Viaggi nel tempo: scienza o fantascienza? Understand article

Tradotto da Francesca Iannuzzi. Pensate che i viaggi nel tempo non possano essere argomento di una seria lezione scientifica? Jim Al-Khalili, dell’Università del Surrey, Regno Unito, non è d’accordo. Ci spiega come l’argomento dei viaggi nel tempo si colleghi ad alcune idee fondamentali…

Jim Al-Khalili
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dall’University del Surrey

Quando i fisici vogliono stimolare l’interesse del grande pubblico verso la scienza, si affidano alla cosmologia o alla fisica delle particelle. C’è sempre qualcosa di entusiasmante da dire riguardo allo spazio o alla ricerca di nuove particelle con l’acceleratore LHC (Large Hadron Collider, vedi gli articoli Landua & Rau, 2008, e Landua, 2008). E’ certamente molto più difficile rendere interessanti l’elettromagnetismo o la termodinamica.

Parlare di viaggi nel tempo è anch’esso un modo di arrendersi alla fantascienza? Penso proprio di no. Invece, penso che sia un modo eccellente per divulgare alcuni concetti alla base delle teorie della relatività di Einstein (sì, sono due). Possiamo cominciare ponendoci una semplice, ma cruciale domanda: i viaggi nel tempo sono davvero possibili? Chiunque abbia visto film come Terminator o Dr Who penserà che il concetto di viaggio nel tempo, per quanto divertente da contemplare, sia soltanto un’assurdità priva di fondamento scientifico. Di fatto, la possibilità di viaggiare nel tempo non solo è prevista dalle leggi della fisica, ma è stata anche confermata da diversi esperimenti.

Adesso devo ridimensionare questa mia ardita affermazione specificando che, finora, sono stati effettuati soltanto viaggi nel futuro. Viaggiare nel passato è molto più difficile e , probabilmente, impossibile. Affascinante è, tuttavia, il fatto che la possibilità non sia stata ancora completamente esclusa. Lo scopo di questo mio articolo è di spiegare la differenza fra questi due tipi di viaggi nel tempo e di mostrare quanto la Teoria della relatività abbia costretto i fisici ad abbandonare tutte le precedenti convinzioni riguardo alla natura del tempo.

Isaac Newton: l’approccio intuitivo?

Prima che Newton completasse il proprio lavoro sulle leggi del moto, nel 1687, la definizione del concetto di tempo era considerata oggetto della filosofia, piuttosto che della scienza. Tuttavia, quando Newton descrisse come gli oggetti si muovono sotto l’influenza di forze, il tempo diventò parte integrale della sua descrizione matematica della realtà, dando un senso al concetto di movimento. Newton vedeva il tempo come assoluto e incessabile; lo descriveva come un’entità separata e indipendente dallo spazio e da qualsiasi processo che vi prendesse luogo. Questa è, tuttora, la percezione che la maggior parte di noi ha del tempo: lo immaginiamo come uno scorrere costante, regolato da un orologio cosmico immaginario che ne scandisce i secondi, le ore e gli anni indipendentemente dalla nostra esistenza. Non abbiamo nessuna influenza sul suo scorrere e non possiamo farlo accelerare o rallentare. Ci sembra di sapere cosa sia, ma nessuno lo sa veramente. Le migliori definizioni che ne abbiamo sono abbastanza ridicole, come “il tempo è il modo in cui la natura impedisce che tutto accada contemporaneamente” oppure “il tempo scorre in maniera costante al ritmo di un secondo al secondo”. Cosa vorrebbe dire questo?

Aveva ragione Newton? Il tempo è assoluto? Albert Einstein ha dimostrato che questo non è vero.

Albert Einstein: un rivoluzionario

Nel 1905 Einstein scoprì, grazie ai suoi studi sulla natura della luce, che lo spazio e il tempo non sono indipendenti, ma strettamente legati l’uno all’altro. Le sue idee divennero note come “Teoria della relatività ristretta”, una rivoluzione per la fisica di quei tempi. Essa mostrò come e perchè le vecchie nozioni di spazio e tempo fossero da rimpiazzare con una nuova serie di concetti e idee non esattamente familiari. In sostanza, la teoria della relatività unifica il tempo alle tre dimensioni spaziali e dà origine al cosiddetto spazio-tempo. Qui si origina l’idea del tempo come della quarta dimensione.

Nel 1915, dieci anni dopo il suo lavoro sulla relatività ristretta, Einstein completò la propria teoria della gravità, nota come “Teoria della relatività generale”. Comunemente riconosciuta come la più bella teoria scientifica mai sviluppata, la relatività generale descrive come gli effetti gravitazionali della materia influenzino lo spazio-tempo. Tante interessanti previsioni della teoria furono in seguito confermate; tra queste, la nascita dell’Universo dal Big Bang e l’esistenza dei buchi neri.

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Ma torniamo alla relatività ristretta. Einstein ha dimostrato che per qualsiasi corpo che viaggi a velocità prossime a quella della luce – trecentomila chilometri al secondo – il tempo scorre più lentamente. Quanto più vicino è il corpo alla velocità della luce, tanto più lento scorre il tempo, almeno dal punto di vista di un osservatore esterno. Oggigiorno, il rallentamento del tempo è osservato quotidianamente negli acceleratori di particelle, come il CERN in Svizzeraw1. Tanti studenti di fisica hanno occasione di vedere questo effetto in laboratorio, osservando un certo tipo di particelle sub-atomiche chiamate muoniw2.

Consideriamo un esempio pratico. Un atleta completa i 100 metri in esattamente dieci secondi, misurati dal cronometro del giudice. Tuttavia, se lui avesse portato con sè il proprio cronometro, questo avrebbe riportato un tempo di 9.999999999995 secondi: questo è dovuto al fatto che il tempo, per l’atleta in movimento, scorre più lentamente. Ovviamente la differenza rispetto al tempo calcolato dal giudice è molto piccola, dell’ordine di picosecondi, perchè l’atleta si muove a velocità molto inferiori a quella della luce.

Il concetto è molto sottile. Se qualcuno conosce qualcosa della teoria della relatività, molto probabilmente è che tutti i moti sono relativi. Perchè, allora, dovrebbe essere l’orologio dell’atleta quello più lento? Se il moto è relativo, allora potremmo equivalentemente dire che sia la pista a muoversi e l’atleta ad essere fermo. Da questo punto di vista, dovrebbe essere il cronometro del giudice a scorrere più lentamente. Questo sarebbe vero se la situazione fosse perfettamente simmetrica, ma in questo caso specifico essa non lo è. L’atleta deve accelerare e decelerare, durante il percorso, ed è proprio questa variazione della velocità ad influenzare lo scorrere del “proprio” tempo, rispetto a quello del giudice. Un altro modo di vedere la questione è il seguente: il tempo segnato dal cronometro dell’atleta è inferiore perchè, dal suo punto di vista, la distanza da coprire è inferiore a 100 metri. Questa è un’altra conseguenza della teoria della relatività: le distanze diminuiscono, per un corpo che si muove molto velocemente.

Alte velocità: viaggio nel futuro

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Vediamo come quanto detto finora si leghi ai viaggi nel tempo. Il fatto che il tempo possa rallentare ci dà, letteralmente, la possibilità di viaggiare nel futuro. Se uno di noi viaggiasse attorno alla nostra galassia su un razzo, a velocità prossime a quella della luce, per – diciamo – quattro anni, il ritorno sulla Terra sarebbe uno shock. Se il calendario di bordo dice che la partenza è avvenuta a gennaio 2005 e il ritorno nel gennaio 2009, la realtà sulla Terra potrebbe essere che, a seconda della velocità del razzo, nel frattempo siano passati quarant’anni e che l’anno sia il 2045 invece del 2009! I terrestri sarebbero ugualmente scioccati nel riscontrare quanto il viaggiatore sia giovane, considerato tutto il tempo passato dalla sua partenza.

Dentro il razzo quarant’anni terrestri sono durati come quattro. Questo implica che il viaggiatore, di fatto, sia saltato di trentasei anni nel futuro.

L’esistenza di questo effetto è stata confermata da diversi esperimenti e con livelli di accuratezza molto elevati. Nel 1971, J.C. Hafele e Richard E. Keating hanno posizionato quattro orologi atomici su un aereo e hanno fatto volare questo attorno alla Terra, verso est. Dopo il ritorno a Terra, gli orologi sono stati messi a confronto con orologi atomici di riferimento dell’Osservatorio Navale USA; gli orologi sono stati trovati indietro di qualche piccola frazione di secondo rispetto a quelli di riferimento (Hafele & Keating, 1972a, 1972b)w3. Nonostante l’aereo viaggiasse alla notevole velocità di diverse migliaia di chilometri all’ora, la velocità della luce è comunque un milione di volte superiore e questo spiega la piccola discrepanza trovata fra gli orologi a Terra e quelli in volo. Per quanto piccola, la differenza c’è e la precisione degli orologi è tale da non avere dubbi sulla sua origine.

Viaggi nel passato?

I viaggi nel passato sono molto più difficili. A molte persone può sembrare strano che viaggiare nel futuro sia più facile che nel passato; il concetto di viaggio nel futuro sembra il più assurdo. Il passato può essere inaccessibile, ma almeno è già avvenuto; il futuro, invece, deve ancora succedere. Come possiamo visitare un tempo che ha ancora da venire? Comunque, come abbiamo visto, viaggiare nel futuro non richiede che il futuro sia già definito, lì ad aspettare la nostra visita. Viaggiare nel futuro significa abbandonare un sistema di riferimento temporale e trasferirsi in un altro dove il tempo scorre più lentamente. Mentre abitiamo questo nuovo sistema, il tempo “fuori” scorre più rapidamente; quando torniamo nel sistema originario, saremo semplicemente giunti allo stesso futuro, ma più rapidamente degli altri.

Esistono diversi esempi eclatanti di quanto assurda sia l’idea di un viaggio nel passato. Per esempio, una persona potrebbe viaggiare nel passato e uccidere se stesso in gioventù. Cosa succederebbe allora? La persona stessa cesserebbe di esistere? L’esempio è macabro, ma è uno dei paradossi più famosi. Basta pensarci. Sembra che una persona non possa uccidere un più giovane sè perchè dovrebbe sopravvivere al tentato omicidio per diventare, poi, l’assassino. La cosa importante da ricordare riguardo ai viaggi nel passato è che è permesso interagire con la storia senza alterarne il corso degli eventi. Il passato non si può cambiare.

In linea di principio ci sarebbero due modi per tornare nel passato. Uno è viaggiare indietro nel tempo, col tempo che scorre all’indietro. Questo richiede velocità superiori a quella della luce, proibite dalla teoria della relatività, e non è ciò di cui voglio discutere qui. L’altro modo consiste nel viaggiare normalmente nel tempo (il tempo scorre in avanti), ma muovendosi lungo un cammino deformato dello spazio-tempo che riporti verso il passato (come percorrere un anello delle montagne russe). Un tale percorso è denominato curva spaziotemporale chiusa di tipo tempo ed è stato oggetto di intensa ricerca teorica nel corso dell’ultimo decennio. Sorprendentemente, è da mezzo secolo che si sa dell’esistenza di queste curve in relatività generale: il matematico americano Kurt Gödel aveva infatti dimostrato, già nel 1949, che questo tipo di viaggio nel tempo fosse teoricamente possibile.

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Quindi? I viaggi nel futuro sono stati fatti e quelli nel passato, per quanto complessi, non possono essere esclusi. Cosa stiamo aspettando? Perchè non abbiamo ancora costruito una macchina del tempo? Il problema è che, al di là del fatto che le curve chiuse di tipo tempo sono estremamente difficili da creare, esse non sono neanche completamente capite a livello teorico. Lo stato delle cose all’inizio del ventunesimo secolo è che, per quanto la relatività generale non possa escludere la possibilità di viaggiare nel tempo, molti fisici sperano che una comprensione migliore della matematica coinvolta porterà alla conclusione che queste curve chiuse di tipo tempo siano, di fatto, impossibili da realizzare.

Al momento non possiamo escludere la possibilità che una macchina del tempo naturale esista da qualche parte nell’Universo. E’ teoricamente possibile che lo spazio-tempo sia così curvato, in corrispondenza di un campo gravitazionale estremo, da permettere la formazione di una curva temporale chiusa. Se durante un viaggio nello spazio ci imbattessimo in uno di questi oggetti, conosciuti come wormhole (“cunicoli di tarlo”), un continuo ritorno al passato sarebbe possibile.

Al momento, il modo più diretto per escludere la possibilità di viaggi nel passato è quello di chiedersi dove siano i viaggiatori dal futuro. Se le generazioni future fossero riuscite a costruire una macchina del tempo, sicuramente ci sarebbero molte persone a visitare il ventunesimo secolo e noi dovremmo essere in grado di vedere questi viaggiatori fra di noi. Per mantenere il dibattito acceso, ecco cinque possibili motivazioni per cui non dovremmo aspettarci di incontrare alcun viaggiatore nel tempo:

  1. I viaggi nel passato sono proibiti da qualche legge fisica ancora sconosciuta. I fisici sperano di scoprire una nuova teoria al di là della relatività generale che spieghi perchè questi percorsi temporali chiusi siano proibiti. Abbiamo già due possibili candidati per questa teoria, ovvero la teoria delle superstringhe e la M-teoria, ma nessuna delle due è ancora completamente capita.
  2. Non esiste alcuna macchina del tempo naturale, quindi nessun wormhole, e l’unico modo di viaggiare nel passato è di costruirne una. Il problema è che questa non ci porterebbe più indietro del momento in cui è stata avviata (perchè questo sarebbe il momento più remoto a cui si possa accedere). In sostanza, non possiamo vedere alcun viaggiatore dal futuro perchè le macchine del tempo non sono ancora state inventate.
  3. Macchine del tempo naturali esistono e le persone le usano davvero per tornare indietro nel ventunesimo secolo, ma il nostro universo è solamente uno di un numero infinito di universi paralleli – un’idea, questa, presa seriamente da molti fisici teorici. I viaggi nel passato trasportano il viaggiatore in uno di questi mondi paralleli. Ci sono talmente tanti di questi universi che il nostro può semplicemente non essere ancora stato visitato. Se queste argomentazioni non vi convincono, magari un paio di considerazioni più terrene possono interessarvi maggiormente:
  4. Aspettarci di vedere viaggiatori nel tempo presuppone che essi vogliano visitare questo secolo. Magari, dal loro punto di vista, esistono periodi più interessanti e sicuri da esplorare.
  5. I viaggiatori nel tempo sono davvero fra noi, ma mantengono un profilo basso!

Se mi piacesse scommettere, direi che i viaggi nel passato sono impossibili e che presto ne avremo la dimostrazione teorica. Viaggiare nel futuro, invece, richiede solamente dei razzi abbastanza veloci. Fate attenzione, però: se raggiungerete il futuro, non potrete più tornare indietro.


References

Web References

Resources

Sulla relatività e i viaggi nel tempo:

  • Al-Khalili J (1999) BlackHoles, Wormholes and Time Machines. London, UK: Taylor and Francis

Sui viaggi nel tempo:

  • Davies P (2002) How to Build a Time Machine. London, UK: Penguin

Sulla relatività:

  • Epstein LC (1981) Relativity Visualised. San Francisco, CA, USA: Insight Press Mermin ND (1989) Space and Time in Special Relativity. Prospect Heights, IL, USA: Waveland Press
  • Stannard R (1989) The Time and Space of Uncle Albert. London, UK: Faber and Faber

Sulla teoria delle stringhe:

  • Greene B (2000) The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory. New York, NY, USA: Vintage

Author(s)

Jim Al-Khalili è un professore di fisica e Professore in Coinvolgimento del Pubblico nella Scienza all’Università del Surrey, dove ha tenuto un corso di relatività per dodici anni. Appare regolarmente programmi radiofonici e televisivi.


Review

Cosa sappiamo dei viaggi nel tempo? E’ possibile viaggiare nel futuro, o nel passato? Queste possibilità sono state verificate? Questo articolo dà una breve ed eccitante risposta a queste domande.

Questo articolo è molto utile per introdurre gli studenti alla relatività ed ai concetti associati di fisica moderna. Gli insegnanti possono usarlo per discutere questioni come la natura del tempo ed il suo significato o l’argomento più eccitante dei viaggi nel tempo. L’articolo permette una combinazione di approfondimento fisico e filosofico.

Partendo da questo articolo, gli insegnanti potrebbero discutere ulteriori problemi legati al concetto di viaggio nel tempo, come, per esempio, la difficoltà di accelerare un corpo umano di 70 kg fino a fargli raggiungere la velocità della luce.

Alessandro Iscra, Italia

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