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Secondo la fisica viaggiare nel tempo non è impossibile


Il tema dei viaggi nel tempo era, fino a una ventina di anni fa, un argomento assolutamente off-topic per i fisici professionisti, perché rischiava di comprometterne gravemente la carriera accademica—anche se le due teorie della relatività, speciale e generale, ne delineavano solidamente le basi scientifiche.

Negli ultimi anni però, grazie alla gran mole di libri ed articoli scritti da fisici autorevoli sull’argomento, questa situazione è cambiata.

Il primo che, sorprendentemente, ha scritto in maniera plausibile di questa incredibile possibilità non fu un fisico ma uno scrittore: H.G. Wells che, nel 1895, ben dieci anni prima di Einstein, pubblicò un curioso romanzo, La macchina del tempo, che raccontava le avventure di un inventore, esperto di fisica e matematica, che aveva costruito un mezzo con cui spostarsi nel tempo.

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Viaggiando oltre l’anno 8.000, fa la conoscenza di due popolazioni sopravvissute: i Morlocchi e gli Eloi—per la cronaca, i primi si cibano dei secondi. La vicenda si dipana poi in un futuro ancora più remoto in cui il sole sta giungendo alla fine del suo ciclo e il protagonista si perde nei meandri del tempo mentre i suoi amici restano increduli ad aspettarlo.

L’opera di Wells, oltre che godibile e fruibile dal punto di vista letterario, è utile perché ci fornisce un’idea di come fosse il clima culturale ma anche scientifico dell’epoca tardo vittoriana. Nell’aria c’era già il sentore di quella rivoluzione che ribalterà completamente il senso comune e la fisica classica: la relatività e la meccanica quantistica.

Fino al 1905, quando Einstein pubblicò la Relatività Speciale, lo spazio e il tempo erano considerati come assoluti, in linea con la fisica di Isaac Newton. Nel lavoro del 1905, Sull’ elettrodinamica dei corpi in movimento, Einstein fece notare, quasi distrattamente, che il tempo di un osservatore in moto poteva essere alterato facendogli percorrere un tragitto chiuso: il famoso paradosso dei gemelli, insomma. Dati due gemelli A e B di cui il primo è sulla Terra e l’altro in moto verso una stella, al ritorno di B, A sarebbe parso (a B) invecchiato e viceversa.

Il senso del risultato è che grazie alla velocità si può “andare nel futuro”; anzi, più si va veloci più si va nel futuro, fino ad avvicinarsi al limite invalicabile della velocità della luce. Questo grande enunciato è stato poi confermato sperimentalmente negli anni seguenti tramite l’osservazione di fenomeni naturali come il decadimento in volo dei muoni ed esperimenti ad hoc come quello svolto da Hafele e Keating nel 1971, che hanno utilizzato aerei con orologi atomici ad alta precisione per dimostrare che la velocità rallenta lo scorrere degli orologi in moto.

Da un punto di vista puramente teorico, la relatività speciale non permette solo viaggi nel futuro ma anche nel passato (come, del resto, la relatività generale) ma alla condizione che si viaggi a velocità superiore a quella della luce.

In effetti, la relatività speciale vieta solo di raggiungere la velocità della luce, ma non impedisce che possano esistere degli oggetti, chiamati tachioni, creati a velocità superiore a quella della luce. Per un tachione, infatti, è naturale tornare da un viaggio prima ancora di partir; questi oggetti che, nonostante le ricerche, non sono mai stati trovati, viaggerebbero nel tempo e precisamente nel passato.

La relatività speciale è una teoria che, come dice l’aggettivo, è valida in un caso particolare e cioè per osservatori in moto rettilineo uniforme e non per osservatori accelerati o in presenza di gravità. Nel 1915 Einstein giunse alla famosa relatività generale. Un risultato sorprendente che deriva dalle equazioni di campo della relatività generale stessa è che il tempo può essere alterato dalla presenza della gravità (o, parimenti, per il principio di equivalenza, dall’accelerazione). Ma se questo è vero allora per viaggiare nel tempo si può utilizzare non solo la velocità (come nella relatività speciale) ma anche la gravità/accelerazione.

Infatti, più è intenso il campo gravitazionale più il tempo scorre lentamente per l’osservatore che vi è immerso. Anche questo effetto è stato verificato sperimentalmente. Nel 1959 alla Harvard University fu misurata una distorsione temporale tra la vetta e la base di una torre universitaria di soli 22,5 metri: il tempo al suolo scorreva più lentamente che sulla cima. Dunque, almeno sulla carta, esiste un modo per viaggiare nel futuro: basta entrare in un campo gravitazionale e poi uscirne.

I wormhole

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Il nome wormhole deriva dal paragonare l’universo a una mela; se un verme è posto sulla sua superficie e deve raggiungere un punto opposto ha due possibilità: o segue la superficie della mela o abbrevia producendo un tunnel attraverso la mela stessa. Ora, considerando la mela come lo spaziotempo si capisce l’evidente analogia.

 

 

Un wormhole è una configurazione topologica dello spaziotempo che unisce due punti distanti dell’iperspazio e che può essere percorsa in un tempo minore di quello che impiegherebbe la luce. Mentre le distanze tra l’apertura e l’uscita possono distare teoricamente migliaia di anni luce, la lunghezza del wormhole può essere anche di pochi metri.

I wormhole furono studiati (e denominati) dal fisico John Wheeler e dal suo gruppo negli anni Cinquanta, sebbene prima di lui diversi fisici e matematici ne avessero previsto l’esistenza. Tutte queste strutture avevano tuttavia una cosa in comune: non permettevano l’attraversamento, in quanto il tunnel tra entrata ed uscita veniva distrutto poco dopo dell’enorme forza gravitazionale.

La ricerca è continuata in questo senso finché i wormhole “attraversabili” non furono studiati, da Kip Thorne nel 1985 per un romanzo di fantascienza di Carl Sagan, “Contact”—divenuto poi un film con Jodie Foster.

Creare curve temporali chiuse

Abbiamo visto che le teorie della relatività permettono teoricamente di alterare lo scorrere del tempo, ma la possibilità di creare una “tecnologia” applicativa oppure utilizzare eventuali fenomeni naturali già esistenti è ancora lontana, anche se non del tutto impossibile.

In Relatività esiste il concetto di Curva Temporale Chiusa o loop (in inglese CCT, Closed Timeliked Curves). Essa connette due luoghi dello spazio e due istanti di tempo. Percorrendo questo tragitto fisicamente di andata e ritorno, ci si può muovere nel tempo tra i due istanti prefissati, ma non prima o dopo; il loop spaziotemporale, cioè, connetterà sempre i due istanti di tempo prescelti. Per esempio, se costruiamo oggi una macchina del tempo che ci connette con un futuro posto a 100 anni, si potrà percorrere solo questo circuito compreso esattamente tra oggi e 100 anni, ma non potremmo tornare indietro nel tempo per vedere i dinosauri.

Progetto di una crononave

Per costruire una macchina del tempo, una “crononave”, occorre prima produrre una struttura stabile ed attraversabile, cioè un tunnel o wormhole e poi dargli una differenza temporale tra entrata ed uscita.

Per produrre tale differenza occorre utilizzare uno dei fenomeni fisici relativistici prima descritti che permettano un’alterazione del flusso del tempo. Abbiamo visto che la velocità in relatività speciale e l’accelerazione/gravità in relatività generale producono proprio questo effetto; in pratica si tratta di costruire un circuito stabile tramite una Curva Temporale Chiusa

Come detto, il primo ad occuparsi della costruzione di una macchina del tempo fu il fisico Kip Thorne che studiò attentamente la fattibilità di tale progetto per un utilizzo pratico.Qui riporto il progetto in quattro passi, di un altro famoso fisico, Paul Davies, che, riprendendo le idee di Thorne, ha scritto addirittura un libro sull’argomento.

 

1. Costruzione del cunicolo: il collisore

Abbiamo visto che i wormhole si possono formare grazie alla gravità come singolarità spaziotemporali ma sono di difficile e pericolosa manipolazione; Davies propone di formare dei wormhole quantistici grazie a una grande energia concentrata. Successivamente lo si dilata stabilizzandolo con materia esotica ad energia negativa.

La prima produzione di energia si può ottenere utilizzando un acceleratore per ioni pesanti allo scopo di creare una bolla di “plasma quark-gluoni”ad alta temperatura.

2. Costruzione del cunicolo: dispositivo di implosione

Il plasma di quark-gluoni creato non è ancora abbastanza energetico o “caldo”. Occorre quindi fornire maggiore energia alla bolla creata, ad esempio tramite una serie di bombe termonucleari disposte a configurazione sferica per far implodere la bolla di “quark e gluoni”. Il risultato sarebbe quello di generare un minuscolo buco nero o un cunicolo spazio-temporale di dimensioni della scala di Planck di durata infinitesima.

3. Costruzione del cunicolo di tarlo: il dilatatore

Successivamente occorre ingrandire il cunicolo dilatandolo e stabilizzandolo tramite energia negativa con proprietà antigravitazionali generate, ad esempio, dal vuoto quantistico tramite l’ “effetto Casimir”o da appositi laser al niobato di litio.

Il tunnel deve avere al proprio interno un modesto campo gravitazionale per evitare la “spaghettificazione” degli utenti dovuta alle forze mareali ed inoltre deve essere di breve lunghezza per maneggiabilità.

Ottenuto un cunicolo di tarlo grande, stabile e sicuro occorre trasformarlo in una macchine del tempo.

4. Generazione della differenza temporale: il differenziatore

Per fare questo è necessario generare una sorta di “differenza di potenziale temporale” permanente (concetto analogo alla differenza di potenziale elettrico in una batteria) tra gli estremi (“poli”) del cunicolo ingrandito e stabilizzato.

Si può quindi utilizzare come differenziatore sia un campo gravitazionale (ad esempio di una stella di neutroni) che un acceleratore di particelle (dopo avervi immesso una carica elettrica) per creare una differenza temporale tra l’ingresso e l’uscita tramite la velocità o la gravitazione.

 

Come già detto, il viaggio nel futuro/passato avrà come date di inizio e di fine quelle relative al differenziale temporale creato agli estremi del cunicolo. In pratica, se si creasse oggi il cunicolo, occorrerebbe aspettare x anni per portare un’estremità ad una certa data, e poi solo al tempo x si potrebbe utilizzare il cunicolo per tornare nel passato di x anni, cioè oggi.

In seguito all’apertura del cunicolo lo si potrà poi attraversare nei due versi quando si vuole. Si verrebbe cioè a creare una sorta di vero e proprio “ponte spazio-temporale” o meglio di loop che collegherebbe gli istanti di tempo 0 e x.

Criticità

Naturalmente, a parte le criticità tecnico-ingegneristiche vere e proprie , ci sono ancora delle criticità teoriche, che riguardano la fisica e che sono state ben analizzate da Kip Thorne e da Stephen Hawking.

Il punto fondamentale è che quando si utilizza un wormhole come macchina del tempo potrebbero instaurarsi delle instabilità distruttive del cunicolo di tarlo stesso. Qualsiasi forma di radiazione, infatti, potrebbe rafforzarsi all’infinito tramite un loop di continui ritorni nel passato, fino a far letteralmente esplodere la struttura.

Il problema è stato posto ma non si conosce ancora una risposta certa.

 

I paradossi dei viaggi nel tempo

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In un racconto di Ray Bradbury, Rumore di tuono, un cronoturista si reca nel passato a vedere i dinosauri e uccide una farfalla. Da quell’evento tutto il futuro viene sconvolto.

Questo riferimento è utile per introdurre il discorso sui paradossi che si creano alterando il passato anche di poco.

Che il viaggio a ritroso nel tempo generi paradossi è quasi autoevidente; notissimo è il “paradosso del nonno”; Alberto torna nel passato, incontra suo nonno e involontariamente lo uccide impedendo la propria nascita (primo paradosso); ma se questo avvenisse lui non nascerebbe e dunque non potrebbe tornare nel passato a fare quello che ha fatto (paradosso nel paradosso).

Questo tipo di paradossi, però, viola il principio di conservazione dell’energia a meno di non riformarlo estendendolo ad ogni epoca temporale ed ha implicazioni sul secondo principio della termodinamica, cioè sull’entropia, che devono essere ancora bene analizzate.

 

SOLUZIONI PROPOSTE AI PARADOSSI TEMPORALI

 

Sono sostanzialmente due.

1) Il principio di autoconsistenza di Novikov

Questa “spiegazione” del paradosso fu proposta dal matematico russo Igor Novikov facendo riferimento solo alla logica autoconsistente. In effetti, nel paradosso del nonno, potremmo immaginare che, quando il nipote sta per ucciderlo, un passante si intromette e viene eliminato al posto del parente. A questo punto, il nonno si salva e racconterà la storia del passante eliminato al suo posto anche ad Alberto (dopo la sua nascita). In questo caso abbiamo un modello logicamente autoconsistente perché il passato non viene alterato nell’evento essenziale per la storia anzi ne fa parte. Il fatto indubbiamente strano è che ci sarebbe una sorta di “forza” che limiterebbe il libero arbitrio impedendo lo svolgersi di determinate azioni.

2) Gli universi paralleli

L’ altra soluzione usualmente proposta del “paradosso del nonno”, dovuta al fisico David Deutsch, riguarda il fatto che il soggetto “torna indietro” in un universo parallelo in cui l’ uccisione non genera paradossi perché si tratta di un universo diverso in cui il nipote non è mai nato. Questa spiegazione utilizza una particolare interpretazione della meccanica quantistica che è l’Interpretazione a Molti Mondi proposta originalmente dal fisico Hugh Everett III nel 1957. In questa interpretazione a ogni osservazione il sistema in esame si scinde in due e ogni “copia” continua a seguire una storia diversa—tale interpretazione, tra l’altro, evita fenomeni come l’entanglement quantistico che connette istantaneamente particelle anche lontanissime nell’universo rendendo però molto più complessa la situazione.

Conclusioni

Dopo questa carrellata sui fondamenti teorici della “scienza dei viaggi nel tempo” cosa possiamo dire di certo? La fisica non li impedisce, quindi non ci sono leggi fondamentali che possano negarne l’esistenza.

Per quanto riguarda poi i paradossi abbiamo visto che ci sono sostanzialmente due soluzioni: la Teoria a Molti Mondi o il Principio di autoconsistenza di Novikov. Dal punto di vista tecnologico ci sono ancora problemi complicatissimi ma questo non è tanto preoccupante in un’ottica di sviluppo futuro. In conclusione quello che soli 100 anni fa sembrava pura fantascienza è entrato nel dibattiti più avanzati della moderna fisica teorica.

 

Fonte