NOTIZIE FLASH: FORSE IL TEMPO NON ESISTE
(per non parlare della sua direzione)
di Tim Folger
dal sito discovermagazine.com
Traduzione di Gianluca Freda
 

Nessuno tiene conto del tempo meglio di Ferenc Krausz. Nel suo laboratorio dell’Istituto Max Planck di Ottica Quantica, a Garching, in Germania, egli ha cronometrato il più piccolo intervallo di tempo mai osservato. Krausz utilizza pulsazioni di laser ultravioletto per cronometrare i salti quantici, assurdamente brevi, degli elettroni all’interno degli atomi. Gli eventi che è riuscito ad osservare durano all’incirca 100 attosecondi, cioè 100 quintilionesimi di secondo. Per mettere la cosa in prospettiva, 100 attosecondi stanno a un secondo come un secondo sta a 300 milioni di anni.

Ma perfino Krausz si trova ben lontano dalla frontiera del tempo. Esiste un regno temporale noto come “Scala di Planck” in cui anche gli attosecondi si trascinano come fossero eoni. Esso segna il limite della fisica conosciuta, una regione in cui distanze e intervalli sono così brevi che gli stessi concetti di spazio e tempo iniziano a dissolversi. Il tempo di Planck – la più piccola unità di tempo che possieda ancora un significato fisico – è pari a 10^-43 secondi, meno di un trilionesimo di trilionesimo di attosecondo. E dopo? Tempus incognito. Almeno per ora.

I tentativi di comprendere il tempo al di sotto della Scala di Planck hanno portato ad una svolta di crescente bizzarria nel campo degli studi di fisica. Il problema, in breve, è che forse il tempo non esiste al livello fondamentale della realtà fisica. Ma se è così, allora che cos’è il tempo? E perché esso è così palesemente e tirannicamente onnipresente nella nostra esperienza? “Il significato di tempo è diventato tremendamente controverso nella fisica contemporanea”, spiega Simon Saunders, docente di filosofia della fisica all’Università di Oxford. “La situazione è così sgradevole che la miglior cosa da fare è quella di proclamarsi agnostici”.

I problemi col tempo iniziarono un secolo fa, quando le teorie einsteiniane della relatività speciale e generale demolirono l’idea del tempo come costante universale. Una delle conseguenze è che passato, presente e futuro non sono entità assolute. Le teorie di Einstein crearono anche una spaccatura nel mondo della fisica, poiché le norme della relatività generale (che descrivono la gravità e la struttura macroscopica del cosmo) sembrano incompatibili con quelle della fisica quantistica (che governa il reame del microscopico). Circa quattro decenni fa, il noto fisico John Wheeler, che all’epoca insegnava a Princeton, e il vecchio Bryce DeWitt, allora all’Università del North Carolina, elaborarono una straordinaria equazione che offre una possibile cornice per unificare relatività e fisica quantistica. Ma l’equazione di Wheeler-DeWitt è sempre stata controversa, anche perché infligge un altro e ancor più beffardo colpo alla nostra comprensione del tempo.

“Nell’equazione di Wheeler-DeWitt il tempo, semplicemente, scompare”, dice Carlo Rovelli, fisico dell’Università del Mediterraneo a Marsiglia, in Francia. “E’ un problema che ha fatto scervellare molti studiosi. Forse il modo migliore di pensare alla realtà quantica è quello di abbandonare il concetto di tempo. La descrizione dei fondamenti dell’universo dovrebbe prescindere dal tempo”.

Nessuno è ancora riuscito ad usare l’equazione di Wheeler-DeWitt per integrare la teoria dei quanti con la relatività generale. Eppure, una nutrita minoranza di studiosi, compreso Rovelli, è convinta che per fondere con successo i due grandi capolavori della fisica del 20° secolo si debba inevitabilmente descrivere un universo in cui, in ultima analisi, il tempo non esiste.

La possibilità che il tempo non esista è nota tra gli studiosi come “problema del tempo”. Si tratta forse del più grande, ma non certo dell’unico, enigma temporale. Candidato per il secondo posto nella classifica delle stranezze: il fatto che le leggi della fisica non riescano a spiegare perché il tempo si muove sempre verso il futuro. Tutte le leggi – siano quelle di Newton o di Einstein o le curiose regole quantiche – funzionerebbero altrettanto bene se il tempo scorresse all’indietro. Eppure, per quanto ne sappiamo, il tempo è un processo a senso unico: non torna mai indietro, benché nessuna legge lo vieti.

“E’ piuttosto misterioso il motivo per cui siamo soggetti ad una così evidente freccia del tempo”, dice Seth Lloyd, ingegnere di meccanica quantistica al MIT. (Quando gli domando che ora è, mi risponde: “Boh. Abbiamo già finito?”). “La spiegazione consueta di questo fenomeno è che per specificare cosa avviene in un sistema, bisogna specificare non solo le leggi fisiche, ma anche una condizione iniziale o finale”.

La madre di tutte le condizioni iniziali, dice Lloyd, è il Big Bang. I fisici sono convinti che l’universo sia iniziato come una palla di energia, molto semplice ed estremamente compatta. Anche se le leggi della fisica non danno ragione della freccia del tempo, è l’attuale espansione dell’universo a darne ragione. Man mano che l’universo si espande, esso diventa sempre più complesso e disordinato. Il disordine crescente – che i fisici chiamano crescita dell’entropia – è guidato dall’espansione dell’universo, che potrebbe essere all’origine di ciò a cui pensiamo come l’incessante marcia in avanti del tempo.

Da questo punto di vista, il tempo non è qualcosa che esiste separatamente dall’universo. Non c’è un orologio che ticchetta al di fuori del cosmo. Molti di noi tendono a concepire il tempo come lo concepiva Newton: “Tempo assoluto, vero e matematico, che di per sé, e per sua stessa natura, scorre uniformemente, a prescindere da tutto ciò che è esterno ad esso”. Ma come Einstein ha dimostrato, il tempo è parte della stessa materia dell’universo. Contrariamente a ciò che Newton credeva, i nostri comuni orologi non misurano qualcosa di indipendente dall’universo. In realtà, dice Lloyd, gli orologi non misurano affatto il tempo.

“Ultimamente sono stato al National Institute of Standards and Technology di Boulder”, dice Lloyd. (Il NIST è il laboratorio governativo in cui si trova l’orologio atomico, che è il punto di riferimento per la misurazione del tempo in ogni nazione). “Lì ho detto qualcosa tipo ‘I vostri orologi misurano il tempo con grande precisione’. Loro mi hanno risposto: ‘I nostri orologi non misurano il tempo’. Ho pensato, wow, come sono umili questi tipi. Ma loro mi hanno spiegato: ‘E’ il tempo ad essere definito su ciò che i nostri orologi misurano’. Ed è vero. Quegli orologi definiscono gli standard temporali in tutto il mondo. Il tempo è definito dal numero di scatti dei loro orologi”.

Rovelli, sostenitore dell’universo senza tempo, afferma che i guardiani del tempo del NIST hanno ragione. Inoltre, il loro punto di vista si accorda perfettamente con l’equazione di Wheeler-DeWitt. “In realtà noi non vediamo mai il tempo”, spiega. “Noi vediamo solo orologi. Se diciamo che un oggetto si muove, ciò che vogliamo dire in realtà è che quell’oggetto si trova nella tal posizione quando la lancetta del nostro orologio si trova nella tal posizione, e così via. Diciamo di misurare il tempo con gli orologi, ma vediamo solo le lancette degli orologi, non il tempo in sé. E le lancette degli orologi sono variabili fisiche come tutte le altre. In un certo senso stiamo barando, perché ciò che realmente studiamo sono variabili fisiche come funzione di altre variabili fisiche, ma noi rappresentiamo questo come se ogni cosa si evolvesse nel tempo.

L’equazione di Wheeler-DeWitt ci dice che dobbiamo smetterla di giocare a questo gioco. Anziché introdurre questa variabile fittizia – il tempo, che in sé non è osservabile – dovremmo limitarci a descrivere le relazioni tra le diverse variabili. La domanda è: il tempo è davvero una proprietà fondamentale della realtà o è solo l’apparenza macroscopica delle cose? Io direi che è solo un effetto macroscopico. Qualcosa che emerge solo nelle cose di grandi dimensioni”.  

Per “grandi dimensioni” Rovelli intende qualsiasi cosa che esista molto al di sopra della misteriosa Scala di Planck. Attualmente non esiste nessuna teoria fisica che descriva in modo soddisfacente come sia fatto l’universo al di sotto della Scala di Planck. Una possibilità, se i fisici riuscissero a unificare la teoria dei quanti e la relatività generale, è che spazio e tempo possano essere descritti in base a una versione modificata della meccanica quantistica. In una tale teoria, spazio e tempo non sarebbero più fluidi e continui. Sarebbero invece fatti di piccoli frammenti – quanti, in gergo fisico – proprio come la luce è composta di singole particelle di energia chiamate fotoni. Questi frammenti sarebbero i mattoni costitutivi dello spazio e del tempo. Non è facile immaginare che lo spazio e il tempo siano fatti di qualcos’altro. Dove dovrebbero esistere i componenti dello spazio e del tempo, se non nello spazio e nel tempo stessi?

Come spiega Rovelli, in meccanica quantistica tutte le particelle di materia e di energia possono essere descritte come onde. E le onde possiedono una proprietà insolita: può esistere un numero infinito di esse nella medesima posizione. Se un giorno si riuscisse a dimostrare che spazio e tempo sono composti di quanti, i quanti potrebbero esistere sovrapposti tutti insieme in un unico punto senza dimensione. “In questa visuale, in un certo senso, spazio e tempo scompaiono”, dice Rovelli. “Non esiste più lo spazio. Solo quanti che sono come sovrapposti l’uno all’altro senza essere realmente immersi nello spazio”. 

Rovelli ha lavorato con uno dei più grandi matematici del mondo, Alain Connes del Collège de France di Parigi, proprio su questa materia. Insieme hanno elaborato una struttura per spiegare in che modo ciò che noi sperimentiamo come tempo emerga da una realtà che, a livello di base, è priva di tempo. Secondo la descrizione di Rovelli, “il tempo potrebbe essere un concetto approssimativo, qualcosa che emerge su ordini di grandezza macroscopici. Un po’ come il concetto di “superficie dell’acqua”, che ha senso a livello macroscopico, ma perde ogni significato a livello atomico”.

Rendendosi conto che questa spiegazione riesce solo a rendere più fitto il mistero del tempo, Rovelli afferma che buona parte della conoscenza che oggi diamo per scontata era un tempo egualmente stupefacente. “Capisco che non si tratti di questioni intuitive. Ma è proprio a questo che serve la fisica: scoprire nuovi modi di pensare al mondo, proporli e vedere se funzionano. Immagino che quando Galileo disse che la Terra girava, la cosa risultasse a molti altrettanto incomprensibile. Per Copernico, lo spazio non era la stessa cosa che era per Newton e lo spazio di Newton non era lo spazio di Einstein. C’è sempre qualcosa in più da imparare”.

Einstein, per esempio, trovava conforto nella propria rivoluzionaria concezione del tempo. Nel marzo 1955, quando morì il suo caro amico Michel Besso, scrisse una lettera per confortare la famiglia dello scomparso: “Adesso se n’è andato da questo strano mondo un po’ prima di me. Ma questo non significa nulla. Le persone come noi, che credono nella fisica, sanno che la distinzione tra passato, presente e futuro è solo un’illusione ostinatamente persistente”.

Rovelli sente che un’altra rivoluzione nel modo di concepire il tempo è proprio dietro l’angolo. “Nel 1905 uscirono gli studi di Einstein e il modo in cui le persone pensavano allo spazio-tempo cambiò all’improvviso. Siamo di nuovo nel pieno di un momento simile”, mi dice. Quando la polvere si poserà, il tempo – qualunque cosa sia – potrebbe rivelarsi qualcosa di anche più strano e illusorio di quanto Einstein credesse.