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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