lunedì 2 gennaio 2017

I Viaggi nel tempo



Il matematico Kurt Gödel, nel 1940, propose una soluzione alle equazioni della relatività di Einstein che prevedeva la possibilità di anelli temporali. Nell’articolo in cui passava in rassegna le conseguenze della teoria della relatività affermava: “esistono mondi in cui è possibile viaggiare nel passato, nel presente e nel futuro e tornare al punto di partenza, come proprio in altri mondi è possibile viaggiare nello spazio fino a regioni remote”. La prospettiva lo preoccupò abbastanza. Essendo collega e buon amico di Einstein, gli mostrò il risultato ottenuto. Einstein si dichiarò “turbato” da una simile eventualità. 

In risposta all’articolo di Gödel, scrisse che “sarebbe stato utile valutare se soluzioni del genere non vadano escluse sulla base di considerazioni fisiche”. Gödel concordava e ipotizzò che qualcosa dovesse impedire l’accadere di cose simili.
Negli ultimi venti anni, anche a causa di numerose scoperte scientifiche, i migliori intelletti della fisica si sono avvicinati a questo tema riscoprendo ciò che la fantascienza, con grande intuito ed acutezza aveva anticipato diversi anni prima.
Ho incontrato lo scienziato Fabrizio Tamburini per fare il  punto riguardo la possibilità scientifica dei Viaggi nel tempo. Tamburini ha una grande esperienza come studioso di relatività e poi di meccanica quantistica. Durante il suo percorso di laurea e di dottorato in fisica ha studiato con Dennis Sciama, collaboratore di Einstein e allievo di Paul Dirac. È oggi al dipartimento di fisica dell’università di Padova e collabora con il gruppo del professor Anton Zeilinger dell'università di Vienna, grande esperto di meccanica quantistica e di teletrasporto.
Fabrizio Tamburini è noto anche per la sua particolare condizione di ricercatore precario e nello stesso tempo di grande scienziato, con all’attivo due fondamentali scoperte scientifiche, che gli hanno dato notorietà e considerazione dalla comunità scientifica internazionale.

La fisica e le odierne conoscenze scientifiche permettono la possibilità di viaggiare nel tempo?

Per viaggiare nel futuro non ci sono problemi, il paradosso dei gemelli presentatoci dalla relatività ristretta stabilisce che il tempo scorre diversamente per osservatori in moto diverso. Se io osservo, per esempio, una persona in movimento, alla velocità della luce (circa 300 mila km al secondo), mi accorgo che il suo tempo è estremamente dilatato. Se uno dei gemelli parte per un viaggio interstellare; per lui il tempo scorre in modo diverso e non simmetrico, rispetto all’osservatore rimasto a terra (il fratello gemello), perché c’è una diversa misura del trascorrere del tempo. Ipotizziamo che per il gemello viaggiatore occorrono cento anni per arrivare alla sua metà interstellare e altri cento anni per tornare sulla terra. Ritornato di nuovo sul nostro pianeta si accorgerà che per lui è trascorso poco tempo, come fosse stato congelato nel freezer, sulla terra non troverà più suo fratello e ci sarà un’altra civiltà, sono passati migliaia di anni, questo calcolo dipende dalla velocità relativa che ha l’astronave rispetto alla terra, ed è come se avesse viaggiato nel futuro. Questa può essere considerata una possibilità per poter viaggiare nel futuro, anche se non è proprio così come ce l’aspettavamo.
Quindi viaggiare nel futuro si può, lo sperimentiamo anche negli acceleratori di particelle e quando facciamo un viaggio in aereo, anche se la differenza tra il tempo da noi misurato e quello dei nostri amici rimasti sulla terra è infinitesimale.

E viaggiare nel passato?

Esistono invece delle soluzioni alle equazioni della teoria della relatività generale di Einstein (una teoria dello spazio tempo) che possono offrirci delle possibilità  plausibili per realizzare viaggi nel passato, anche se ancora non ci sono esperimenti o teorie definitive che le confermano.
La prima soluzione teorica è stata trovata da Gödel, presentata a Einstein in occasione del suo 70esimo compleanno. È una soluzione di una eleganza formale e matematica straordinaria. Quando immaginiamo lo spazio e il tempo noi pensiamo a due concetti diversi a due grandezze rigorosamente separate. Nello spazio possiamo muoverci nelle più varie direzioni, avanti e indietro, nel tempo ci muoviamo dal presente al futuro, ossia solo in avanti. Nella teoria della relatività generale non è possibile, in ogni circostanza e ovunque, tenere separate queste due grandezze fisiche, ad esempio quando esistono più di due singolarità (teorema di Hawking-Penrose).
Non sempre è possibile separare spazio e tempo se non localmente o in certi casi particolari, quindi non è questa una proprietà generale dello spazio tempo. Allora queste due grandezze possono mescolarsi tra di loro. Quindi se c’è una direzione privilegiata nello spazio e nel tempo, come per esempio nel caso di una rotazione o nel caso di un universo in rotazione (come nella soluzione di Gödel), si rompe una simmetria tra l’inscindibilità delle due grandezze, lo spazio e il tempo si mescolano, come fosse una trottola quadridimensionale.
In questa situazione diverse sono le soluzioni trovate dagli scienziati per spiegare questi fenomeni, una è la torsione tra spazio e tempo ed è quello che accade in buco nero rotante (la soluzione di Kerr).
Un’altra soluzione sono i cunicoli spazio temporali (gli stargate) – anche detta del ponte di Einstein e Rosen, proposta nel 1935 - che connettono due punti diversi dello spazio tempo attraverso una singolarità. Ma questi cunicoli hanno vita breve, infinitesimale; ecco allora che passando attraverso una singolarità di questo tipo verremmo disintegrati e si perderebbero tutte le informazioni
Quella invece dei wormhole percorribili, è un’altra soluzione ma molto più interessante, trovata quasi per gioco da John Archibald Wheeler di Princepton e a soluzione di alcuni problemi di un film di fantascienza ispirato al romanzo Contact di Carl Sagan. Un connubio perfetto tra la scienza e l’arte del cinema
Ma per tenere aperto un tunnel spazio-tempo abbiamo bisogno di uno stato di energia negativa, altrimenti i cunicoli si chiudono, ma questo significa violare localmente il principio di conservazione dell’energia, in senso debole e forte.
Significa che all’interno delle equazioni di Einstein avremmo necessità di una pressione negativa che faccia da sorgente di repulsione e questo non si sa come ottenerlo e ancor più non si sa se questa è una teoria corretta.
In linea di principio se la teoria della relatività generale è corretta allora è possibile avere dei tunnel spazio-temporali che connettono due gruppi di eventi in diversi punti e in diversi istanti di tempo, e gli stessi potrebbero svolgere la funzione di una macchina del tempo e dello spazio.
Un’altra soluzione – all’interno della teoria della relatività - che permette il viaggio nel passato è quella della singolarità all’interno di un buco nero rotante di Roy P. Kerr, che realizza un anello spazio temporale attraverso il quale poter muoversi nel tempo, ma il tutto è nascosto dal censore cosmico che è l’orizzonte degli eventi del buco nero.

È possibile oggi immaginare o prevedere una macchina del tempo o un esperimento in cui un essere umano riesca a viaggiare nel passato o nel futuro?
È la tecnologia che ci tiene confinati nel nostro tempo, mentre la fisica ci permette la possibilità di viaggiare nel futuro e nel passato? È quindi solo questione di tempo per realizzare uno dei sogni più antichi dell’umanità: Viaggiare nel tempo?

Realizzare una macchina del tempo non è solo una questione di tecnologia, ma anche di teoria. Ancora la gravitazione è immersa nel più totale dei misteri, e la nostra capacità di comprensione del fenomeno sconta grosse difficoltà.
La teoria della relatività generale ci da degli spunti, anche riguardo al tema del viaggiare nel tempo, ma ancora non si conosce la sua portata e se è una teoria definitiva, anche perché non riusciamo a metterla in relazione con la meccanica quantistica e questo è un grosso problema.
Dobbiamo raggiungere una teoria del tutto, che spieghi l’unità dei fenomeni della fisica, è lì che ci sarà anche la risposta ai viaggi nel tempo.

I risultati dell’esperimento del CERN e la quasi certezza della scoperta sperimentale del bosone di Higgs, confermano in modo inequivocabile la teoria del modello standard. Tutte le particelle elementari e le tre forze fondamentali della natura: forte, debole e elettromagnetica sono raccolte in un unico modello di lettura fisica della realtà, ma rimane ancora da unificare la forza gravitazionale. L’obiettivo è una Teoria del tutto, ossia “una unica legge fisica universale” che unifica tutte le altre, e raccoglie in se tutte le altre teorie e tutti i fenomeni fisici compendiando e semplificando la descrizione del mondo.
È questa la frontiera ultima della conoscenza fisica del mondo: una Teoria del tutto?

Raggiungere una “Teoria del tutto” vuole dire capire che cos’è lo spazio e cos’è il tempo, che è quello descritto dalla teoria della relatività generale come uno scenario attivo in cui avvengono  processi quantistici. Ma lo stesso spazio e tempo hanno, probabilmente una natura quantistica che non riusciamo ancora a capire.
Un’idea può esser quella delle stringhe, ma non si riescono ancora a trovare sperimentalmente partner super simmetrici a conferma della validità della teoria.
Oppure ci sono altre soluzioni di quantizzazione della gravità, per esempio attraverso la quantum gravity, che però non da una unificazione delle forze, ma solo una spiegazione di come potrebbe essere una libertà quantistica senza supporto spazio temporale. Queste sono solo idee che stanno appena emergendo o sbocciando.
I problemi sono tanti e le stime parlano – escludendo soluzioni a sorpresa ad ora impensabili - di almeno un centinaio di anni per capire se la teoria delle stringhe è una spiegazione valida ed ultima delle cose.
Solo una teoria del tutto potrà darci una spiegazione definitiva e completa dei concetti di spazio-tempo e quindi spiegare l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande, ossia l’universo stesso e se questo permette viaggi nel passato.

Mi suggerisce una domanda direi filosofica, ossia se lo spazio e il tempo sono due entità fisiche reali o semplicemente utili esemplificazioni concettuali?

Non è proprio una domanda filosofica, ma è la domanda a cui dovrebbe rispondere la Teoria del tutto. Sono proprio i concetti di spazio e di tempo indagati e descritti, con buon effetto, dalla relatività di Einstein che hanno necessità di una analisi concettuale più profonda, anche per legarli al mondo delle particelle subatomiche e questo è un risultato ancora da raggiungere.

Quando arriveremo a una Teoria del tutto avremmo raggiunto il limite massimo della conoscenza fisica del mondo e dell’Universo? In qualche modo saremo arrivati alla fine del sapere possibile?

La Teoria del tutto segna solo l’inizio del nostro viaggio nella conoscenza del mondo. è come aver finalmente in mano le chiavi del castello, poi bisogna andare a vedere cosa c’è dentro. Con una teoria del tutto afferriamo i principi di base del mondo fisico, però descrivere oggetti complessi e processi quali l’evoluzione di una galassia o cosa succede all’interno di una stella quando ci sono processi di interazione macroscopici con altri corpi, rimarranno mete ancora tutte da raggiungere.

I buchi neri sono stati, fino a poco tempo fa, tra gli oggetti più impenetrabili dell’Universo, c’è una relazione – anche in conseguenza della sua ultima scoperta sulla vorticità dei fotoni (della luce) in prossimità di un buco nero in rotazione - tra questa realtà fisica e i viaggi nel tempo?

La luce è il messaggero che utilizziamo per esplorare il cosmo e per conoscere le realtà stellari diversamente troppo lontane per poter essere indagate.
La relatività generale parla di uno spazio-tempo curvo e quando si raggiunge questa curvatura le due grandezze possono mescolarsi e si possono ottenere degli apparenti paradossi come quello dell’universo rotante di Gödel e la possibilità di curve temporali chiuse e quindi la possibilità dei viaggi nel tempo.
Nella mia ultima scoperta sui buchi neri, ho lavorato su una proprietà della luce che è legata al suo stato di occupazione nello spazio e nel tempo, la sua vorticità. Ciascun fotone può portare un’informazione sulla sorgente e sul mezzo che attraversa, compreso un campo gravitazionale.
Del fotone non solo rimane la sua energia, lo spin e la sua massa a riposo che è nulla, ma esso trasporta anche una memoria spaziale collettiva di tutto quello che attraversa.
Se per esempio attraversa un campo di un buco nero rotante, il quale – come si diceva innanzi - mescola lo spazio e il tempo, realizzando una torsione dello spazio-tempo che si traduce in una modificazione della fase di ogni singolo fotone. La luce viene ritorta e questo effetto può essere usato per vedere e misurare quanto viene curvato lo spazio-tempo e la vorticità del campo elettromagnetico e da essa ricavare la vorticità indotta dal campo gravitazionale del buco nero rotante.
Questa idea può essere utilizzata anche per misurare le proprietà delle curve temporali chiuse.

Il tema del viaggiare nel tempo entusiasma, ma fa anche venire i brividi a filosofi e religiosi, viste le conseguenze di tipo etico, religioso e filosofico sull’uomo, la natura e il mondo, che inevitabilmente portano con se.
C’è oggi il pericolo – così come è stato nel passato - che qualche potere possa mettere un freno alla libertà di ricerca, perché questa, almeno nelle applicazioni, può essere pericolosa?

Il drammaturgo svizzero Friedrich Dürrenmatt, nella commedia I fisici dice: “siamo fisici nucleari eppure innocenti”. Il fisico è come un bambino che esplora il mondo, va a tentoni, ma conserva intatto entusiasmo e voglia di scoprire e questo è bello.
Il problema non è la scienza o la fisica, ma l’essere umano che purtroppo non è ancora maturo per un’applicazione responsabile e corretta di alcune scoperte scientifiche. E poi è impossibile imbavagliare o fermare la conoscenza, il desiderio di ricerca fa parte della natura dell’essere umano.
Rispetto alle possibili applicazioni non sono pessimista. Non abbiamo avuto, per esempio la terza guerra mondiale e non abbiamo generato la distruzione nucleare del nostro pianeta. Direi che abbiamo un orientamento e un senso di conservazione che alla fine ci salva. Un’elevata e diffusa conoscenza scientifica è sicuramente un antidoto agli orrori, di cui può anche essere capace l’esser umano e che per esempio hanno vissuto i nostri nonni negli anni trenta e quaranta in Germania.
Un pericolo possibile, da tenere a bada, è la razionalità estrema che può generare pensieri e azioni mostruose, come ad esempio l’idea che alcuni gruppi etnici possano essere inferiori e insignificanti e quindi possano essere anche annientati o eliminati fisicamente dal mondo, come è avvenuto con l’olocausto nazista. Io penso che l’estrema razionalità non va mai applicata alla politica e al governo dei popoli, questo perché siamo tutti delle persone, ognuno con i propri desideri e i propri sogni da realizzare o almeno accarezzare e non siamo dei numeri.
Ci sono due strade da percorrere: una quella della scienza e della conoscenza, che ci suggerisce che ci si può affidare alle migliori menti e un’altra della Politica e della socialità che ci indica che occorre conservare la propria identità e dignità di essere umano e ci rammenta che occorre rispettare gli altri e la loro umanità e naturalmente essere rispettato. Siamo esseri razionali, ma anche esseri fatti di poesia e di musica.
Le scoperte più grandi della fisica, ad esempio, sono state fatte più con il cuore che con i calcoli.  Einstein alla domanda di un suo collega fisico su come fosse arrivato a formulare la teoria della  relatività, rispose: “ci sono dentro, con un colpo d’occhio”.
La stessa relazione di Heisenberg - il principio di indeterminazione - è nata da una grande intuizione, in modo spontaneo e non dopo lunghi o precisi calcoli matematici.

Spesso la fantascienza riesce ad intuire e anticipare alcune prospettive del mondo e diverse scoperte scientifiche. Ad esempio nel 1898 Hebert George Wells, quasi vent’anni prima che Albert Einstein formulasse la teoria della relatività e aprisse la possibilità teorica dei viaggi nel tempo, annunciava nel suo famoso romanzo La macchina del tempo: “gli scienziati sanno molto bene che il tempo non è altro che un tipo di spazio. Possiamo muoverci avanti e indietro nel tempo così come possiamo farlo nello spazio”.
Possiamo dire che fra cento o duecento anni la realtà sarà più incredibile della fantasia o di ciò che noi oggi riusciamo ad immaginare?

Penso di si. Lo stesso Einstein amava ricordare che la Natura non è strana per come la immaginiamo, ma molto più strana di quanto noi riusciamo o possiamo fantasticare. Chi avrebbe mai potuto concepire, già solo venti o trenta anni fa, che noi avremmo potuto comunicare gratuitamente attraverso due computer, così come oggi è possibile. Chi sa cosa succederà nei prossimi anni, anche perché ogni giorno, soprattutto in questo ultimo secolo, ci ha portato numerose e sorprendenti rivoluzioni tecnologie e scientifiche. L’idea del teletrasporto, ad esempio, è venuta a Gene Roddenberry, per motivi di contenimento del budget, durante produzione del film, perché non c’erano soldi per costruire un’astronave. Allora è venuta l’idea di usare il paradosso di Einstein - Rosen per trasportare informazioni nello spazio tempo usando stati non locali, che è poi quello che fa Anton Syailin, attraverso il teletrasporto.

Come metodo di ricerca dobbiamo sviluppare la creatività e l’essere audaci, spesso ad esempio, l’errore o la fantasia (ossia lo staccarsi dalla realtà) possono portare a grandi intuizioni o novità o scoperte e quindi ad importanti nuove conoscenze.
Lo scienziato russo Vitaly Lazarevic Ginzburg, nobel della fisica, amava dire “a volte è molto meglio fare un lavoro provocativo con qualche errore, ma capace di stimolare una discussione su l’argomento, che non far nulla per paura di sbagliare o per motivi altri”.
È un bel periodo per la fisica, un periodo di importanti conferme sperimentali, ma anche di ipotesi e nuove teorie scientifiche. Vediamo cosa succederà con il modello standard, alla luce della quasi scoperta del bosone di Higgs, ma potrebbe essere anche interessante se “la particella di Dio” non si trovasse, tornerebbero in gioco altre proposte e teorie alternative, come ad esempio la teoria unificata delle forze elettrodeboli di Steven Weinberg e Abdus Salam. E poi ad esempio dobbiamo capire bene la misura della velocità dei neutrini annunciata poco tempo fa al CERN, ma già osservata con incertezza nel 2007 al FermiLab di Chicago. O sotto c’è un errore concettuale oppure si aprirebbe una nuova prospettiva interpretativa dalle innumerevoli conseguenze sperimentali e teoriche.

dicembre 2011

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