Comprendere la fisica: i viaggi nel tempo (parte 1)

Chi di voi non ha mai fantasticato a proposito di viaggi nel tempo? Cinema e la letteratura contemporanea hanno certamente dato il loro contributo alla nostra immaginazione, ma, curiosamente, scavando nella storia si scopre che questa fantasia scorrazza nella mente umana fin dai tempi più antichi.
L’attrattiva che questa idea esercita sulla maggior parte delle persone è notevole, tuttavia i viaggi nel tempo sono qualcosa che tendiamo a non prendere seriamente e, anzi, releghiamo al mondo della finzione e dell’intrattenimento. Ma abbiamo ragione di farlo? È possibile viaggiare nel tempo?

La risposta è , e per quanto possa suonarvi incredibile è stato già fatto.

Sergej Konstantinovič Krikalëv,San Pietroburgo, 27 agosto 1958, è un cosmonauta e ingegnere russo, veterano di sei voli spaziali.

Il più grande viaggiatore del tempo mai esistito è Sergej Krikalev, un astronauta russo che ha all’attivo 6 voli spaziali e un totale di 803 giorni di permanenza in orbita.

La stazione spaziale orbitante ruota intorno alla terra senza sosta ad una velocità di 28.000 km/h, circa 8 km/secondo, e a queste velocità la relatività di Einstein afferma che si sperimenta la dilatazione temporale. A conti fatti il signor Krikalev ha viaggiato nel proprio futuro di ben 0,02 secondi, nessun altro astronauta è stato in orbita abbastanza a lungo da poter dire lo stesso.

Perplessi? No, non si tratta di una semplice anomalia matematica, Sergej Krikalev ha viaggiato nel tempo a tutti gli effetti, e ora vi spiegherò come ciò sia possibile.

Nel 1887 due fisici statunitensi, Albert Michelson e Edward Morley, idearono un esperimento per misurare la velocità della luce solare rispetto alla terra. I due scienziati si aspettavano di rilevare velocità differenti in diversi periodi dell’anno. La ragione di questa aspettativa è semplice: poiché nella prima metà dell’anno la terra si allontana dal sole mentre nella seconda metà si avvicina è logico ritenere che, ad esempio, nel periodo in cui ci si avvicina le misurazioni riveleranno una velocità maggiore e viceversa. Se questa idea non vi è chiara provate ad immaginare di viaggiare in automobile durante una giornata ventosa, quando andrete controvento avrete l’impressione che il vento soffi ad una velocità maggiore, ma se invertirete il senso di marcia il vento vi sembrerà più debole. Contro ogni ragionevole previsione l’esperimento rivelò che la velocità della luce appariva costante a prescindere dal movimento terrestre. Né Michelson né Morley seppero dare una spiegazione a questo fenomeno, tuttavia il loro esperimento gettò le basi per una fra le più grandi rivoluzioni scientifiche nella storia dell’umanità.

Scorrendo le pagine della storia ci imbattiamo nei primi viaggiatori del tempo (immaginari) già fra il IV e il X secolo (d.c.) in uno scritto sacro induista chiamato “Bhagavata Purana”, che racconta le vicende del Re Kakudumi e della sua bellissima figlia Revati. Kakudumi era preoccupato di non riuscire a trovare un marito all’altezza di sua figlia, quindi fece ciò che chiunque altro avrebbe fatto: andò a trovare Brahma il creatore per sottoporre alla sua valutazione la lista dei candidati. Inaspettatamente Brahma di fronte a questa richiesta scoppiò in una fragorosa risata e spiegò che nel suo mondo il tempo scorre molto diversamente e che in quei pochi minuti passati al suo cospetto erano passati più di 4 milioni di anni terrestri. Al loro ritorno sulla terra si ritrovarono in un posto completamente nuovo, pieno di uomini deboli e stupidi, senza traccia della loro precedente civiltà. Niente lieto fine insomma.
Scorrendo le pagine della storia ci imbattiamo nei primi viaggiatori del tempo (immaginari) già fra il IV e il X secolo (d.c.) in uno scritto sacro induista chiamato “Bhagavata Purana”, che racconta le vicende del Re Kakudumi e della sua bellissima figlia Revati. Kakudumi era preoccupato di non riuscire a trovare un marito all’altezza di sua figlia, quindi decise di incontrare Brahma il creatore per sottoporre alla sua valutazione la lista dei candidati. Inaspettatamente Brahma di fronte a questa richiesta scoppiò in una fragorosa risata. Il Re imbarazzato chiese una spiegazione per tale comportamento. Brahma spiegò che nel mondo degli dei il tempo scorre molto diversamente: in quei pochi minuti passati al suo cospetto erano passati più di 4 milioni di anni terrestri, i pretendenti della principessa erano tutti morti da lungo tempo. Al loro ritorno sulla terra, Kakudumi e Revati si ritrovarono in un posto completamente nuovo, pieno di uomini deboli e stupidi, senza traccia della loro precedente civiltà. Niente lieto fine insomma.

Circa 20 anni dopo un giovane fisico chiamato Albert Einstein iniziò a riflettere su quali fossero le implicazioni di questa scoperta, la sua conclusione prevedeva che la velocità della luce (C) fosse una costante universale indipendente dal moto relativo dei corpi, e che nessun corpo dotato di massa potesse raggiungerla. In parole povere questo significa che non importa in che situazione ci si trovi, la luce viaggerà sempre alla stessa identica velocità. La teoria di Einstein prevede fenomeni alquanto bizzarri, molti dei quali sono stati verificati sperimentalmente più volte, che per essere compresi richiedono di rivoluzionare la concezione intuitiva che abbiamo di spazio e tempo, in particolare diventa necessario smettere di considerarli statici e immutabili, ma piuttosto come un’unica trama deformabile.

A questo punto probabilmente sarete un po’ confusi, analizzare insieme un esempio dovrebbe chiarirvi ogni dubbio.

Immaginiamo di osservare Einstein che fa rimbalzare una pallina sul pavimento del vagone di un treno, ogni palleggio è identico al precedente, infatti la palla viene lasciata cadere sempre dalla stessa altezza e impiega la stessa quantità di tempo a tornare indietro dopo il rimbalzo. Per comodità chiamiamo T il tempo che passa fra il lancio della palla ed il suo ritorno, e S lo spazio percorso dalla pallina tra andata e ritorno. Conoscendo T e S in un dato istante possiamo sapere a che velocità si muove la pallina utilizzando questa semplicissima equazione che tutti ricorderete.

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Dato che siamo interessati al movimento della palla rispetto alla nostra posizione considereremo il nostro punto di vista come assoluto, o stazionario, mentre quello di Einstein, che si trova dentro un vagone, sarà relativo al treno.

Nelle immagini si può osservare come le traiettorie della pallina cambino esclusivamente dal punto di vista dell'osservatore stazionario
Nelle immagini si può osservare come le traiettorie della pallina cambino esclusivamente dal punto di vista dell’osservatore stazionario
  •  SCENARIO 1: Il treno è fermo. La pallina si muove seguendo una linea verticale che parte dalla mano di Einstein e raggiunge il pavimento. Sia noi che Einstein saremo d’accordo sul valore della velocità perché rileveremo gli stessi valori di T e S ad ogni rimbalzo.
  •  SCENARIO 2: Il treno è in movimento. Dal punto di vista di Einstein la pallina continuerà a percorrere una traiettoria perfettamente verticale (come nello scenario 1), ma dal nostro essa sarà più simile ad una “V”, al movimento del rimbalzo bisogna aggiungere lo spostamento del treno. Questa volta non saremo d’accordo sulla velocità della pallina perché vedremo la pallina percorrere molta più distanza nella stessa quantità di tempo: dal nostro punto di vista la pallina viaggia più veloce.
  •  SCENARIO 3: Fin qui tutto è regolare, ma cosa succederebbe se sostituissimo la pallina con un fascio di luce che rimbalza fra due specchi? O con una pallina immaginaria che si muove esattamente a C?

Questa situazione apparentemente paradossale lascia spazio ad una sola soluzione, se la velocità è la stessa ma lo spazio percorso è diverso allora il tempo impiegato dalla pallina a completare il palleggio deve essere diverso. In parole povere il tempo scorre a “velocità” minore sul treno rispetto all’osservatore stazionario. Ma come si riflette questo sulla percezione umana?

Einstein vedrebbe il tempo scorrere a rallentatore? Vedrebbe le lancette del suo orologio decelerare? No. Non si renderebbe conto di nulla, eppure alla fine del suo viaggio il suo orologio segnerebbe un orario diverso da quelli rimasti immobili.

A conti fatti, se salissimo su un’astronave e viaggiassimo per 1 anno al 99,9% della velocità della luce, al nostro ritorno sulla terra troveremmo amici e parenti invecchiati di 22 anni!

Incredibile? Eppure non solo è tutto vero, è qualcosa che non possiamo fare a meno di considerare per rendere possibile il funzionamento di strumenti eccezionali come il GPS, infatti se non tenessimo conto della dilatazione temporale i GPS perderebbero qualche chilometro di precisione al giorno.

Se tutto questo è vero perché non costruiamo subito una macchina del tempo?

(S)fortunatamente accelerare persone, o ancora peggio astronavi, a velocità che corrispondono anche solo a minuscole frazioni di C richiede quantità di energia inimmaginabili. Basti pensare che il ciclotrone del CERN di Ginevra, per accelerare particelle infinitamente più piccole degli atomi, e quindi facilmente accelerabili, fino al 99,9999991% della velocità della luce consuma 120MW, l’equivalente 1,2 milioni di lampade da 100W.

Nonostante gli incredibili successi che abbiamo raggiunto nell’ultimo secolo pare che l’universo ponga dei severi limiti alla nostra capacità di manipolare lo spazio-tempo. Riusciremo mai a viaggiare in un futuro lontano? Nessuno può dirlo. È certo che attualmente non abbiamo conoscenze e tecnologia sufficienti per farlo, ma d’altro canto la nostra storia è da sempre ricca di sorprese.

In questo articolo ho trattato solo della possibilità di viaggi nel futuro, nel prossimo vedremo se e come è possibile tornare indietro nel tempo.

Pietro Sottile

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