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Stephen Hawking: Come costruire una macchina del tempo

 

Quello di viaggiare nel tempo è uno dei sogni più arditi dell’uomo. Chi non ha mai pensato che cosa farebbe se potesse tornare indietro nel tempo? Sul Daily Mail il grande cosmologo Stephen Hawking ha scritto uno splendido articolo per far capire a noi comuni mortali cosa sono le macchine del tempo secondo i fisici e la scienza. L’articolo originale è qui. Di seguito c’è la mia traduzione.

Salve. Mi chiamo Stephen Hawking, fisico, cosmologo e un po’ sognatore. Anche se non posso muovermi e sono costretto a parlare attraverso un computer, nella mia mente sono libero. Libero di esplorare l’universo e pormi grandi domande tipo: è possibile viaggiare nel tempo? Possiamo aprire un portale per il passato o una scorciatoia per il futuro? Possiamo, in definitiva, usare le leggi della natura per diventare padroni del tempo stesso?

Il viaggio nel tempo una volta era considerato un’eresia scientifica. Evitavo di parlarne per paura di venire etichettato come uno stravagante. Oggi non sono più così cauto. In effetti mi sento come la gente che costruì Stonehenge. Sono ossessionato dal tempo. Se avessi una macchina del tempo farei visita a Marilyn Monroe al massimo del suo splendore o farei un salto da Galileo quando puntò il suo telescopio verso il firmamento. Forse farei addirittura un viaggio alla fine dell’universo per scoprire come finisce l’intera storia cosmica. Per capire come questo potrebbe essere possibile, dobbiamo guardare il tempo come fanno i fisici: come una quarta dimensione. Non è difficile come sembra…

«Attraverso il wormhole lo scienziato vede se stesso com’era un minuto fa. Cosa succederebbe se lo usasse per sparare al vecchio se stesso? Ora sarebbe morto, quindi chi avrebbe sparato il proiettile?»

Ogni scolaretto diligente sa che tutti gli oggetti fisici, persino io sulla mia sedia, esistono in tre dimensioni. Ogni cosa ha una larghezza, un’altezza e una lunghezza. C’è però un altro tipo di lunghezza… Una lunghezza nel tempo. Se un essere umano può vivere fino a 80 anni, le pietre di Stonehenge sono state in circolazione per millenni; e il sistema solare durerà per miliardi di anni. Ogni cosa ha una lunghezza nel tempo così come nello spazio. Viaggiare nel tempo significa muoversi attraverso questa quarta dimensione. Per capire cosa ciò significhi, immaginiamo di fare un breve, normale, quotidiano viaggio in auto. Se guidassimo su una strada dritta ci staremo muovendo in una sola dimensione. Se dovessimo girare a destra o a sinistra avremmo aggiunto la seconda dimensione. Se poi ci trovassimo ad andare in salita o in discesa su una sinuosa strada di montagna, ecco che viaggeremmo in tutte e tre le dimensioni. Ma come facciamo sulla Terra a viaggiare nel tempo? Come possiamo trovare un sentiero nella quarta dimensione?

Concediamoci un po’ di fantascienza per qualche istante. I film sui viaggi nel tempo spesso ci mostrano enormi macchinari avidi di energia. La macchina crea un passaggio dentro la quarta dimensione, un tunnel nella quarta dimensione. Un viaggiatore del tempo, in genere un individuo coraggioso al limite dell’incoscienza e preparato ad ogni eventualità, entra nel tunnel del tempo e ne emerge chissà quando. Il concetto può essere tirato per i capelli e la realtà potrebbe essere molto lontana da questa rappresentazione, ma l’idea in se stessa non è poi così pazza. Anche noi fisici abbiamo pensato a dei tunnel nel tempo, ma ci siamo arrivati da una prospettiva diversa. Ci siamo chiesti se un portale verso il passato o il futuro sia possibile secondo le leggi della natura. Ebbene, pensiamo che lo siano. E c’è di più, abbiamo persino dato loro un nome: gallerie di tarlowormhole. La verità è che questiwormhole sono tutto intorno a noi, solo troppo piccoli da vedere. Sono davvero molto piccoli e si formano in tutti gli angoli dello spazio e del tempo. Potreste trovarlo un concetto ostico, ma restate con me.

«Un wormhole è un tunnel ipotetico previsto dalla Teoria della Relatività di Einstein che collega due punti nello spazio-tempo. Nell’immagine sopra è rappresentato dalla superficie della griglia in 3D. L’energia negativa spinge nell’imboccatura del tunnel lo spazio e il tempo che emergono in un altro universo. Rimangono oggetti puramente ipotetici dal momento che nessuno ne ha mai visto uno, ma sono stati usati in diversi film di fantascienza. In Stargate (1994), per esempio, i tunnel si estendevano tra portali tra universi; in Time Bandits (1981) la loro ubicazione era mostrata in una mappa stellare»

Nulla è liscio o pieno. Se guardate sufficientemente da vicino, scoprirete che in ogni cosa ci sono buchi e increspature. È un principio fisico di base e si applica anche al tempo. Anche qualcosa di liscio come una palla da biliardo ha piccole crepe, increspature e cavità. E’ semplice mostrare che che questo è vero per le prime tre dimensioni. Ma credetemi, è vero anche per la quarta dimensione. Anche nel tempo ci sono piccole crepe, increspature e cavità. Se scendiamo alla più piccola delle scale di grandezza, più piccola addirittura delle molecole e degli atomi, arriviamo un un luogo chiamato schiuma quantistica (quantum foam). E’ qui che esistono i wormhole. Piccoli tunnel o passaggi attraverso lo spazio e il tempo si formano continuamente, spariscono e si riformano in questo mondo dei quanti.. E collegano veramente due posti diversi e due tempi diversi.

Sfortunatamente questi tunnel reali sono larghi solo un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro (l’ordine di grandezza della lunghezza di Planck, ℓP, pari a 10-35 m). Anche se sono davvero troppo piccoli perché un uomo possa attraversarli, è qui che il concetto di macchina del tempo basata sui wormhole ci sta portando. Alcuni scienziati ritengono possibile catturare un wormhole e ingrandirlo miliardi di miliardi di volte fino a farlo diventare grande a sufficienza affinché un essere umano o persino un’astronave possano entrarvi. Disponendo di sufficiente energia e di una tecnologia avanzata, forse una galleria di tarlo gigante potrebbe addirittura essere costruita nello spazio. Non sto dicendo che sia possibile farlo, ma se lo fosse, sarebbe senz’altro un dispositivo notevole. Un’entrata potrebbe essere qui, vicino alla Terra, e l’altra a una distanza enorme, nei pressi di qualche lontano pianeta. In teoria un tunnel temporale o wormhole, potrebbe fare anche di più che portarci su altri pianeti. Se entrambe le estremità fossero nello stesso posto, separate dal tempo invece che da una distanti nello spazio, un’astronave potrebbe entrare nei pressi della Terra e uscirvi in un lontano passato. Forse dei dinosauri potrebbero essere testimoni dell’astronave che si avvicina per un atterraggio. Mi rendo conto che ragionare in quattro dimensioni non è facile e che i wormhole sono un concetto duro da digerire, ma abbiate pazienza. Ho pensato a un semplice esperimento che potrebbe rivelare se un viaggio dell’uomo attraverso un wormhole sia possibile adesso o anche nel futuro. Mi piacciono gli esperimenti semplici e lo champagne, così ho combinato due delle mie cose preferite per vedere se è possibile un viaggio nel tempo con equipaggio, dal futuro verso il passato.

«Il più veloce mezzo con equipaggio mai costruito dall’uomo fu l’Apollo 10. Superò i 40.000 km/h. Per viaggiare nel tempo dovremmo andare 2000 volte più veloci»

Immaginiamo che io dia una festa, un comitato di benvenuto per futuri viaggiatori del tempo. Ma c’è un inghippo: non lo dirò a nessuno finché la festa non è già avvenuta. Ho scritto un invito dando le esatte coordinate nel tempo e nello spazio per raggiungere la festa. Spero che qualche copia, in una forma o nell’altra, continui a girare per molte migliaia di anni. Forse un giorno qualcuno che vive nel futuro troverà il mio invito con le informazioni necessarie e userà una macchina del tempo awormhole per tornare indietro e partecipare alla mia festa, provando così che il viaggio nel tempo, un giorno, sarà possibile. Nel frattempo, i miei ospiti viaggiatori nel tempo potrebbero arrivare da un momento all’altro. Cinque… quattro… tre… due… uno. Non è arrivato nessuno. Che peccato. E io che speravo che almeno una futura Miss Universo sarebbe venuta. Allora, perché l’esperimento non ha funzionato? Una delle ragioni potrebbe essere un problema ben conosciuto coi viaggi del tempo verso il passato: quelli che noi chiamiamo paradossi. I paradossi sono una cosa divertente cui pensare. Quello più famoso è di solito chiamato “Paradosso del nonno”. Ne ho una versione nuova, più semplice, che ho chiamato “Paradosso dello Scienziato Pazzo”. Non mi piace che nei film gli scienziati siano spesso dipinti come dei pazzi ma in questo caso è vero. Questo tizio è determinato a creare un paradosso, anche al costo della vita. Immaginate che in qualche modo abbia costruito un wormhole, un tunnel temporale che lo porta a un solo minuto nel passato.

Hawking in una scena di Star Trek in una partita a poker con avversari dal passato e dal futuro. Da sinistra: Albert Einstein, Stephen Hawking, Data (di spalle) e Isaac Newton

Attraverso il wormhole lo scienziato vede se stesso com’era un minuto fa. Cosa succederebbe se lo usasse per sparare al vecchio se stesso? Ora sarebbe morto, quindi chi avrebbe sparato il proiettile? È un paradosso. Semplicemente, non ha senso. È il tipo di situazioni che fanno venire gli incubi ai cosmologi. Questo tipo di macchina violerebbe la regola fondamentale che governa l’intero universo e che non c’è modo di aggirare: le cause precedono gli effetti. Credo che le cose non possano rendere se stesse impossibili. Se potessero, allora non ci sarebbe nulla a impedire che l’intero universo degeneri in caos. Così penso che debba sempre accadere qualcosa che impedisce il paradosso. In qualche modo dev’esserci una ragione per cui il nostro scienziato non potrà mai trovarsi in una situazione dove possa sparare a un altro se stesso. E in questo caso, mi spiace dirlo, il problema è proprio il wormhole. In definitiva, penso che un wormhole di questo tipo non possa esistere. E la ragione di ciò è la retroazione o feedback . Se siete stati a un concerto rock, probabilmente riconoscerete questo fischio stridente. È un feedback (in questo caso acustico, detto effetto Larsen). La causa è semplice. I suoni entrano nel microfono. Sono trasmessi lungo i fili, resi più forti dall’amplificatore, e propagati dagli altoparlanti. Se troppo del suono degli altoparlanti torna nel microfono (potenza di innesco) viene ritrasmesso dall’impianto, venendo amplificato ogni volta. Se nessuno lo ferma, la retroazione può distruggere l’impianto acustico.

La stessa cosa succederebbe con un wormhole ma con la radiazione al posto del suono. Quando il wormhole comincia ad espandersi la radiazione naturale ci fluirebbe dentro, innescando un circolo. La retroazione diventerebbe tanto forte da distruggere il tunnel. Quindi se anche un piccolo wormhole potesse essere un giorno ingigantito, non durerebbe a sufficienza per poter essere usato come macchina del tempo. Questo è il vero motivo per cui nessuno potrà tornare indietro in tempo per la mia festa. Qualunque tipo di viaggio temporale verso il passato attraverso un wormhole o con qualunque altro metodo è probabilmente impossibile, perché altrimenti ci sarebbero dei paradossi. Così, tristemente, sembra proprio che di viaggi nel tempo verso il passato non ce ne saranno mai. Una delusione per i cacciatori di dinosauri e un sollievo per gli storici. Ma la storia non è ancora finita. Quello che abbiamo visto non rende tutti i viaggi nel tempo impossibili. Io credo nei viaggi nel tempo: quelli verso il futuro. Il tempo scorre come un fiume e sembra che ciascuno di noi sia trasportato inesorabilmente avanti dalla sua corrente. Ma il tempo è come un fiume anche in un altro senso. Scorre a diverse velocità in posti diversi, e questa è la chiave per viaggiare verso il futuro. Questa idea fu proposta per la prima volta cento anni fa da Albert Einstein. Si rese conto che ci devono essere posti dove il tempo rallenta ed altri dove accelera. Aveva assolutamente ragione, e la prova è proprio sopra la nostra testa, su nello spazio.

Si tratta del Global Positioning System, il GPS, una rete di satelliti che orbita intorno alla Terra, che rende possibile la navigazione satellitare. Questi satelliti rivelano anche che il tempo scorre più velocemente su nello spazio che qui sulla terra. Dentro ciascuno di essi c’è un orologio molto preciso. Nonostante la loro eccezionale precisione, vanno tuti avanti di circa un terzo di miliardesimo di secondo ogni giorno. Il sistema deve correggere l’anticipo, altrimenti quella piccola differenza scombinerebbe l’intero sistema, mandando i dispositivi GPS sulla Terra fuori rotta di quasi 10 km al giorno. Potete immaginarvi che confusione che causerebbe! Il problema non ha a che fare con gli orologi. Corrono più veloci perché il tempo stesso scorre più veloce nello spazio che a Terra. La ragione di questo effetto straordinario è la massa del nostro pianeta. Einstein si rese conto che la materia trascina il tempo e lo rallenta come la parte lenta di un fiume. Più pesante è l’oggetto, più trascina il tempo. Ed è a partire da questi fatti che si aprono le porte per la possibilità di viaggiare nel tempo verso il futuro. Proprio al centro della Via Lattea, a 26.000 anni luce da noi, si trova l’oggetto più pesante della galassia. È un buco nero super-massiccio che contiene una massa 4 milioni di volte quella del sole ridotta a un singolo punto dalla sua stessa forza di gravità. Più ci si avvicina al buco nero, più forte diventa la sia gravità. Avviciniamoci troppo e nemmeno la luce potrà sfuggire. Un oggetto come questo ha un effetto drammatico sul tempo, rallentandolo più di qualunque altra cosa nella galassia. Ciò lo rende una macchina del tempo naturale.

Mi piace immaginare a come un’astronave potrebbe avvantaggiarsi di questo fenomeno, orbitandogli intorno. Se un’agenzia spaziale stesse controllando la missione da Terra, vedrebbero ogni orbita completa durare 16 minuti. Ma per i coraggiosi uomini a bordo, vicini a quest’oggetto massiccio, il tempo sarebbe rallentato. E l’effetto sarebbe di gran lunga più estremo dell’attrazione gravitazionale della Terra. Il tempo per l’equipaggio scorrerebbe più lento della metà. Per ogni orbita di 16 minuti, essi sperimenterebbero un tempo di otto minuti.

Il Large Hadron Collider, la macchina più grande mai costruita dall’uomo, in un certo senso è una macchina del tempo per fasci di particelle.

Continueranno a girare in tondo, sperimentando solo la metà del tempo rispetto chiunque sia lontano dal buco nero. L’astronave e l’equipaggio viaggeranno così attraverso il tempo. Immaginiamo che rimangano in orbita intorno al buco nero per cinque dei loro anni. Altrove passeranno dieci anni. Quando torneranno a casa, tutti sulla Terra saranno invecchiati cinque anni più di loro. Dunque un buco nero super-massiccio è una macchina del tempo. Ma, naturalmente, non è proprio pratica. Rispetto ai wormhole ha il vantaggio di non provocare paradossi. In più non distruggerà se stesso in un lampo accecante di feedback.  Ma è piuttosto pericoloso. E’ molto lontano e non ci porta nemmeno molto avanti nel futuro. Per fortuna c’è un altro modo di viaggiare nel tempo, che rappresenta la nostra ultima e migliore speranza di costruire una vera macchina del tempo. Dobbiamo solo viaggiare molto, molto velocemente; molto più veloci della velocità richiesta per evitare di essere risucchiati in un buco nero. Questa possibilità ci è data da un altro strano fatto che riguarda l’universo. Esiste un limite cosmico, 300.000 chilometri al secondo, conosciuto anche come velocità della luce. Niente può superare questa velocità. È uno dei principi meglio provati della scienza. Credeteci o no, viaggiare vicini alla velocità della luce ci trasporta nel futuro.

Per spiegare il perché, fantastichiamo un po’ su un sistema di trasporto fantascientifico. Immaginate delle rotaie che girino intorno alla Terra; dei binari per un treno super-veloce. Useremo questo treno immaginario per avvicinarci il più possibile alla velocità della luce e vedere come esso diventi una macchina del tempo. A bordo ci sono passeggeri con un biglietto di sola andata per il futuro. Il treno comincia ad accelerare, sempre più veloce. Presto comincerà ad inanellare giri intorno alla Terra uno dopo l’altro. Avvicinarsi alla velocità della luce significa girare intorno alla Terra con grande rapidità: sette volte al secondo. Ma per quanta potenza abbia il treno non riuscirà mai a raggiungere effettivamente la velocità della luce visto che le leggi della fisica lo proibiscono. Possiamo invece dire che ci si avvicina, che arriva a un soffio da questa velocità ultima. A questo punto accade qualcosa di straordinario. Il tempo comincia a fluire lentamente a bordo, relativamente al resto del mondo, proprio come vicino al buco nero, solo di più. Tutto sul treno ora è al rallentatore. È una specie di protezione del limite di velocità e non è difficile rendersi conto del perché avvenga. Si immagini una bimba che corra dentro il treno nella sua direzione di marcia. La sua velocità si andrebbe a sommare a quella del treno: non potrebbe in questo modo superare la velocità della luce per errore? La risposta è no. Le leggi della natura impediscono questa eventualità rallentando il tempo a bordo del treno. La bambina non potrà correre sufficientemente veloce per superare il limite perché il tempo la rallenterà contestualmente quel tanto che basta per proteggere il limite di velocità. È da questo fatto che deriva la possibilità di viaggiare molti anni nel futuro.

Immaginiamo che il treno abbia lasciato la stazione il 1º gennaio 2050. Girerà intorno alla terra di continuo per cento anni, prima di fermarsi al capodanno del 2150. Per i passeggeri sarà passata una sola settimana perché il tempo dentro il treno è stato rallentato. Quando scenderanno troveranno un mondo molto diverso da come l’avevano lasciato. In una sola settimana avranno viaggiato 100 anni nel futuro. Naturalmente costruire un treno che possa raggiungere una simile velocità è decisamente impossibile. Tuttavia abbiamo costruito qualcosa di molto simile a quel treno: il più grande acceleratore di particelle del mondo, al CERN di Ginevra, in Svizzera.

Sepolto in profondità, in un tunnel circolare di 27 km di lunghezza, gira un fascio di migliaia di miliardi di minuscole particelle. Quando viene data energia esse accelerano da zero a 100.000 km/h in una frazione di secondo. Aumentando l’energia le particelle vanno sempre più veloci, fino a schizzare in tondo 11.000 volte al secondo, cioè quasi alla velocità della luce. Ma, proprio come il treno, non riusciranno mai a raggiungere quella velocità ultima. Arriveranno solo al 99,99% della velocità della luce. Quando ciò succede, cominciano a viaggiare nel tempo. Lo sappiamo per via di alcune di queste particelle dalla vita estremamente breve chiamate mesoni pi o pioni. Di solito si disintegrano dopo soli 2,5 centomilionesimi di secondo. Me quando sono accelerate fin quasi alla velocità della luce esse durano trenta volte di più. È proprio così semplice. Se vogliamo fare un viaggio nel tempo verso il futuro dobbiamo semplicemente andare veloci: davvero veloci; e io credo che l’unico modo in cui ciò potrà mai accadere sarà andando nello spazio. Il più veloce mezzo con equipaggio mai costruito dall’uomo fu l’Apollo 10. Superò i 40.000 km/h. Per viaggiare nel tempo dovremmo andare 2000 volte più veloci. E per farlo avremmo bisogno di un’astronave molto più grande, una macchina davvero enorme. L’astronave dovrebbe essere grande a sufficienza per trasportare l’enorme quantità di carburante necessaria a farla accelerare fin quasi alla velocità della luce. Per avvicinarsi soltanto a questo limite di velocità cosmico dovrà viaggiare sei anni interi coi motori a pieno regime.

L’accelerazione iniziale sarà lieve perché l’astronave sarà molto grande e pesante. Ma gradualmente guadagnerà velocità e presto coprirà enormi distanze. In una sola settimana raggiungerà i pianeti esterni. Dopo due anni avrà raggiunto la metà della velocità della luce e sarà molto fuori dal nostro sistema solare. Due anni dopo starà viaggiando al 90% della velocità della luce. A quasi 5000 miliardi di km dalla terra, e quattro anni dopo il lancio, l’astronave comincerà a viaggiare nel tempo. Per ogni ora trascorsa a bordo sulla Terra ne passeranno due. È una situazione simile a quella dell’astronave in orbita intorno al buco nero massiccio. Dopo altri due anni a piena spinta l’astronave raggiungerà la sua massima velocità: il 99% della velocità della luce. A questa velocità un giorno a bordo corrisponde a un anno passato sulla Terra. La nostra astronave sta veramente viaggiando verso il futuro. Il rallentamento del tempo ha un altro vantaggio. Significa che potremmo, in teoria, coprire distanze straordinarie nel corso di una vita. Un viaggio al limite della galassia richiederebbe solo 80 anni. Ma la vera meraviglia del nostro viaggio sarà il rivelare quanto strano sia l’universo. È un universo dove il tempo scorre a ritmi diversi in posti diversi; dove esistono minuscoli wormhole tutto intorno a noi; e dove, in definitiva, noi potremo usare la nostra conoscenza della fisica per diventare dei veri viaggiatori della quarta dimensione.

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