenari davvero interessanti. Dalla fantascienza alla scienza, lo spazio-tempo ha giocato un ruolo fondamentale, unico appiglio per dimostrare la coerenza di talune ipotesi e fantastico argomento per la costruzione di romanzi e sceneggiature.

In tutta onestà, nonostante pochi lo ammettano, anche le nostre consute tre dimensioni - come siamo abituati ad intenderle - non sono del tutto comprese. Non parlo, ovviamente, di una comprensione matematica, la quale immagina e costruisce modelli matematici da una a enne dimensioni. Parlo di una comprensione pubblica o, se preferite, più profonda e assimilabile dalla maggioranza.

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Per comprendere nella sua essenza la Relatività Ristretta dobbiamo introdurre uno degli elementi più affascinanti della natura: la luce.

Perchè passiamo dalle automobili in corsa “relativa” su un’autostrada alla luce?

Perchè la luce, in particolare quella visibile, ha giocato un ruolo importantissimo nella “scoperta” della Relatività Ristretta ed ha inoltre portato la fisica di fine ottocento sull’orlo di una crisi profonda.

In verità non dovremmo interessarci necessariamente della luce, intesa come luce visibile, bensì di quello straordinario fenomeno che va sotto il nome di campo elettromagnetico.

Cosa s’intende, tanto per cominciare, con la parola Campo?

Il concetto di Campo è stato fondamentale per la spiegazione e la comprensione di numerosi fenomeni. La sua introduzione la si deve all’intuizione del grande fisico Michael Faraday. Per cercare di visualizzare un Campo prendiamo come esempio il nostro pianeta Terra. Quando si parla di Campo gravitazionale, ad esempio, s’intende la regione che circonda il nostro pianeta che gode della proprietà di accelerare masse verso il centro della Terra. Il Campo, dunque, esiste anche nel vuoto ed è il risultato della presenza di qualcosa.

Un magnete, come una semplice calamita, genera ad esempio quello che viene indicato come Campo Magnetico tutt’intorno alla regione di spazio che lo circonda.

Una carica elettrica puntiforme genera, tutt’intorno alla regione di spazio che la circonda, quello che viene indicato come Campo Elettrico.

Che cos’è, quindi, un campo elettromagnetico?

Viene chiamato campo elettromagnetico (o radiazione elettromagnetica) l’unione di un campo elettrico e un campo magnetico. Quello che si riuscì a scoprire, tra l’altro, è che un campo magnetico è strettamente legato ad un campo elettrico, e viceversa. In particolari circostanze l’uno produce l’altro. Due facce della stessa medaglia insomma. La sorpresa, poi, arrivò quando si scoprì che la variazione di un campo elettrico insieme ad un campo magnetico (un campo elettromagnetico) produceva onde che, guarda caso, viaggiavano nel vuoto alla velocità della luce c (299.792.458 m/s).
In pratica si dimostrò che la luce visibile non era altro che una - particolare - onda elettromagnetica. La cosa affascinante è che le onde radio, ad esempio, sono anch’esse onde elettromagnetiche. Noi non vediamo le onde radio solo perchè hanno una frequenza (o lunghezza d’onda) diversa dalla luce visibile e quindi non percepita dai nostri sensi visivi, gli occhi, ma in sostanza le onde radio (che hanno una lunghezza d’onda compresa tra 1 metro e 1 chilometro) e la luce di una candela sono esattamente la stessa cosa!

Il calore emanato da un corpo caldo, ad esempio, è anch’esso un’onda elettromagnetica: l’infrarosso. Noi non lo possiamo vedere ad occhi nudi (i nostri occhi percepiscono lunghezze d’onda tra i 400 nano-metri e 700 nano-metri; esistono tuttavia strumenti, medici e militari, che permettono di “vedere” l’infrarosso) ma lo percepiamo come “sensazione di calore”. (more…)

Preambolo

La Teoria della Relatività di Einstein pare limitata ad un pubblico di specialisti. Paradossalmente era meglio conosciuta, al grande pubblico, all’epoca della sua pubblicazione (1905 e oltre) rispetto ad oggi. È una teoria che dovrebbe essere insegnata fin dalle scuole medie (quantomeno la Relativià Ristretta o Speciale), considerando inoltre la maggior visione e comprensione che ci offre sulla realtà che ci circonda. Ho deciso, quindi, di parlarne in modo approfondito in quanto argomento di estremo interesse, per fissare alcuni punti spesso fraintesi e per dimostrare che rappresenta una conquista importante, ancor oggi, che merita di esser resa accessibile all’uomo della strada, anche a costoro che di fisica - in senso stretto - non vogliono o non sentono il bisogno di interessarsi.

Tuttavia gli attori in gioco sono molti, non tanto per la comprensione della teoria stessa, quanto per le conseguenze che essa ha prodotto. Così ho deciso di suddividere il Post in parti, dando modo di riflettere su ogni Post in modo separato. Alla fine spero di riuscire a rendere più semplice ed interessante un’argomento considerato, a torto, di èlite e/o tabù.

In questi Post parleremo di Tempo, Spazio, Massa e Luce. In praticolare Tempo e Luce dovrebbero interessarci in quanto elementi della vita quotidiana.

Un’altra importante conquista legata alla teoria della relatività fu lo sforzo di Einstein di unificare concetti, proprietà ed interpretazioni in un’unica visione. Sforzo ancora oggi perseguito dai fisici e teso a semplificare la visione e la percezione del mondo che ci circonda. Einstein riuscì parzialmente nell’impresa, come vedremo, tuttavia fu un notevole passo in avanti!

Storia

La Teoria della Relatività di Einstein fu pubblicata per la prima volta nel 1905. Essa è la più famosa (quella corretta come direbbe un fisico), tuttavia è bene ricordare che non è stato Einstein ad introdurre il concetto di relatività (vedremo tra l’altro nei Post successivi come e perchè si è arrivati alla Teoria della relatività). Inoltre la teoria presentata nel 1905 viene indicata come Teoria della Relatività Ristretta o Speciale (io proporrei anche inerziale), questo perchè tratta sistemi tra loro in moto rettilineo uniforme, non prende quindi in considerazione sistemi in accelerazione o in moto arbitrario (per questo tipo di moti Einstein lavorò poi sulla Teoria della Relatività Generale). Riassumendo:

1. Relatività Ristretta (o speciale) - 1905
2. Relatività Generale (gravitazionale) - 1916

Einstein ha il merito di aver compreso e riunito, in modo corretto, tutta una serie di scoperte, ipotesi e dimostrazioni e di aver chiarito una volta per tutte le incomprensioni e le incongruenze presenti all’epoca. Potremmo quindi sostenere, senza nulla togliere all’opera di Einstein, che gran parte del lavoro era già stato fatto nel 1905, come avremo modo di vedere.

Per completezza e per dare un quadro dell’attuale situazione, bisogna considerare che ad oggi la Teoria della Releatività Ristretta e quella Generale, spiegano con successo tutto quello che accade al mondo macroscopico, galassie e universo compreso. Di contro, la relatività, trova difficoltà a livello subatomico. In questo caso entra in gioco la Meccanica Quantistica. Tuttavia l’attuale teoria della Meccanica Quantistica (con tutte le sue varianti) nonostante sia in grado di ottenere notevoli successi quando si parla di particelle, cade clamorosamente appena di sale di scala, ad esempio sulla gravitazione stessa!

Il concetto di Relatività

Come si evince dal nome si parla di relatività in quanto ci si chiede cosa accada (o come relazionarsi) a sistemi tra loro in moto, in particolare tra due o più sistemi in moto rettilineo uniforme; che si muovono quindi su traiettorie rettilinee a velocità costante. (more…)

Le stranissime formule della fisica e le sue teorie (discorso valido per tutta la scienza in generale) nascono dal confronto del passato con il presente e il futuro, dove, quest’ultimo, viene svelato o previsto dalle formule stesse. In fin dei conti una buona teoria fisica la si reputa tale proprio quando “azzecca” le previsioni.

Tutte le osservazione che possiamo fare sulla realtà che ci circonda sono permesse proprio dallo scorrere del tempo. Il volo di un uccello non sarebbe percepito come movimento senza un corretta correlazione tra un istante dato e il successivo. Misurare la lunghezza di un tavolo sarebbe impossbile senza un tempo in moto come il nostro.

Ad esempio, proviamo a riflettere attentamente su come misuriamo una differenza di velocità e, quindi, come percepiamo quello che indichiamo come movimento.
Dato un oggetto in un dato istante t₀ percepisco un movimento quando in un altro dato istante t₁ misuro una differenza di posizione. In pratica identifichiamo due porzioni di tempo, tenendone una da parte (t₀). Cerchiamo la seconda - o successiva (t₁). Quando trovo P₁ (la posizione misurata al tempo t₁) comprendo - o calcolo - una variazione di posizione solo perchè ho tenuto da parte la prima lettura e considero successiva l’altra.

Cosa accadrebbe se potessi analizzare il solo punto P_{1 o} P₀? Non avrei nessuna connessione per determinare il moto - lo stato - passato e - quindi - neanche quello futuro. Conoscerei solo un momento. In pratica se non potessi mettere da parte la prima lettura P₀, ogni successiva lettura sarebbe isolata nel tempo (e nello spazio).

Sembra, quindi, che con il solo presente la fisica abbia davvero poco su cui discutere. L’istante, da solo, non fornisce molte informazioni utili. E’ la correlazione con gli stati passati ad illuminarci su ciò che potrebbe accadere dopo (previsioni).

Come accennato sopra, anche gli stati che ci sembrano essere definiti all’interno di un’istante, come ad esempio una dimensione, una lunghezza, celano tuttavia la presenza di passato e presente, quantomeno. Quando misuriamo la lunghezza di un lato di un tavolo, ad esempio, eseguiamo una differenza nella spazio e nel tempo; siamo così abituati a precipitare nel tempo che ce ne dimentichiamo con estrema facilità.

Un’immagine che mi ha sempre affascinato, relativamente alle misure, è la seguente. Guardate i tre fotogrammi mostrati qui sotto:

Abbiamo una sfera che si avvicina progressivamente verso un muro (da destra a sinistra, dedotto da come ho etichettato gli istanti di tempo t_0, t_{1 e} t₂); e questo perchè ve lo dico io!

Avendo inserito delle etichette sotto ogni fotogramma (t_0, t_{1 e} t₂) riusciamo a dare un senso (una direzione e una sequenza) temporale ai tre distinti fotogrammi. Ora la cosa curiosa è questa: se l’intervallo di tempo tra t₂ e t₀ è molto piccolo posso sostenere che la sfera possiede molta energia (cinetica) e presumo che si schianterà con violenza contro il muro. Alternativamente se scoprissimo che tra t₂ e t₀ è passato un anno, saremo tentati di presumenre - come prima - che non accadrà nulla di violento. La cosa curiosa è che guardando i fotogrammi singolarmente e eliminando tutte le informazioni temporali, non ho modo di misurare o prevedere nulla.

L’energia cinetica e la quantità di moto della sfera sono incognite in tutti e tre i fotogrammi eliminando il tempo. Inoltre, essendo magnanimo, vi garantisco almeno la sequenza. Qualcuno, infatti, potrebbe sostenere che stiamo guardando tre fotogrammi posti a casaccio! Alchè la situazione diventerebbe davvero drammatica in quanto non potremmo nemmeno più sostenere che t₀ viene prima di t₁ e - a sua volta - t₁ prima di t₂!

La domanda quindi diventa: dove sono registrate le informazioni di quantità di moto e energia?

Se elimino lo strato temporale perdo ogni concezione della realtà così come siamo abituati a percepirla; velocità, posizione, energia, quantità di moto, svaniscono improvvisamente senza poter essere più recuperate!

Il tempo è così importante e vitale (e lo diamo per scontato) che ci dimentichiamo cosa accadrebbe senza di esso?!

Una caratteristica davvero unica del Tempo, come noi tutti lo intendiamo, è la sua estrema necessità. Mentre infatti si possono ipotizzari mondi con dimensioni minori o maggiori di tre (universi con 10 o più dimensioni, mondi a due dimensioni sferici, ecc…) del tutto coerenti, è impossibile ipotizzare un mondo senza tempo.

La nostra esistenza si basa così radicalmente sul tempo che eliminarlo annulla automaticamente l’esistenza stessa.

La nostra percezione di esistere è fondata sul tempo. Non potremmo pensare senza lo scorrere del tempo.

Tutte le misure che vengono effettuate sono sempre relative al tempo. Eppure, in ultima analisi, non sappiamo assolutamente cosa il tempo sia. Lo usiamo continuamente senza conoscerlo affatto.

Una velocità, un’accelerazione, una variazione di temperatura, una distanza, sono tutte fortemente collegate al tempo.
Provate….

Come già accennavo in “Sul Tempo…” immaginiamo di fare questa congettura: definiamo “ora” o istante, come l’insieme totale degli stati dell’universo.

Se ogni istante corrisponde ad un insieme ben preciso di stati (posizione, velocità e temperatura di tutte le infinite particelle, ecc…), eleviamo questa congettura a definizione di istante.
Se crediamo in tale definizione, incontriamo una serie di difficoltà nel concepire un “viaggio” a ritroso nel tempo.

Facciamo un esempio. Fra N minuti sostengo di essere in grado di tornare ad “ora”! Quello che accadrebbe, per identificare fra N minuti nuovamente “ora”, e di ritrovarmi esattamente come sono “ora”, mentre scrivo, quindi totalmente inconsapevole di essere - per così dire - tornato indietro.
Se infatti fossi consapevole di essere effettivamente tornato indietro nel tempo, contraddirei la definizione di istante data sopra. Essendo consapevole di essere tornato indietro nel tempo non potrei mantenere lo stesso insieme di stati dell’universo, in quanto io mi troverei in una condizione diversa - per non dire privilegiata - rispetto alla precedente, quando ancora non ero tornato indietro!

In pratica noi identifichiamo un istante come insieme di stati. Ne deriva che questo insieme di stai corrisponde ad un instante ben preciso, non uno qualsiasi. Qualsiasi variazione (nel tempo…), anche minima, nell’insieme di stati, corrisponde quindi ad un diverso istante, se volete precedente o successivo volendo mantenere una visione familiare.

Se non riuscissimo a misurare o percepire variazioni nell’insieme di stati dell’universo il tempo scomparirebbe, compreso il tempo soggettivo percepito da ognuno di noi, essendo noi stessi parte degli stati dell’universo.

In definitiva se un istante deve corrispondere ad un ben definito insieme di stati per essere riconosciuto tale, risulta evidente che qualsiasi variazione a tali stati non potrà corrispondere a quell’istante.

La cosa interessante è che se per assurdo mi trovassi nel diciottesimo secolo, rendendome conto dalla realtà che mi circonda, dovrei sospettare che non sia il diciottesimo secolo da me conosciuto, ma un’altro stato simile al diciottesimo secolo!

Per meglio dire, potremmo sospettare che si sia riprodotta - casualmente - una configurazione degli stati dell’universo simile a una registrata in precedenza, con una sola piccollissima differenza; noi stessi che siamo “tornati” indietro. Tornare esattamente ad un istante passato, data la definizioe sopra, non ha senso. Registrare una configurazione degli stati dell’universo simile ad una già registrata del 99,99999999999999999999999999999999% è quello che più si avvicina ad un viaggio a ritroso nel tempo!

In quello che noi identifichiamo normalmente con futuro, invece, le cose diventano più semplici, in quanto non possiamo prevedere nei dettagli l’insieme degli stati dell’universo fra N istanti (nonostante questa sia un’aspirazione della scienza in generale).
Forse è proprio per questo motivo che esiste una freccia del tempo!
Siamo noi stessi a determinare parte dello stato dell’universo fra N istanti con le nostre scelte, sempre che crediate nel libero arbitrio. Nel caso contrario, futuro e passato si equivalgono, quantomeno nella loro immutabilità di stati. Non siamo in grado di ri-sistemare gli stati dell’intero universo in modo da “simulare” un ritorno nel passato. Per chi fa affidamento al libero arbitrio, tende a pensare di poter modificare almeno una parte di questi stati con le proprie scelte.

Se lo spazio ha tre dimensioni perchè il tempo dovrebbe averne solo una?

Se invece di invecchiare ci allargassimo ogni secondo che passa, questo muterebbe la nostra concezione del tempo?

Se ci chiediamo cosa possa significare “viaggiare nel tempo” possiamo averne un’idea riflettendo sul fatto che la nostra esistenza, la nostra vita, è di per se un viaggio nel tempo.
Ogni istante è per noi un viaggio, in una direzione ben precisa verso quello che identifichiamo come futuro, ma sempre viaggio. Tutto sommato è come trovarsi su un treno che non fa fermate e dal quale non possiamo scendere. “Adesso” passa e si trasforma in “passato”, come lo scenario visto dal finestrino di un treno-temporale-immaginario.
Curioso…

Il Tempo, questo sconsciuto, viene considerato come una dimensione ulteriore da aggiungere al nostro sistema di riferimento tridimensionale. Mi chiedo se ciò è effettivamente corretto ai fini di una reale comprensione di questa strana cosa che noi chiamiamo Tempo.

La teoria della relatività ristretta, ad esempio, ha dimostrato due cose:

1. Il Tempo assoluto - di Newton - non esiste!
2. Velocità paragonabili a quella della luce influenzano sia la metrica dello spazio tridimensionale che la “metrica” del tempo!

Per le nostre percezioni, se non di comprensione, lo spazio tridimensionale risulta più facilmente assimilabile e apparentemente comprensibile alla nostra mente. Abbiamo continuamente a che fare con lo spazio tridimensionale. Esso rappresenta il nostro habitat naturale, lo possiamo vedere, misurare, possiamo percorrere un tratto di spazio e tornare indietro sui nostri passi - cosa meravigliosa se ci si riflette un momento. Abbiamo, dunque, un ampio raggio d’azione per eseguire prove ed esperimenti su questo tessuto tridimensionale.

Chissà se la natura ha potuto scegliere il numero delle dimensioni spaziali?

Questa semplice concezione di spazio risulta quindi familiare, nonostante, ad un esame attento e profondo, nasconde - secondo me - concetti più profondi che tutt’ora ci sfuggono. Lavori sulla metrica e su spazi con più o meno dimensioni sono stati svolti da celebri matematici e fisici, addirittura in periodi storici ben lontani dalle applicazioni pratiche: infatti alcuni di questi lavori, come quelli del matematico Reimann, sono stati praticamenti riscoperti anni, se non secoli, dopo la loro pubblicazione.

Ciò che risulta davvero affascinante nel tempo è la sua proprietà di “memoria”. Quella proprietà fondamentale che ci permette di distinguere tra “passato” e “futuro”. Ciò che risulta evidente è la capacità del tempo di memorizzare un evento è continuare a spalmarlo in quello che noi identifichiamo con “futuro”.

Perchè devo aspettare per riscaldare un bricco d’acqua? Perchè ci siamo abituati. Sappiamo che dobbiamo fornire sempre più energia al bricco, e ciò ci risulta ovvio in quanto diamo per scontato che “ora” il bricco è più “caldo” rispetto a “prima”. Il calore di “adesso” è uguale al calore di “prima” più quello di “ancor prima” e così via. Ogni istante “presente” contiene se stesso e il precedente. Ricorda, grossolanamente, una somma numerica. Forse nemmeno troppo grossolanamente se consideriamo - in quest’ottica - che “5″ non potrebbe esistere se non esistesse il “4″, e così via.

Prendo un foglio di carta bianco ed inizio a scrivere il mio nome. Quando ho finito ho un quadro del “tempo”. Vedo la “somma” di ciò che ho fatto “prima” e “ancor prima”.

E’ fuori dubbio che il mio “ora” è la somma dei miei “prima” e “allora”. In questa visione non riesco ad identificare il tempo come una quarta dimensione. Questa caratteristica di “somma” non è visibile nelle tre dimensioni ordinarie, ad esempio. Come posso alterare uno spazio? Lo spazio ha memoria di se stesso?

Se ad esempio prendiamo un asse del nostro spazio tridimensionale, l’asse x. Ha veramente senso parlare di (x-n) come precedente a (x+n)? In altre parole che ne sa x dell’esistenza di (x-n) o (x+n)? Con il tempo - reletivamente alla nostra esperianza - posso dire certamente che “ora” sa benissimo dell’esistenza di “prima”! Al limite si può dubitare del “dopo”!

Nel “tempo” - invece - esiste una “freccia” che indica una pseudo-direzione! Essa sembra quasi ovvia, risulta chiaro che per lo spazio una “freccia” è sempre relativa. Ciò che è alla mia “destra” potrebbe essere alla tua “sinistra”, quindi ciò che per me viene spazialmente “dopo” per te potrebbe venire spazialmente “prima”.

Siamo, invece, tutti d’accordo - reletivamente al nostro mondo o porzione di universo - su ciò che viene “prima” e su ciò che viene “dopo” - esclusa la relatività ristretta ovviamente (non siamo in moto uniforme). Non esistono palesi conflitti in questo. Inoltre ciò che faccio “ora” avrà conseguenze su ciò che identifico con “dopo”. Lo spazio sembra non possedere tale caratteristica, non viene influenzato in modo permanente da nulla.

Vorrei dare una definizione di “ora” in modo generico ed astratto, in qualche modo.
Potremmo definire come “ora” l’insieme totale degli stati dell’universo.

Tutto ciò che osserviamo è in continuo mutamento, a livello macroscopico e a livello subatomico. Ebbene, se fotografiamo mentalmente un stato, o un’insieme di stati, quello è un’istante. Se riuscissimo a riportare tutte le particelle ad uno stato ben definito avremme ingannato - per così dire - il tempo.

Infatti cos’è effettivamente per noi lo scorrere del tempo se non la misura indiretta di cambiamenti di stato. Se non esistessero cambiamenti di stato sarebbe impossibile misurare o osservare lo scorrere del tempo.

Tuttavia rimane il “tempo intuitivo”, la sensazione personale dello scorrere del tempo.

Esistono quindi due tipi di tempo? Un tempo “T” intuitivo e un tempo “t” relativo a misurazioni indirette, quello utilizzato nella fisica per intenderci?