I misteri irrisolti della fisica: possiamo modificare il passato e il presente?

 

Sono possibili i viaggi nel tempo? E’ possibile andare nel futuro o tornare nel passato? E’ possibile modificare il passato, e, quindi, anche il presente?

Per molti questi pensieri sono un’utopia: ci piacerebbe viaggiare nel tempo, ma sappiamo, ragionevolmente, che non è possibile. Ragionevolmente….

Ebbene, secondo la fisica, non tutte le speranze sono perdute. Non è, in prima approssimazione, inverosimile che si possa andare nel passato (per il futuro ci stiamo attrezzando…). Vediamo perché.

E’ ovvio pensare che il tempo debba andare in una sola direzione: dal passato al futuro. Il caffè mescolato al latte forma un liquido color nocciola, ma non vediamo mail il caffè separarsi dal cappuccino e lasciare da parte il latte, no? Le uova che cadono al suolo si spiaccicano; ma non avviene mai che da uova spiaccicate torni a formarsi un uovo.

Queste sequenze comuni di eventi, come molte altre, si verificano sempre in un senso, mai al contrario; e ci danno il senso del prima e del dopo. Anzi, ci danno IL concetto apparentemente universale del prima e del dopo.

E definiscono il senso della cosiddetta FRECCIA TEMPORALE, che, secondo i “digiuni” di fisica, va in una sola direzione; in avanti, e mai indietro. Obbligatoriamente!

Ma se fosse così, dicono i fisici, dovremmo allora aspettarci che sia stata trovata una legge fisica sensata, che giustifichi il moto dell’uovo intero solamente verso quello spiaccicato e ne proibisca il senso inverso. Una legge simile sarebbe infatti in grado di spiegare la freccia temporale che va solo in avanti.

E invece il fatto sorprendente è che finora nessuno l’ha mai trovata. Al contrario, a partire da Newton, sino ad arrivare a Maxwell, a Einstein e ai giorni nostri, tutte le leggi formulate denotano una SIMMETRIA (tenete a mente questa parola)  totale tra passato e futuro. Nessuna di queste leggi funziona se la si vuole forzare ad essere applicata in una sola direzione. Anche se l’esperienza ci conferma di continuo che esiste una freccia temporale che va in avanti che governa gli eventi, nelle leggi fondamentali della fisica questa cosa sembra non esistere.

La questione è ancora più sconcertante di quanto appaia. Contrariamente alle esperienze che facciamo nella vita quotidiana, le leggi note della fisica, infatti, sostengono, in realtà, che il cappuccino si può separare in caffè nero e latte. Tutte le leggi fisiche note, infatti, rispettano la cosiddetta SIMMETRIA per inversione temporale; in base alla quale, se una sequenza di eventi può svolgersi in un ordine temporale (latte che si mischia al caffè), può verificarsi anche in quello contrario (latte che si separa dal caffè).

Quindi le leggi fondamentali, non solo non ci spiegano perché vediamo gli eventi verificarsi unicamente in un senso, ma ci rivelano che, in teoria, questi potrebbero anche svolgersi in senso contrario.

Gli scienziati si sono scervellati per anni su questo tema, e hanno persino cercato aiuto nell’ENTROPIA. Di cui mi piace parlarvi brevemente.

Incisa su una lapide di Zentralfriedhof di Vienna, accanto alla lapide di Beethoven, Brahms, Schubert e Strauss c’è  la scritta S = KlogW, espressione matematica dell’Entropia. La lapide orna la tomba di Ludwig Boltzmann, uno dei fisici più insigni vissuti a cavallo tra Ottocento e Novecento. Scienziato sfortunato: pochi mesi dopo la sua morte cominciarono ad arrivare le conferme sperimentali delle idee che aveva elaborato e difeso per tutta la vita.

Mi piace parlarvi dell’Entropia perché è un concetto che porta a deduzioni inaspettate e sorprendenti riguardo alla freccia del tempo. E’ interessante anche sapere che i concetti di Entropia furono inizialmente sviluppati durante la rivoluzione industriale da scienziati che studiavano le fornaci e i motori a vapore e contribuirono così alla nascita della TERMODINAMICA. Ed è interessante pensare che, in fondo, la Termodinamica si può considerare come la culla delle scienze atomiche e, in generale, quantistiche. E ciò perché, soprattutto per merito di Boltzmann, ricorre al ragionamento statistico per stabilire un legame tra le proprietà macroscopiche di un sistema fisico e quelle degli elementi microscopici che lo compongono. In ultima analisi atomi e particelle.

Orbene, per aiutarci a spiegare il PERCHE’ LA FRECCIA TEMPORALE VIAGGIA IN UN SOLO SENSO ALCUNI FISICI HANNO PROVATO A CHIEDERE AIUTO ALL’ “ENTROPIA”. Ma si sono trovati con un pugno di mosche: infatti non solo l’Entropia spiega la freccia temporale in avanti; ma spiega anche quella indietro! Roba da pazzi!

Cercherò di spiegare in parole povere: l’ENTROPIA è la quantità di “disordine presente nell’universo”, ed è ovvio che ci siano molti modi per essere disordinati, ma molto pochi per essere ordinati (mia figlia Paola ne sa qualcosa…)

Se ad esempio buttiamo in aria, dopo averle strappate, le pagine di un libro, quando saranno per terra ci saranno molte più probabilità che si adagino in modo disordinato, invece che nell’ordine (unico) in cui era stato scritto.

La spiegazione del verso della freccia del tempo, che danno i fisici chiedendo soccorso all’ENTROPIA, quindi, è che gli eventi vanno sempre nella direzione di entropia più alta perchè sarà più facile per un uovo spappolarsi per terra che, una volta caduto da terra, riformarsi come uovo nella forma originale. Ciò in quanto ci sono moltissimi modi per spappolarsi per terra e solo uno per tornare alla forma originale.

Il concetto di entropia, però, è un concetto statistico, e ci aiuta solo parzialmente, in quanto la freccia dell’entropia non è del tutto rigida; infatti la definizione del tempo è abbastanza flessibile da ammettere che i processi possano verificarsi anche al contrario, ciò in quanto la legge non proibisce assolutamente la rara eventualità che le pagine del libro ricadano in posizione ordinata. Addirittura, grazie alla statistica matematica, la seconda legge della termodinamica esprime con precisione il grado di improbabilità che le pagine cadano in disordine. E ammette, quindi, che possa verificarsi il caso che cadano in perfetto ordine: la probabilità che possano farlo cioè diversa da zero.

Torniamo a noi: quindi le leggi dell’entropia possono spiegare la “freccia del tempo”?

Assolutamente no, anzi complicano di molto il ragionamento e arrivano a conclusioni quasi opposte.

Lo complicano perché il ragionamento utilizzato per dimostrare che nel futuro si passerà da una condizione di bassa entropia a uno di entropia più alta VALE ANCHE PER IL PASSATO! Cioè, non solo vi sono probabilità molto elevate che l’entropia di un sistema fisico sia maggiore in quello che chiamiamo futuro, ma che lo stesso avvenga in quello che chiamiamo passato. Le leggi non ci danno alcun orientamento temporale e quindi LA FRECCIA TEMPORALE DATA DALL’ENTROPIA E’ BIDIREZIONALE; IN QUALSIASI MOMENTO E’ ORIENTATA VERSO IL FUTURO E VERSO IL PASSATO. Ed è per tale ragione che appare strano proporre l’entropia come giustificazione della freccia unidirezionale del tempo.

Caro Boltzmann, con tutto il rispetto, non ci siamo; la tua Entropia mi giustifica la metà del mio ragionamento (freccia in avanti), ma mi informa anche che la freccia del tempo può andare a ritroso: quindi io posso, secondo questo ragionamento, andare nel passato ?

Ma, potremmo arguire:  è giusto fidarci della matematica anche se questa va contro la ragionevolezza di quello che sappiamo? di quello che vediamo?

Ebbene, secoli di indagini scientifiche hanno dimostrato che la matematica rappresenta un linguaggio oggettivo per rappresentare l’Universo, al di là delle nostre percezioni. Molti sono i casi di previsioni matematiche, apparentemente in conflitto con le nostre intuizioni ed esperienze (buchi neri, antimateria, entanglement, e molto altro). I fisici hanno ormai capito che la matematica, se usata con attenzione, è uno strumento sicuro per giungere alla verità.

Proseguiamo quindi nel nostro cammino affidandoci alla matematica e chiudendo gli occhi sulle percezioni.

Gli insegnamenti fondamentali della Termodinamica ci dicono che i sistemi fisici hanno una tendenza marcata a trovarsi in situazioni di alta entropia. Una volta acquisite queste configurazioni, essi presentano una tendenza marcata a mantenerle.

Quindi, deduciamo, l’Entropia elevata è la condizione naturale dell’Essere. Non ce ne dovremmo mai sorprendere, né dovremmo sentirci in dovere di spiegare perché accada: tali stati sono nella norma delle leggi fisiche!

Quello che viceversa va spiegato è perché un determinato sistema fisico si trovi in uno stato di ordine, di bassa entropia, che non è assolutamente nella norma: anche se può verificarsi, in realtà questa possibilità è remotissima!

Ed è qui che casca l’asino; e il mistero permane. Perché l’unica cosa che la matematica dell’Entropia ci può dire è che all’inizio dell’Universo c’era un ordine assoluto, con un’entropia bassissima. Che giustificherebbe il verso della Freccia Temporale verso il futuro con lo stato di entropia sempre maggiore di questo futuro. La freccia temporale, quindi, è stata scoccata quindi nello stato molto ordinato di bassa entropia dell’Universo Primordiale. Il che non ci dice cosa ci fosse prima dell’inizio; ammesso che ci interessi.

E non risolve comunque il problema di farci capire se la freccia temporale può funzionare al contrario.

Ma questo finché si ragiona in termini di fisica classica; con la fisica quantistica i discorsi cambiano.

Infatti, quando pensiamo a qualcosa come il tempo, ci è impossibile prescindere dal linguaggio comune; però le esperienze della vita comune sono “classiche”; perché, con un alto grado di precisione si accordano con le leggi elaborate da Newton più di tre secoli fa.

Ma, fra tutte le scoperte avvenute in campo fisico negli ultimi cent’anni, la meccanica quantistica è la più sorprendente proprio perché mina l’intero schema concettuale della fisica classica e, con esso, il grado di affidamento che diamo alle nostre esperienze e  alle nostre percezioni. Gli esperimenti della fisica quantistica ci dimostrano che il nostro mondo è governato da queste leggi quantistiche scoperte nel Novecento, non da quelle classiche di Newton, Maxwell, Einstein; delle quali però continuiamo a servirci come approssimazioni utili per descrivere eventi della vita “normale”. Quando parliamo di spazio-tempo, in realtà, ci siamo accorti che le leggi classiche non funzionano bene.

Ebbene, mentre nella visione classica tutti gli istanti sono uguali, e quindi tutti gli eventi del passato possono essere descritti con lo stesso linguaggio, nella fisica quantistica, no.  La fisica quantistica spiega in modo abbastanza soddisfacente gli eventi spazio-tempo; al prezzo però di cambiare drasticamente la visione del passato (e del futuro).

Addentriamoci nelle spiegazioni quantistiche dello spazio-tempo.

Richard Feynman, uno dei fisici più creativi del Novecento e premio Nobel, ha elaborato una teoria innovativa, rivoluzionaria, ma legittima. La teoria delle somme dei cammini.

Questa teoria ci dice che, mentre per la fisica classica il presente ha un passato univoco, nella meccanica quantistica il presente osservato non è che un’amalgama, una sorta di media di tutti i passati compatibili con ciò che osserviamo.

Ma non è tutto, nel 1980 l’illustre fisico John Wheeler dimostrò una cosa che può apparire strana: ossia che il passato dipende dal futuro.

In ambito psicologico riscrivere o reinterpretare il passato è un fatto comune: il nostro raccontare il passato è quasi sempre influenzata dalle esperienze del presente. Ma ci aspetteremmo che la fisica sia un campo obbiettivo e oggettivo. Il che non è, come tutti coloro che masticano un po’ di fisica quantistica sanno; e sanno quanto la funzione dell’osservatore comunque influenzi il presente; il che non esclude, pertanto, che possa influenzare il passato nella scelta dei cammini possibili.. Wheeler dimostrò questo con l’esperimento della “scelta ritardata”, effettuato su fotoni,  che provò come essi si comportassero come se prevedessero la condizione sperimentale che avrebbero incontrato a valle dell’esperimento, e agissero di conseguenza.

E’ come se una storia definita e coerente si manifesti solo dopo che il futuro cui porta è stato stabilito.

Il che lascia spazio a innumerevoli congetture filosofiche riguardanti una possibile esistenza di predestinazione e di possibili variabili del nostro futuro.

Come abbiamo visto, nella meccanica quantistica la realtà è ibrida, confusa, incerta, composta di più alternative, di cui solo una si realizza.  E ricordiamo che gli esperimenti della fisica quantistica ci dimostrano che il nostro mondo è governato da queste leggi quantistiche scoperte nel Novecento, non da quelle classiche.

Il che solleva degli interessanti interrogativi: se non posso “ancora” viaggiare indietro nel tempo, posso allora almeno cambiare qualcosa che è già accaduto? O cancellarne le conseguenze sul presente?

Il resto, se vi interessa….alla prossima puntata.