Perché il passato è differente dal futuro?

21 Ottobre 2015. Il giorno in cui Marty McFly e Doc Brown, nella famosa trilogia di Ritorno al Futuro, vanno nel futuro, cioè nel nostro presente, a partire dal loro presente, che sarebbe il nostro passato. Vivranno incredibili peripezie, che permetteranno loro di tornare al presente ovvero al passato, a partire dal futuro. Ok, io inizio ad avere mal di testa, è meglio cercare di capire perchè il passato sia differente dal futuro.

ritorno-al-futuro-marty-arriva-nel-2015-490897Per rispondere a questa domanda bisogna prima chiedersi: cos’è il tempo? In generale noi tutti abbiamo una certa familiarità con il concetto di tempo. Infatti, lo usiamo tutti i giorni per andare a lavoro o per incontrarci con qualcuno, ma in realtà l’intero concetto in generale è sfuggevole.

Il concetto stesso di tempo è basato su una particolare classe di fenomeni naturali che si ripetono indefinitamente (o quasi) come ad esempio il Sole che sorge ogni mattina, la Terra che ogni anno rivoluzionerà il Sole; il tempo è proprio la quantità che misura quante volte sono avvenuti fenomeni ripetitivi presi come riferimento.

Il modo in cui misuriamo il tempo, infatti, è strettamente legato a questa particolare classe di fenomeni: negli orologi moderni ad esempio il tempo è scandito dalle vibrazioni di un piccolo cristallo di quarzo. La nostra stessa sensazione del tempo che passa è legata al fatto che vi sono fenomeni interni al nostro stesso corpo come ad esempio il battito del cuore o il respiro.

Una volta definito cosa sia il tempo, ci si accorge che molti dei fenomeni di cui quotidianamente facciamo esperienza non sono ripetitivi, come ad esempio il fatto stesso che con il procedere degli anni invecchiamo e non siamo sempre gli stessi: sono proprio questi ultimi fenomeni che costituiscono l’intera concezione che ognuno di noi ha della direzionalità del tempo ovvero l’idea che il passato sia differente dal futuro.

Il vero problema però è che considerando, per esempio, le leggi di Newton della gravitazione o le leggi di Newton del moto,non esiste nessuna differenza fra il passato e il futuro.

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Se immaginiamo di fare un video della terra in moto di rivoluzione attorno al sole e in seguito lo riproduciamo all’indietro, scopriamo che non vi è alcuna differenza nel moto fra le due direzioni del tempo. In altre parole vedendo i due filmati non vi è alcuna possibilità di sapere a priori quale sia riprodotto nel giusto verso del tempo e quale non lo sia. Il concetto di passato e futuro in questo caso è assolutamente arbitrario.

Questo non può essere giusto! Non deve esserlo! Ogni giorno sperimentiamo che il passato è differente dal futuro! Infatti, riusciamo a ricordarci cosa abbiamo fatto stamattina appena svegli, ma non riusciamo a ricordare cosa faremo domani, dunque deve esserci sicuramente qualche problema nelle leggi della fisica concepite fino ad ora.

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Ok però non vi arrabbiate ora.

Abbiamo visto che ciò che dà al tempo una direzione sono i fenomeni che cambiano e non si ripetono pari a se stessi, tali fenomeni sono spesso chiamati proprio per questo irreversibili. Il modo con cui i fisici trattano questi eventi è strettamente legato a un concetto che è quello di entropia.

Ma cos’è l’entropia?

L’entropia è una quantità fisica che ci dice quanto è disordinato un sistema: più un sistema è disordinato, più è alta tale quantità. Non solo: è anche la misura di quanta “energia” (energia tra virgolette, perché l’entropia non si misura in Joule) serve per portare il sistema da una configurazione disordinata ad una configurazione ordinata.

Se consideriamo una scatola con tante palline in un angolo come in figura in basso, si vede bene come spostando una pallina al centro della scatola, il sistema non è più simile a come era in passato e si capisce bene che, essendo questo processo riproducibile su ogni pallina, esiste un’infinità di modi in cui il sistema possa essere ri-arrangiato modificando la visione di insieme.

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Un tipico sistema ad alta entropia è rappresentato in figura dove le palline sono sparse in modo confusionario all’interno della scatola,il risultato è che modificando la posizione di una qualunque delle palline il sistema non cambia di molto la sua configurazione iniziale (spostando a caso un oggetto in una stanza disordinata la camera rimarrà sempre disordinata, se invece lo si fa in una ordinata il cambiamento è molto più drastico).

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Vi assicuro che una pallina è stata spostata (sembra il gioco “trova le differenze”).

Ma perché l’entropia è legata al concetto di passato e futuro?

Il fatto è che, com’è naturale aspettarsi, in genere se avvengono cambiamenti “casuali” in una stanza ordinata (bassa entropia) essendo che esistono molti modi per disordinarla rispetto a quelli per ordinarla, nel tempo, si avrà che la camera tenderà a evolversi verso una stanza disordinata (alta entropia).

Questo concetto così naturale è ciò che i fisici racchiudono nella famosissima seconda legge della termodinamica: l’entropia in un sistema isolato tende ad aumentare.

È quindi impossibile in pratica tornare al punto di partenza in maniera spontanea, mi serve spendere dell’energia per riportare il sistema al punto di partenza. Tale energia è detta isteresi ed è anche un concetto fondamentale nel concetto di freccia del tempo. Infatti l’isteresi è l’energia che deve essere spesa perché il sistema torni allo stato iniziale. Questo vale sia in termodinamica, dove un sistema si evolve dall’ordine al disordine (entropia) sia in meccanica stessa con il concetto di attrito: se io faccio cadere una pallina lungo un piano inclinato e faccio risalire la pallina lungo un piano inclinato identico, quello che succede è che la pallina non arriverà alla stessa altezza iniziale. Parte dell’energia andrà persa nell’attrito tra la pallina e il piano inclinato.

In un processo irreversibile e quindi non ripetitivo, l’entropia aumenta man mano che il sistema evolve ed è proprio quest’aumento nel tempo dell’entropia che fa in modo che il passato ci sembri differente dal futuro; stessa cosa nella meccanica dei corpi: l’attrito rompe la simmetria passato-futuro.

Il mondo della fisica, con i concetti di attrito e di entropia “riconcilia” di fatto la teoria con l’esperienza reale.

Volete un esempio?

Pensiamo al video di un uovo che viene rotto in una bacinella, se esso viene riprodotto all’indietro quello che vediamo è un uovo ricomporsi e distinguiamo immediatamente che il verso del tempo nel video è stato alterato; il motivo è che siamo abituati nella vita a vedere uova che si rompono e non ricompongono cosi come a vedere le persone che invecchiano e non ringiovaniscono, in conclusione, siamo abituati a vedere l’entropia che aumenta nel tempo e non diminuisce. Questa è la differenza fra passato e futuro, tra ieri e domani.

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Se quindi per ogni reazione spontanea aumenta l’entropia, e, conseguentemente il disordine, questo implica anche che nel passato l’entropia era minore di oggi e questo lascia aperto un mistero su come faceva ad essere in questo stato di bassa entropia (essendo meno probabile che uno a maggiore entropia) e la risposta è che ovviamente l’entropia era ancora minore l’altro-ieri e così via fino al Big Bang (naturalmente questo non risolve il problema ma lo sposta).

Il Big Bang, ossia l’evento che gli scienziati ritengono abbia dato origine al nostro Universo, è stato un evento con bassissima entropia, in cui la materia era tutta racchiusa in uno spazio infinitesimo.

L’evoluzione da questa singolarità ha portato l’Universo a passare da stati a bassa entropia fino a stati di maggiore entropia, contribuendo alla formazione di galassie, pianeti e cosa ancora più importante noi; che non siamo altro che l’Universo che cerca di comprendere se stesso. Se l’entropia dell’Universo però aumenta, è anche vero che localmente in un processo fisico l’entropia “interna” può anche diminuire. Questa è anche la spiegazione per cui noi possiamo vedere strutture nell’Universo ordinate (come le galassie, le stelle, i pianeti, noi) in un mare di disordine.

Se è vero che il secondo principio della termodinamica, che non dice altro che in un processo fisico l’entropia dell’Universo aumenta, è anche vero che l’entropia finale di un corpo può diminuire alla fine del processo.

Noi viviamo in un particolare Universo che dato il suo inizio in uno stato a bassa entropia ha la caratteristica di avere una forte direzionalità del tempo. Ma il secondo principio della termodinamica fà sì che in un mare di disordine, strutture fortemente ordinate a basso disordine possano emergere. Questo però apre anche un possibile scenario di “fine” all’Universo, detta “morte entropica”: ossia la distruzione di queste strutture ordinate e l’evoluzione dell’Universo in una configurazione completamente disordinata. Una “morte entropica” appunto.

GRANDE
GIOVE.

Testo a cura di Antonio Perri, Stefano Bertacchi e Alessandro Damiano Sabatino.

Bibliografia

[1] Sean Carroll, “From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time “

 

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