Il tempo nella fisica

#PABlog Tema 8: il Tempo

Da quando l’uomo divenne consapevole che la vita aveva un termine il suo senso del tempo divenne determinante nell’affrontare le esperienze giornaliere. Questa facoltà da un lato dette ai primi ominidi un vantaggio nella lotta per l’esistenza rispetto alle altre specie animali, ma dall’altro la coscienza del tempo ebbe l’effetto di impedire all’uomo di vivere serenamente nel presente procurandogli una profonda preoccupazione per il futuro. Per opporsi allo scorrere inesorabile del tempo nacquero i riti magici, i culti misterici; questi avevano il fine di razionalizzare il tempo facendo intravedere un al di là dopo la fine della vita.

Agostino di Ippona riteneva che il tempo non esistesse oggettivamente, infatti, egli affermava che “Il passato non esiste in quanto non è più, il futuro non esiste in quanto non è ancora e il presente attimo dopo attimo diventa passato e se così non fosse sarebbe eternità e non presente”. Agostino pur approfondendo il significato della parola tempo afferma: «Io so che cos’è il tempo, ma quando me lo chiedono non so spiegarlo».

Secondo Newton il “tempo assoluto”, vero, matematico, in sé e per sua natura, senza relazione ad alcunché di esterno, scorre uniformemente, e con altro nome è chiamato durata.

Fino all’inizio del ventesimo secolo, il tempo era visto come un orologio dal ticchettio continuo e insistente e nulla poteva alterarne lo scorrere, la cui velocità era la stessa per tutti gli osservatori in qualsiasi luogo si trovassero.
Fu Albert Einstein a rivoluzionare il concetto di tempo con la sua teoria della Relatività ristretta del 1905 e poi con la teoria della Relatività generale del 1915 dalle quali si evince che il tempo è relativo e che esso varia a seconda del luogo in cui ci troviamo e a seconda della velocità in cui viaggiamo.
Il tempo scorre più veloce in cima a un grattacielo piuttosto che in un sotterraneo. La differenza è piccola, ma si può controllare con orologi precisi. Ma non sono solo gli orologi a rallentare: in basso tutti i processi sono più lenti anche quelli che coinvolgono il nostro organismo. Le piante in basso crescono meno di quelle in alto perché il processo di crescita è più lento.
La strada che avrebbe portato a una definizione del tempo completa e coerente si ottenne osservando che tutti gli oggetti si deteriorano con l’uso. Le montagne lentamente si sbriciolano e i frammenti rotolano a valle per non ritornare più da dove sono partiti, il profumo che esce dalla boccetta invade l’ambiente e non rientrerà in nessun caso nel contenitore da cui è uscito. Infine, lo stesso corpo umano degenera e tutto ciò si realizza spontaneamente.

Questi esempi suggeriscono che il tempo scorre in un’unica direzione cioè verso quella nella quale le cose sono destinate a deteriorarsi e in generale si osserva che con il passare del tempo l’ordine si dissolve nel disordine, che quindi aumenta incessantemente. Questa osservazione è contenuta nel Secondo principio della termodinamica, che in una delle sue molteplici definizioni afferma che i corpi tendono a muoversi verso il maggior disordine. Questo principio è l’unico della fisica che ci consente ci comprendere la cosiddetta freccia del tempo.

Si consideri ad esempio un bicchiere che cade da un tavolo e vada in pezzi nell’urto con il suolo. Questo processo è chiaramente irreversibile.
Se invece vedo un filmato che mostra una palla che rotola non riesco a dire se il film è proiettato in avanti o all’indietro, ma se nel filmato la palla rallenta e si ferma capisco subito quale è la direzione giusta del film perché proiettato al contrario mostrerebbe episodi impossibili come quello di una palla che si muove da sola.
Il rallentare e poi il fermarsi di una palla sono dovuti all’attrito che incontra durante il moto sia nello strusciare nel suolo sia nell’aria: l’attrito produce calore.
Solo dove c’è calore c’è distinzione tra passato e futuro (si può distinguere il moto della palla)
Rudolf Julius Clausius introdusse il termine entropia nel 1864, una grandezza che era capace di misurare l’irreversibilità dei processi cioè dell’andare del calore in una sola direzione.
A svelare che cosa si nascondeva dietro alla irreversibilità sarà Ludwig Boltzmann che purtroppo fu incompreso tanto che cadde in una profonda depressione che lo condusse al suicidio.

Secondo Boltzmann l’entropia esiste perché descriviamo il mondo in maniera sfocata e la differenza tra passato e futuro è legata a questa sfocatura, così, se potessi tener conto di tutti i dettagli dello stato esatto microscopico del mondo gli aspetti caratteristici del fluire del tempo sparirebbero.
Nella descrizione microscopica non c’è un senso in cui il passato sia diverso dal futuro.
Questa è la conclusione sconcertante che emerge dal lavoro di Boltzmann: la differenza tra passato e futuro si riferisce alla nostra visione sfocata del mondo. L’entropia non è altro che il numero degli stati microscopici che la nostra sfocata visione del mondo non distingue.

Il fatto che il disordine aumenti sempre (entropia in aumento) è legato alla nascita del nostro Universo (il Big Bang) che inizialmente era in uno stato di basso disordine (bassa entropia).

Richard Feymann, Nobel 1965, soleva dire che “parlare del tempo è troppo faticoso anche solo a pensarci”, a significare quanto sia difficile dare una definizione esaustiva del tempo.

L’immagine di copertina è stata realizzata dai grafici di ala

Roberto Valeri