Il concetto di tempo in fisica



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03.06.2018
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Il concetto di tempo in fisica

Tutte le nostre esperienze si collocano nello spazio e nel tempo. Infatti Kant arriva a postulare che lo spazio ed il tempo siano categorie della mente definite a priori e non derivate dall'esperienza.

La nostra percezione dei fenomeni naturali sarebbe soggetta allo spazio ed al tempo in quanto modalita' di funzionamento del cervello e non in relazione ad una evoluzione concettuale delle esperienze.

Il carattere assoluto di queste categorie ne deriva di conseguenza. Una prima difficolta' consiste nel concetto di tempo che scorre per sempre all'infinito, gia' S. Agostino notava il paradosso che esiste tra l'istante presente infinitesimo e un tempo che non ha fine. S. Agostino, seguendo il filo di una tale argomentazione, arrivava a sostenere che la realta' e' fuori dal tempo, il tempo non esiste e' solo una nostra percezione.

Il tempo sarebbe una proprieta' dell'universo e prima dell'inizio dell'universo il tempo non esisteva.

Il nostro modo di costruire concetti si basa su azioni che possiamo effettuare e sulle possibilita' percettive tipiche della nostra struttura. L'evoluzione dei nostri concetti e l'astrazione dai dati sensibili avviene ancor prima della formulazione linguistica degli stessi.

La nostra struttura biologica e' determinante per la formazione di concetti complessi e relative costanti conservative. La speculazione razionale procede faticosamente da questi vincoli strutturali per costruire teorie astratte.

1. Equazioni della meccanica Newtoniana

I fisici molto piu' pragmaticamente hanno introdotto il tempo nelle loro equazioni sulla base di alcune considerazioni pratiche. Una prima osservazione consiste nel fatto che possiamo costruire

orologi, ovvero misurare il tempo. Cosi' come possiamo misurare lo spazio tramite il confronto con un

metro campione, altrettanto possiamo misurare il tempo utilizzando un orologio.

Gli orologi sono costruiti sulla base di movimenti campione, per esempio la rotazione della terra su se stessa, oppure l'oscillazione periodica di un pendolo, oppure fenomeni di microscillazioni di

cristalli.

Un tipo particolare di orologio e' basato sull'emissione radioattiva di particelle instabili, nonostante che il processo di emissione sia casuale, il tempo di vita media presenta una notevole uniformita'.

In particolare, nella maggioranza dei casi misuriamo il tempo sulla base di un evento che si ripete con regolarita'.

Quando su un corpo non agisce alcuna forza esso persiste nel suo movimento rettilineo uniforme.

Una legge fisica e' per esempio: (x=v*t) lo spazio percorso e' proporzionale al tempo trascorso moltiplicato per la velocita'. Questa equazione lega, nel moto rettilineo uniforme, lo spazio

il tempo e la velocita'. Il fatto notevole e' che esiste una costante universale che e' la

velocita' della luce nel vuoto. Tra spazio, tempo e velocita' sembrerebbe che la velocita' e non il

tempo ne' lo spazio, sia assoluta, cioe' possegga un carattere piu' universale.

Rappresentare il tempo con un numero, nelle equazioni della fisica, permette una prima generalizzazione: tale numero puo' essere un numero reale. Questo implica la continuita' del tempo cosi' rappresentato. Un numero reale puo' rappresentare un tempo infinitesimo.

In realta' il tempo potrebbe essere quantizzato, cioe' presentarsi il quantita' piccole ma indivisibili.

Una seconda generalizzazione consiste nel fatto che un numero reale puo' essere negativo,

da cui la possibilita' di invertire il senso del tempo.

Infatti le equazioni fisiche possono essere invertite nel senso del tempo e rimanere invarianti.

In questa rappresentazione nulla vieta di andare a ritroso nel tempo. Possiamo infatti far scorrere un filmato all'indietro, se il filmato mostra il moto di un corpo in un campo gravitazionale, come per esempio la traettoria di una palla di cannone, osserveremo un moto conforme alle previsioni delle leggi del moto. Chiunque riconoscerebbe che il moto e' invertito nel caso in cui il soggetto del filmato fosse un gas in espansione, in questo caso il senso del tempo appare piu' determinato.

Esiste una ragione per cui non e' possibile invertire il senso del tempo in fisica: la legge di crescita indefinita dell'entropia.

Questa legge proviene dalla termodinamica e afferma che un sistema fisico evolvera' nel senso di maggior disordine.

In particolare un sistema fisico tendera' ad occupare indistintamente tutti gli stati possibili compatibilmente con la disponibilita' di energia. Questa legge fa supporre che il tempo abbia avuto un inizio, infatti se l'eta' dell'universo fosse infinita noi dovremmo trovarci in una situazione completamente uniforme ed indifferenziata. In presenza di un fortissimo campo gravitazionale questa legge dell'entropia crescente sembra cessare di essere valida.

All'interno di un buco nero si ha un decremento dell'entropia.

L'aumento col tempo del disordine o dell'entropia e' un esempio della freccia del tempo, qualcosa che distingue il passato dal futuro, dando al tempo una direzione ben precisa. Esistono almeno tre frecce del tempo diverse:

la freccia del tempo termodinamica; la direzione del tempo in cui aumenta il disordine o l'entropia;

la freccia del tempo psicologica; la direzione in cui ricordiamo il passato e non il futuro;

la freccia del tempo cosmologica; la direzione del tempo in cui l'universo si sta espandendo anziche' contraendo.

2. Il determinismo delle leggi fisiche

Le leggi fisiche determinano il movimento dei corpi con grande precisione.

Noi interpretiamo gli eventi in termini di causa ed effetto.

Causa ed effetto hanno luogo nel tempo: la causa precede l'effetto.

Passato e futuro sembrano completamente determinati da leggi fisiche.

E' possibile prevedere con grande precisione il moto futuro di una palla di cannone.

Prima della meccanica quantistica le equazioni della fisica delineavano un universo completamente prevedibile nella sua evoluzione temporale.

Era un problema di calcolo e non di principio poter prevedere il futuro.

Prima del XX secolo era opinione diffusa che l'universo fosse statico.

Oggi sappiamo che e' impossibile avere un modello statico infinito dell'universo in presenza di gravitazione.

Vi sono tre teorie che hanno modificato questa visione del mondo:

la teria della relativita' ristretta

la teoria della relativita' generale

la teoria quantistica.



3. La teoria della relativita' ristretta

La scoperta della invarianza della velocita' della luce per trasformazioni da sistemi di riferimento diversi, ha portato alla costruzione di una teoria in cui il tempo non e' piu' assoluto.

Ogni osservatore avrebbe un proprio tempo relativo indipendente. Secondo tale teoria due gemelli uno sulla terra ed uno su un'astronave invecchierebbero in maniera diversa, in particolare quello in viaggio vedrebbe scorrere il proprio tempo piu' lentamente.

Gli orologi di un sistema di riferimento in moto rallentano, in particolare il tempo per un viaggiatore alla velocita' della luce sarebbe fermo.

Il concetto di simultaneita' di eventi assume un nuovo significato. In particolare il tempo presente non e' piu' infinitesimo ma finito e dipendente dalla velocita' della luce.

Se osserviamo il sole vediamo la luce emessa 8 minuti fa e non possiamo interagire col sole se non dopo otto minuti.



4. La teoria della relativita' generale

In questa teoria la gravita' viene interpretata come curvatura dello spazio e del tempo.

Il tempo e lo spazio sarebbero soggetti alla presenza di masse gravitazionali, i corpi tenderebbero a muoversi in linea retta ma essendo la struttura dello spazio-tempo incurvata le traettorie stesse

risulterebbero curve.

La teoria prevede un universo in espansione, ed inoltre delle singolarita' nello spazio-tempo, i buchi neri. Un buco nero e' una concetrazione enorme di massa in un punto da cui nemmeno la luce puo' sfuggire.

L'universo sarebbe finito ma senza confini incurvato su se' stesso dal campo gravitazionale.

Il tempo e lo spazio si fondono in un unico spazio-tempo che puo' essere incurvato dalla presenza di forze gravitazionali.

5. La teoria quantistica

La teoria quantistica indroduce una intrinseca imprevedibilita' nelle leggi fisiche.

Il moto di un elettrone non e' piu' descrivibile con il concetto di traettoria.

Le equazioni sono ancora determinate nel tempo ma un oggetto fisico non puo' piu' essere descritto con un'unica storia: occorrono infinite storie tutte compatibili per descrivere il moto di un oggetto.

Un tipico paradosso che ne scaturisce e ben descritto dal famoso esperimento del gatto di Schrodinger.

Si mette un gatto in una scatola in cui del cianuro puo' essere liberato da un evento subatomico come l'emissione radioattiva di una particella: soggetta ad una certa probabilita'.

Fintanto che non si apre la scatola il gatto si trova in due storie descritte deterministicamente dalle equazioni della meccanica quantistica in una storia il gatto e' morto, in un'altra coesistente il gatto e' vivo.

Per cui si puo' pensare che il gatto sia contemporaneamente vivo e morto. L'osservatore con il suo intervento di misura, aprendo la scatola, fa collassare lo stato misto vivo-morto in uno stato definito:

il gatto e' vivo oppure e' morto.

Tutto cio' fa pensare che potrebbe esserci un'azione da parte della consapevolezza umana su stati fisici della materia. L'operazione di misura determina un processo irreversibile sullo stato

fisico che fornisce una direzione al tempo.

Per evitare il coinvolgimento dell'osservatore nei processi di misura alcuni hanno postulato la coesistenza di infiniti universi.

Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica afferma che non e' possibile conoscere contemporaneamente la velocita' e la posizione di una particella, o anche dell'energia e del tempo.

Una particella assolutamente ferma potrebbe essere ovunque nell'universo.

Per un istante infinitesimo una particella puo' prendere a prestito una quantita' infinita di energia.


6. I buchi neri

All'interno dei buchi neri avvengono fenomeni piuttosto strani. In particolare la legge della crescita dell'entropia inverte il proprio senso, avviene una crescita della negentropia.

In un buco nero e' presente una singolarita' dello spazio-tempo. Per ragioni quantistiche un buco nero potrebbe evaporare e trasformarsi in un buco bianco.

La materia in un buco nero finisce in un universo neonato, un piccolo universo staccato dal nostro ma a cui potrebbe congiungersi. Alcuni hanno postulato che l'elettrone possa essere un minuscolo buco nero. All'interno dell'elettrone vi sarebbe luce soggetta ad negentropia crescente, ovvero luce che si autorganizza.

Un astronauta che cadesse in un buco nero vedrebbe il proprio tempo rallentare fino a fermarsi.

7. L'origine dell'universo

La teoria della relativita' generale prevede che l'universo abbia avuto origine: il big-bang primordiale. Osservazioni sul moto delle galassie confermano una tale previsione.

Al momento del big-bang tempo e spazio hanno avuto origine e con essi tutte le particelle che costituiscono il nostro universo.

Il tempo avrebbe avuto percio' un inizio. Questa singolarita' determina un limite per le leggi fisiche che non sarebbero piu' valide a tale istante.



8. Il tempo immaginario

Una ulteriore generalizzazione consiste nel rappresentare il tempo con un numero complesso: parte reale e parte immaginaria. Utilizzando il tempo immaginario e' possibile eliminare le singolarita'

previste dalla relativita' generale.

Il tempo immaginario ci consente di costruire una teoria consistente ed elegante sulla natura dell'universo.

Utilizzando un tempo immaginario la distinzione fra tempo e spazio scompare completamente.

Utilizzando il tempo immaginario il big-bang non sarebbe altro che un punto di un universo curvo, analogamente al polo nord della terra solo con due dimensioni aggiuntive.

In questo caso le leggi della fisica continuerebbero ad essere valide anche nell'istante iniziale dell'universo.

Quando si combina la relativita' generale con il principio di indeterminazione della meccanica quantistica, tanto lo spazio quanto il tempo possono essere finiti ma illimitati.

Usando il tempo immaginario, ovvero uno spazio-tempo euclideo in cui la direzione del tempo e' sullo stesso piano delle direzioni nello spazio, c'e' la possibilita' che lo spazio-tempo sia finito e che

nondimeno non abbia alcuna singolarita' che ne formi un confine o un bordo; analogamente alla superficie della Terra.



Il tempo immaginario e' forse piu' reale di quanto possiamo immaginare.

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