• 5 Agosto 2022 17:09

SCIENZA & DINTORNI

Divulgazione storica e scientifica – DIRETTORE Fabiana Leoncavallo

Il titolo di questo articolo può sembrare una domanda oziosa e perfino banale. La nostra esperienza soggettiva ritiene di sapere perfettamente cos’è il tempo, la direzione nel quale scorre, la sua suddivisione in passato, presente e futuro. Eppure da secoli scienziati, filosofi e più recentemente neurobiologi si accapigliano sul significato e la vera natura del tempo.

Che cos’è il tempo? Se nessuno me lo chiede, lo so; se voglio spiegarlo non lo so più.

Secondo Sant’Agostino (354-430 ca.), dottore della Chiesa, il tempo non esiste oggettivamente. Esso si divide in tre parti: passato, presente e futuro. Il passato non esiste in quanto non è più; il futuro non esiste in quanto non è ancora; e il presente attimo dopo attimo diventa passato, e se così non fosse sarebbe eternità e non presente. Quindi il tempo non esiste. Ma semplicemente il passato viene visto come memoria, il futuro come aspettativa e il presente come percezione.

Celebre è la sua affermazione sulla natura di questa dimensione dell’universo: “Che cos’è dunque il tempo? Se nessuno me lo chiede, lo so; se voglio spiegarlo a chi me lo chiede, non lo so più. E tuttavia io affermo tranquillamente di sapere che se nulla passasse non ci sarebbe un passato, e se nulla avvenisse non ci sarebbe un avvenire, e se nulla esistesse non ci sarebbe un presente.” (Le Confessioni, Libro XI).

Einstein e il tempo

La teoria migliore che abbiamo sul tempo è quella presente nella teoria della relatività generale di Einstein. Il dibattito sulla natura del tempo è stato appannaggio di filosofi e teologi almeno fino a Newton, quando diviene anche e soprattutto un tema scientifico. Newton descrisse come gli oggetti si muovono e si comportano sotto l’influenza di forze, e siccome ogni movimento e ogni cambiamento richiedono il concetto di tempo, dovette includere il tempo nella sua descrizione matematica della natura. Il tempo newtoniano, però, è assoluto e inarrestabile, scorre a velocità costante come se fosse regolato da un invisibile orologio cosmico.

Einstein rivoluzionò la fisica spiegando la profonda relazione che intercorre tra lo spazio e il tempo, dimostrando che il tempo non è assoluto ma varia, rallentando o accelerando, in base alla velocità. Dal punto di vista della nostra soggettività la costruzione teorica di Einstein, per altro confermata sperimentalmente innumerevoli volte, non ha alcun impatto. La nostra percezione del tempo è chiara, soggettiva e innata. Quando ci divertiamo o facciamo qualcosa che ci appaga profondamente il tempo sembra scorrere velocissimo, mentre se partecipiamo ad una riunione di condominio oppure siamo sotto i ferri del dentista, il tempo sembra dilatarsi e scorrere più lentamente.

Ancora da giovanissimi il tempo sembra scorrere molto più lentamente che per una persona anziana, la data del compleanno o delle vacanze sembra non arrivare mai, mentre per una persona avanti con gli anni il tempo sembra volare. In realtà sappiamo che il tempo scorre sempre con la stessa “velocità”, soltanto che, nell’esempio precedente, un anziano è maggiormente cosciente di come si sia ridotto la sua aspettativa di futuro.

Aneddoti a parte noi percepiamo il tempo nello stesso modo di come lo ha descritto Newton, assoluto ed esterno. Quello che mette in crisi questa visione del tempo, lo incontriamo quando cerchiamo di misurare il suo scorrere. Quando vogliamo descrivere la velocità di un certo processo o contiamo il numero di eventi in ogni unità di tempo oppure misuriamo il cambiamento per unità di tempo. Misurare la velocità con il quale il tempo cambia però rappresenta un’operazione senza senso, perché non possiamo confrontare il tempo con se stesso.

La velocità e il tempo

Eppure il tempo scorre e questo è indubitabile. Le leggi della fisica non dicono niente sullo scorrere del tempo. Sappiamo soltanto che il tempo come lo spazio, esiste, quasi a prescindere. Alcuni fisici azzardano che ancora dobbiamo scoprire qualche legge fondamentale della natura in grado di spiegare questo mistero.

Il fatto che, indifferentemente da chi e dove osserva, la velocità della luce abbia sempre lo stesso valore ci costringe ad accettare l’idea che l’intervallo di tempo tra due eventi avrà diversi valori per osservatori diversi. In altri termini dobbiamo metabolizzare il fatto che la velocità del tempo è relativa e non assoluta.

Il tempo a bordo di un’astronave che viaggia a tre quarti della velocità della luce rispetto a qualche osservatore terrestre passerà il 50% più lento del tempo dell’osservatore. Cioè, ogni minuto che l’osservatore vede passare sull’orologio dell’astronave ci mette 90 secondi a passare, secondo l’orologio dell’osservatore. Queste differenze che a velocità relativistiche sono macroscopiche, possono essere misurate attraverso orologi atomici estremamente precisi, anche a velocità molto minori.

La dilatazione del tempo

Un’astronave che viaggia a 40.000 km orari perde qualche nanosecondo ogni secondo, entità infinitesimali ma perfettamente misurabili. Il rallentamento del tempo ad altissime velocità è conosciuto come con il nome di “dilatazione del tempo”. In fisica la dilatazione del tempo, in accordo con la teoria della relatività ristretta, è il fenomeno per cui la durata di un medesimo evento risulta maggiore se misurata in un sistema di riferimento in moto rispetto a quello assunto come solidale con l’evento. La dilatazione temporale diventa rilevante solo se la velocità relativa tra i due sistemi di riferimento è una frazione significativa (> 10%) della velocità della luce nel vuoto.

Il tempo e la gravità

Lo scorrere del tempo è però influenzato oltre che dalle velocità relativistiche anche dalla gravità. L’attrazione gravitazionale di grandi masse, come quelle di un pianeta, hanno l’effetto di far scorrere il tempo più lentamente, che nello spazio vuoto, lontano da altri corpi celesti. Più grande è l’oggetto, più forte è il campo gravitazionale, più marcato è l’effetto “rallentante” sul tempo. Possiamo misurare con strumenti ad altissima precisione questo fenomeno anche sul nostro pianeta, chi vive in montagna invecchia più lentamente di chi vive sul livello del mare. Nella pratica questo scostamento è davvero infinitesimale visto che parliamo di un dislivello di qualche migliaio di metri.

Perfino a 400 chilometri di altezza, che è l’orbita tipica dei satelliti, l’attrazione gravitazionale è al 90% di quello che sarebbe sulla superficie terrestre (ricordiamo che i satelliti rimangono in orbita senza cadere non grazie all’assenza di gravità ma per il fatto che sono in caduta libera attorno alla Terra). Quindi, ricapitolando, lo scorrere del tempo è influenzato sia dalla relatività generale che da quella ristretta, sia dalla velocità che dall’attrazione gravitazionale. In certe situazioni le due diverse “dilatazioni del tempo” possono compensarsi.

Un celebre esperimento

La combinazione di questi effetti è stata dimostrata da un esperimento tra i più celebri della storia della fisica, noto come «esperimento di Hafele-Keating», dal nome dei due fisici che lo idearono e lo portarono a termine nell’ottobre del 1971. Per chi vuole saperne di più può cliccare qui. Qualcuno affrontò in termini più scherzosi il complicato intreccio tra i diversi influssi dei costrutti teorici einsteniani sullo scorrere del tempo.

È quello che fece Frank Borman, che insieme a James Lovell e William Anders, costituiva l’equipaggio dell’Apollo 8, questi astronauti furono i primi a vedere il pianeta Terra nella sua interezza, e anche i primi a vedere la faccia nascosta della Luna. Al rientro sulla terra Frank Borman sostenne che tutto l’equipaggio era più vecchio di quanto sarebbe stato se non fosse partito per la missione spaziale.

Apparentemente questa affermazione contraddice il fatto che viaggiando ad alta velocità, persino non a velocità relativistiche, lo scorrere del tempo, impercettibilmente rallenta. La ragione per cui l’effetto è quello opposto è esattamente l’interazione sottile tra i due effetti relativistici sul tempo. Globalmente, i tre astronauti invecchiarono di circa 300 microsecondi in più degli abitanti terrestri. Un microsecondo è un’unità di tempo pari ad un milionesimo di secondo.

Il tempo a bordo dell’Apollo 8 va più veloce o più lento che sulla Terra, a seconda di quanto è lontana la navicella dal pianeta. Per le prime migliaia di chilometri, mentre si allontana, la gravità della Terra non è ancora sufficientemente debole da far accelerare il tempo a bordo, e la velocità dell’Apollo rispetto alla Terra risulta essere il fattore dominante, il che provoca un rallentamento del tempo degli astronauti, che invecchiano più lentamente dei loro colleghi al suolo. Ma quando si allontanano dalla Terra, gli effetti dell’attrazione gravitazionale diminuiscono e il tempo sull’Apollo inizia ad accelerare, il che significa che gli effetti della relatività generale si impongono su quelli della relatività ristretta. Il “saldo” di questi due contrastanti effetti era appunto un invecchiamento aggiuntivo pari a 300 microsecondi.

Insomma il tempo è ancora un “pozzo” pieno di misteri e la sua natura sfuggente ci è tutt’altro che chiara, ma come sempre la ricerca continua e non demorde, anche di fronte a muri che possono sembrare insormontabili.

Fonti:

Sant’Agostino, “Le confessioni”

alcune voci di Wikipedia

La fisica del diavolo di Jim al Khalili

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Natale Seremia

Appassionato da sempre di storia e scienza. Divoratore seriale di libri. Blogger di divulgazione scientifica e storica per diletto. Diversamente giovane. Detesto complottisti e fomentatori di fake news e come diceva il buon Albert: "Solo due cose sono infinite: l’universo e la stupidità umana, riguardo l’universo ho ancora dei dubbi."

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