Che cos'è il tempo in fisica ?
Sembra una delle domande più semplici del mondo. Eppure è anche una delle più difficili. Quando si cerca di capire il tempo in fisica, la relatività di Einstein, lo spazio-tempo e le teorie moderne dell'universo, ci si accorge presto che non esiste una definizione semplice e condivisa da tutti.
Se chiedessimo a una persona qualunque di definire il tempo, probabilmente non parlerebbe di fisica, relatività o spazio-tempo.
Direbbe qualcosa di molto più semplice. Il tempo è ciò che passa. È la distanza tra la nascita e la morte. Sono i compleanni, le stagioni, i ricordi, le attese e i cambiamenti della vita. Anch'io, fino a poco tempo fa, avrei risposto così. E in fondo continuo a pensarla in questo modo nella vita quotidiana.
Ma allora perché fisici, filosofi e matematici discutono ancora oggi su che cosa sia il tempo?
Perché tutti pensiamo di sapere cos'è il tempo
Nella vita di tutti i giorni il tempo sembra una cosa ovvia. Guardiamo l'orologio. Andiamo al lavoro. Aspettiamo il treno. Festeggiamo i compleanni. Invecchiamo.
Tutto sembra confermare che il tempo scorra in modo regolare e uguale per tutti. Per migliaia di anni questa idea è sembrata del tutto ragionevole.
La definizione del tempo per Aristotele
Uno dei primi grandi pensatori a riflettere sul tempo fu Aristotele. Per lui il tempo era strettamente collegato al cambiamento. Se nulla cambiasse, avrebbe ancora senso parlare di tempo? Secondo Aristotele il tempo era il modo in cui misuriamo il movimento e la trasformazione delle cose. Questa idea ha influenzato il pensiero occidentale per molti secoli.
Newton: il tempo assoluto
Nel Seicento Isaac Newton propose una visione molto diversa. Secondo Newton esisteva un tempo assoluto. Un gigantesco orologio cosmico che scorreva allo stesso modo per tutti gli osservatori dell'universo. Che fossimo sulla Terra, sulla Luna o su un altro pianeta, il tempo avrebbe continuato a battere lo stesso ritmo. Per oltre duecento anni questa idea funzionò benissimo.
Einstein e la rivoluzione del tempo
Per oltre due secoli il tempo assoluto di Newton sembrò una descrizione perfetta della realtà. Poi alcuni esperimenti e nuove osservazioni iniziarono a mostrare che le cose erano più complicate di quanto apparissero. All'inizio del Novecento Albert Einstein cambiò completamente il modo di vedere il tempo. La sua conclusione fu sorprendente. Il tempo non scorre uguale per tutti. Dipende dal movimento dell'osservatore e dalla gravità. Due persone che si muovono in modo diverso possono misurare tempi diversi. Oggi questa non è soltanto una teoria. I satelliti GPS devono tenere conto degli effetti relativistici previsti da Einstein. Se non lo facessero, accumulerebbero errori significativi. Einstein unì inoltre spazio e tempo in un'unica struttura chiamata spazio-tempo. Da quel momento parlare del tempo senza parlare dello spazio diventò molto più difficile.
Che cos'è il tempo in fisica oggi?
Qui iniziano i problemi. La fisica moderna non possiede una definizione unica e definitiva del tempo.
Nella relatività il tempo è una dimensione dello spazio-tempo. Nella meccanica quantistica il tempo compare in modo diverso.
Entrambe le teorie funzionano molto bene. Ma combinarle completamente è ancora uno dei principali problemi aperti della fisica teorica.
Il tempo esiste davvero?
Può sembrare una domanda strana. Eppure è una domanda che molti fisici contemporanei prendono molto sul serio.
Forse il tempo è una caratteristica fondamentale dell'universo. Oppure potrebbe essere una proprietà emergente, cioè qualcosa che nasce da fenomeni ancora più profondi. Un po' come la temperatura emerge dal comportamento di miliardi di molecole.
Carlo Rovelli: il tempo potrebbe non essere fondamentale
Il fisico italiano Carlo Rovelli è uno dei ricercatori che più hanno contribuito alla discussione moderna sul tempo. Nelle sue ricerche sulla gravità quantistica sostiene che molte caratteristiche che attribuiamo al tempo potrebbero emergere dalle relazioni tra gli eventi. In questa visione il tempo non scompare, ma potrebbe non essere uno degli ingredienti fondamentali dell'universo.
Julian Barbour: forse esistono solo istanti
Julian Barbour propone un'idea ancora più radicale. Secondo lui ciò che esiste realmente potrebbe essere una gigantesca collezione di configurazioni dell'universo. Noi percepiremmo il fluire del tempo perché queste configurazioni appaiono collegate tra loro. In questa interpretazione il tempo potrebbe essere una conseguenza della nostra descrizione della realtà e non una struttura fondamentale.
Lee Smolin: il tempo è reale
Lee Smolin non è d'accordo. Per lui il tempo è reale e fondamentale. Secondo Smolin molte teorie moderne rischiano di sottovalutare il ruolo del tempo. Capire l'universo significa anche capire come il tempo produca cambiamento.
Sean Carroll e la freccia del tempo
Sean Carroll studia una domanda che tutti possiamo comprendere.
Perché ricordiamo il passato ma non il futuro? Perché un bicchiere può rompersi ma non vediamo mai i frammenti tornare spontaneamente insieme?
Una delle possibili risposte riguarda l'entropia, cioè la tendenza dei sistemi fisici ad evolvere verso stati più disordinati. Secondo Carroll, la nostra esperienza del tempo potrebbe essere profondamente legata a questo fenomeno.
I filosofi studiano ancora il tempo?
Assolutamente sì. Molte domande sul tempo non appartengono soltanto alla fisica. Per esempio:
- Esiste solo il presente?
- Il passato esiste ancora?
- Il futuro esiste già?
- Il tempo scorre davvero oppure è una nostra percezione?
Tra i filosofi contemporanei più interessanti c'è Tim Maudlin, che lavora sui fondamenti della relatività e della meccanica quantistica. Anche Huw Price ha studiato a lungo il rapporto tra causalità, tempo e struttura dell'universo.
Le grandi domande ancora aperte
- Sappiamo che non è assoluto.
- Sappiamo che può scorrere a velocità diverse.
- Sappiamo che è influenzato dalla gravità e dal movimento.
- Sappiamo che la relatività di Einstein descrive questi fenomeni con grande precisione.
- Il tempo è una proprietà fondamentale dell'universo oppure emerge da fenomeni più profondi?
- Perché il tempo sembra avere una direzione?
- Come si conciliano relatività e meccanica quantistica?
- Il passato e il futuro esistono nello stesso modo?
- Il tempo è una caratteristica della realtà oppure del modo in cui la descriviamo?
- Per Aristotele il tempo era il cambiamento.
- Per Newton era un orologio universale che scandiva l'intero cosmo.
- Per Einstein è una componente dello spazio-tempo, legata al movimento e alla gravità.
- Per alcuni fisici contemporanei potrebbe essere una proprietà emergente.
- Per altri è uno degli ingredienti fondamentali della realtà.
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