La fisica e i Viaggi nel Tempo: una panoramica

Abstract

I viaggi nel tempo sono sempre uno dei più grandi misteri per gli esseri umani fin dall’alba dei tempi. La possibilità di poter tornare indietro e riparare a qualche errore del passato oppure di viaggiare nel futuro per vedere nuovi mondi e nuove opportunità è qualcosa che ha sempre affascinato l’immaginario collettivo. Da un lato, sono molti gli scrittori che hanno utilizzato la magia e il fascino dei viaggi nel tempo per rendere le loro storie uniche. Dall’altro gli scienziati hanno fatto sforzi considerevoli per trovare una descrizione del tempo precisa e affidabile: oggi il tempo è ciò che sappiamo misurare con maggiore precisione. Un secondo è quel lasso di tempo nel quale l’onda emessa da un atomo di cesio 133 (in corrispondenza d’una particolare transizione) compie 9 miliardi 192 milioni 631 mila e 770 oscillazioni. Importante menzionare il fatto che si sta valutando di passare da orologi atomici a orologi ottici, molto più precisi e capaci di rimanere indietro (o andare avanti) al massimo di 100 secondi in un arco di tempo pari all’età dell’universo. Questa maggiore precisione ci permetterebbe di comprendere a fondo molti fenomeni, tra cui la materia oscura e gli elementi più fondamentali della teoria che descrive lo spazio tempo: la teoria della Relatività Generale.

Alber Einstein, fisico secondo solo ad Isaac newton per importanza, ci fa dono nel 1905 della Teoria della Relatività che rivoluzionerà il modo in cui avremmo inteso lo spazio, il tempo e la gravità. Nell’ universo descritto dalla Teoria di Einstein spazio e tempo costituiscono un continuo quadridimensionale incurvato dalla presenza della materia che a sua volta si muove seguendo la curvatura dello spazio. Nello spazio-tempo, come dice Einstein, “la distinzione prima-dopo deve essere abbandonata per punti che si trovino molto lontani in senso cosmologico, sebbene da questo ne derivano quei paradossi che riguardano la direzione della connessione casuale”.

Grazie al fatto che la luce è costante a prescindere dal sistema di riferimento inerziale dal quale la si osservi, deduciamo che lo spazio e il tempo debbano essere ridefiniti. Le loro descrizioni in sistemi di riferimento differenti mostrano, infatti, che il tempo si può dilatare e lo spazio restringere. Aggiungendo gli effetti che la gravità ha sulla forma dello spazio-tempo, ne emergono interessanti soluzioni alle equazioni di Einstein che ci spiegano che almeno teoricamente i viaggi nel tempo, soprattutto quelli verso il passato, possono essere possibili.

In parole semplici i viaggi nel tempo hanno uno strettissimo legame con la velocità (e in particolare la velocità della luce) e la gravità.

Da quando Einstein ha formulato la sua teoria della relatività, abbiamo analizzato le sue equazioni a fondo. Le conseguenze di questa teoria e le sue previsioni sono rivoluzionarie, scioccanti, a volte così folli da portare lo stesso Einstein a dubitare seriamente che possano essere vere e verificabili fisicamente nella nostra realtà.

Ciònonostante, alcune delle più bizarre previsioni della relatività generale hanno trovato riscontro nelle evidenze sperimentali: mi riferisco ai buchi neri e alle onde gravitazionali. I buchi neri, in particolare, sarebbero un ingrediente fondamentale se volessimo fare un viaggio nel tempo.

Proprio come accade nel celebre film Interstellar, ci basterebbe parcheggiarci presso un buco nero per un po’ mentre lontano dal nostro gigante cattivo il tempo scorrerebbe molto più rapidamente. Dopo il nostro soggiorno distante il giusto dall’orizzonte degli eventi, potremmo fare ritorno sulla Terra dove sarebbero passati diversi anni. Per esempio, un buco nero di 10.000 masse solari avrebbe un raggio di Swartzchild di 30000 km. Se ci poniamo a una distanza di circa 3 mm dall’orizzonte degli eventi, 1 secondo per noi corrisponderebbe a 28 ore sulla Terra. Ma man mano che ci avvicininiamo alla frazione più piccola di millimetro dall’orizzonte degli eventi, il tempo rallenta fino ad avvicinarsi a una dilatazione del tempo infinita.

Un altro modo per viaggiare nel futuro è tenere a mente la relazione che intercorre tra il tempo e la velocità. Detto in termini molto semplici: più veloce ci muoviamo nello spazio, più il nostro tempo rallenterà. Per osservare una dilatazione considerevole bisogna viaggiare a velocità molto prossime alla velocità della luce. Facciamo una stima rapida: con una velocità pari al 99.99% di quella della luce, un’astronave che viaggia per un anno tornerebbe in un mondo che sarebbe invecchiato di circa 80 anni in loro assenza. Con una velocità pari al 99.99999% di quella della luce, per un anno trascorrono più di 2000 anni sulla Terra.

Beh, se le cose stanno così, in termini di viaggi nel tempo verso il futuro il buco nero sembra essere una soluzione più pratica, non credi?

In ogni caso, da come abbiamo potuto vedere, i viaggi nel tempo nel futuro sono completamente possibili e accettati dalla comunità scientifica. Michio Kaku dice che “ci sono moltissimi esperimenti che provano la possibilità di viaggiare nel futuro, in effetti gli unici problemi sono solo di natura tecnica. Non siamo in grado di costruire navi spaziali in grado di raggiungere le velocità necessarie, non ancora”.

Infatti, almeno teoricamente, viaggiare verso il futuro non è una cosa complicata. I problemi cominciano quando parliamo di viaggio nel Passato.
La fisica ci dice che le macchine del tempo dirette nel passato non possono ancora essere inventate.

Prima di cominciare a discutere le varie possibili macchine del tempo in grado di farci viaggiare nel passato, dobbiamo innanzitutto premettere che la nostra soluzione debba superare il vaglio della meccanica quantistica. Per ora, trascureremo questa cosa e discuteremo le soluzioni a cui i fisici hanno pensato per poter viaggiare nel tempo, per mezzo delle soluzioni delle equazioni della relatività generale.

In Relatività Generale, infatti, vi sono le Curve chiuse di tipo tempo. Si tratta di una linea di universo chiusa la quale implica, quindi, che l’oggetto da essa rappresentato, continuando a viaggiare nel futuro, torni, sia nello spazio sia nel tempo, al punto da cui è cominciata la linea di universo stessa. Queste traiettorie, quindi, permetterebbero un viaggio nel passato, ma il primo sintomo della loro patologicità è che viaggiando nel passato lungo una traiettoria chiusa di tipo tempo, proseguendo arriveremmo prima dell’istante in cui siamo partiti.

In ogni caso, tra le varie discussioni avanzate dai fisici – e le relative soluzioni alle equazioni della relatività generale – abbiamo:

– Il Ponte di Einstein – Rosen a senso unico, oggi conosciuto come Wormhole
– La soluzione di Godel che richiede come ingrdiente l’universo in Rotazione
– La variante della soluzione di Godel proposta da Tipler dove si fa uso di un cilindro rotante di lunghezza infinita anziché di un universo rotante
– Il Cunicolo spazio temporale a doppio senso di Kip Thorne

Sembra che l’ingrediente fondamentale per viaggiare nel tempo (cioè su una traiettoria chiusa di tipo temo) sia superare la velocità della luce: questa cosa sembra essere impossibile secondo le leggi della fisica ma alcuni fisici si sono impegnati ad elaborare qualche teorico stratagemma per ingannare la natura e quindi superare la velocità della luce.

Un esempio è il motore a curvatura, che accenniamo per il suo fascino.
Il motore a curvatura è un motore che permetterebbe di manipolare lo spazio-tempo, curvandolo in modo particolare, ossia contraendolo davanti alla navicella ed espandendolo alle sue spalle. In questo modo, sarebbe possibile spostarsi a velocità super luminali perfino senza muoversi. Purtroppo, però, questo metodo sarebbe utile solo per spostarsi in modo estremamente veloce nello spazio-tempo (che, secondo la relatività, sarebbe l’unico elemento in grado di espandersi e contrarsi a velocità superluminali) ma non sarebbe di alcun aiuto nel viaggio del tempo. Per viaggiare su una curva chiusa di tipo tempo la navicella dovrebbe essere accellerata e viaggiare a velocità superluminale, cosa che in effetti non avviene.

Un altro stratagemma sarebbe quello di utilizzare un cunicolo nello spazio tempo, una sorta di shortcut tra due punti dello spazio-tempo, chiamato wormhole. Anche in questo caso non staremmo di fatto viaggiando alla velocità della luce, ma potremmo comunque coprire distanza spazio-temporali anche estremamente distanti in un battibaleno.

Inoltre, i Wormhole, a differenza del motore a curvatura, permetterebbero, di fatto, anche viaggi nel tempo nel passato. Vediamo come.

Una delle proprietà dello spazio-tempo secondo la Relatività Generale è quella di poter presentare alcune lacerazioni, buchi, o cunicoli.

Diamo a questi buchi il nome di Wormhole che, se esistenti e funzonanti, permetterebbero di spostarsi da un punto all’altro dello spazio tempo. La loro utilità come macchina del tempo è data dal fatto che permetterebbero spostamenti in punti dello spazio, del tempo o di entrambi. Siccome essi non sono ancora stati osservati, restano al momento ancora ipotetici e speculativi.

L’origine del termine Wormhole viene da una analogia visuale: immaginiamo un verme su una mela, che rappresenterebbe l’universo. Se il verme volesse andare da un punto A a un punto B sulla superficie della mela, diciamo tra loro opposti, potrebbe muoversi sulla superficie oppure scavare un foro, rendendo la distanza inferiore. Il foro rappresenta il cunicolo spazio-temporale, chiamato anche Ponte di Einstein-Rosen.

Possiamo distinguere i wormhole in diversi modi, ma prenderemo in esempio due classificazioni estreme:

– I cunicoli spazio-temporali intra-universo, che connetterebbero una posizione con un’altra dello stesso universo. Un tunnel gravitazionale dovrebbe poter connettere punti distanti nell’universo per mezzo delle deformazioni spaziotemporali, permettendo così di viaggiare fra loro in minor tempo rispetto ad un normale viaggio.
– I cunicoli spazio-temporali inter-universo, o *wormhole* di Schwarzschild, collegherebbero invece un universo ad un altro differente. Speculativamente parlando tali tunnel potrebbero essere usati per viaggiare da un universo ad un altro parallelo, oppure viaggiare nel tempo. In quest’ultimo caso sarebbe una scorciatoia per spostarsi da un punto spaziotemporale a un altro differente.

I wormhole sembrano molto promettenti sia per il turismo interstellare che per quello temporale. Essi, però, richiederebbero come prezzo da pagare l’ingresso in un buco nero e l’utilizzo del suo centro come “portale”, ammesso di riuscire a sopravvivere.

Sembrerebbe a tutti gli effetti un viaggio di sola andata, dato che una volta entrati in un buco nero – o meglio, attraversato il suo orizzonte degli eventi, per poterne riuscire dovremmo superare la velocità della luce. Inizia a starvi antipatica, vero?

Per fortuna, qualcuno ha pensato anche a questo. Stiamo parlando di Kip Thorne, il fisico che si è occupato del progetto di Interstellar. Uno dei massimi esperti al mondo di Relatività generale, estremamente convinto che si possano costruire womrhole artificiali.

Nel 1988 Kip Thorne realizzò un modello di wormhole a doppio senso da cui poter andare e tornare senza problemi. Questo rappresenta il modello più promettente, anche perché la traversata lascerebbe i viaggiatori incolumi. Il suo utilizzo richiederebbe la massa o l’energia negativa per tenere l’imboccatura del wormhole aperta facendo uso della forza repellente della massa negativa, evitando che la gravità devasti l’imboccatura stessa e i viaggiatori.

Per poter produrre un wormhole di grandezza umana avremmo bisogno di un quantitativo di energia positiva e negativa impressionanti: per un wormhole di un metro avremmo bisogno della massa di Giove, in negativo.

Dovremmo capire in che modo, poi, risolvere il problema della loro instabilità, insieme a come sfuggire alla radiazione generata dai cunicoli, unita a quella interna ai buchi neri.

Anche se plausibile, anche in questo caso il viaggio nel tempo risulterebbe essere estremamente pericoloso e costoso in termini energetici: per cunicoli più grandi le energie necessarie equivarrebbero a quelle di una stella o di un buco nero.

A questo punto è doveroso menzionare il contributo fornito da Kurt Godel, amico di Einstein e “il più grande logico dai tempi di Aristotele”.

Godel fu il primo a trovare delle soluzioni alle equazioni di Einstein in relazione alla possibilità dei viaggi nel tempo, cosa che lasciò lo stesso Eistein turbato.

Egli decise di simulare un Universo alternativo, che aveva la caratteristica di essere rotante in grado di compiere una rivoluzione completa ogni settanta miliardi di anni. In questo universo il tempo sarebbe ciclico e la forza centrifuga impedirebbe il collasso gravitazionale. La rotazione ha l’importante compito di rendere il tempo ciclico Quest’universo, secondo Godel, si comporterebbe come la più grande macchina del tempo, dove un ipotetico viaggiatore spaziale potrebbe compiere (a patto di muoversi alla velocità della luce e di viaggiare incredibilmente lontano) viaggi nel proprio passato.

Purtroppo, ad oggi, sembra che la rotazione (o spin) netta dell’universo sia zero.

Una variante di questa teoria di Godel, però, è stata proposta dal fisico Tipler, che eliminava la complicazione di un universo chiuso in rotazione e adoperava un cilindro rotante dentro l’universo. La dimostrazione della teoria di Tipler ci dice che questo cilindro sarebbe stato in grado di trascinare il continuum spazio-temporale, dando accesso al passato oltre certe velocità di rotazione. Il problema era che bisognava partire dall’ipotesi che il cilindro fosse infinitamente lungo. Per ovviare anche a questo, Tipler fece ricorso a una ipotesi di cilindro finito, che però avrebbe avuto bisogno di una rotazione ancora più rapida.

Al di là dei problemi tecnici che ci separano da un viaggio nel passato, c’è da considerare che vi sono alcuni problemi anche di natura etica e legislativa (immaginate un furto o un omicidio spazio-temporale a danno di qualcuno che non è ancora nato nel luogo in esame) senza pensare poi ai paradossi, come il paradosso del nonno in cui si presenta la possibilità di tornare nel passato e uccidere il proprio nonno, impedendo di fatto la nostra esistenza. Prevedere la possibilità di interagire con il passato e quindi alterare il futuro è un problema che porterebbe a altre discussioni speculative: per quanto insana, la soluzione più semplice e promettente al paradosso del nonno sarebbe quella dell’universo parallelo, tra l’altro il prediletto dalla teoria dei quanti, senza il quale dovremmo arrenderci all’idea che 1) viaggiare nel passato e alterarlo è qualcosa di già previsto, quindi il loop propriamente detto è possibile e inalterabile. 2) viaggiare nel passato ci è possibile, ma le alterazioni non sarebbero permesse, se non in minima forma, come se i guardiani del tempo venissero a controllarci e impedirci di fare sciocchezze.

Ad oggi sembra che il guardiano cosmico che ci impedisce di fare sciocchezze è interpretato dalla seconda legge della termodinamica, la quale non approva affatto il viaggio nel tempo. Infatti la seconda legge della termodinamica, afferma che con l’avanzare nel tempo, l’entropia di un sistema isolato può aumentare, ma non diminuire. Ecco quindi il nesso tra entropia e tempo: l’entropia è un po’ come se fosse la freccia del tempo.

Ciònonostante, questo non è sempre vero. Ci sono delle eccezioni e, come potevamo aspettarci, le possiamo trovare nel mondo dei quanti: in meccanica quantistica ci sono dei sistemi per cui il tempo può andare avanti e indietro anche simultaneamente: come sempre, la meccanica quantistica ci offre un’alternativa alla realtà che conosciamo estremamente fantasiosa e complessa: avviene una sovrapposizione quantistica. Quindi il verificarsi di un evoluzione temporale non esclude l’altra, perché entrambi si verificano in uno stato di sovrapposizione. È un modello teorico che è stato dimostrato sperimentalmente su molteplici piattaforme. Sono molti i fisici che discutono una possibile incorrettezza della meccanica quantistica, altrimenti dovremmo ancora una volta mettere in dubbio il concetto di tempo, così come fece Einstein circa un secolo fa.

La meccanica quantistica potrebbe essere anche un elemento chiave nella comprensione dei viaggi nel tempo e dei buchi neri in generale, a patto che si riesca a farla comunicare con la Relatività Generale attraverso una futura, e bellissima teoria del Tutto.

Qualunque sia la strada che prenderemo, sicuramente scopriremo una nuova, entusiasmante e incredibile fisica.