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E’ possibile viaggiare nel tempo?
Un grande scienziato, Paul Davies, spiega come si puo’ viaggiare nel passato e nel futuro: con una macchina che crea strade cosmiche verso tempi lontani. E l’ha anche progettata, sfruttando solamente tecnologie gia’ conosciute
Davies, probabilmente il fisico più famoso dopo Stephen Hawking, lo scienziato inglese ha ideato la prima macchina del tempo, e ha scritto come costruirla nel suo ultimo libro. La macchina non è ancora stata realizzata, perché ci sono prima da risolvere un po’ di problemi tecnici e politici, ma il progetto è già pronto.
Anche gran parte dei pezzi che la compongono esistono già, sparsi nei più avanzati laboratori di ricerca di tutto il mondo. Paul Davies parla dei viaggi nel tempo come di un’ opportunità che non abbiamo ancora sfruttato per pigrizia, come se la macchina fosse già pronta a far partire i primi “temponauti”. Il punto di partenza è il concetto che il tempo è una dimensione variabile, come lo sono le tre spaziali. Si tratta dell’ idea centrale della Teoria della Relatività, formulata da Einstein nel 1905, per questo, secondo Davies, abbiamo in mano addirittura da quasi un secolo la formula per viaggiare nel tempo. “La Teoria della Relatività ci fornisce ben due metodi per viaggiare nel futuro.
Il primo è muoversi ad alta velocità, sfruttando la distorsione del tempo dovuta al moto, prevista dalla Relatività ristretta. Se disponessimo di un’ astronave che viaggiasse al 99,99999 per cento della velocità della luce, potremmo raggiungere l’ anno 3000 in meno di sei mesi”. Questo tipo di viaggio è una conseguenza della Relatività, che ha a che fare con il celebre paradosso dei gemelli, una conseguenza poco intuitiva della teoria einsteiniana. Uno di due gemelli, Castore, parte per un viaggio spaziale a una velocità vicina a quella della luce, il fratello Polluce resta a casa. Castore raggiunge la sua meta, distante dieci anni luce, e torna subito indietro con la stessa velocità.
Per Polluce, che è rimasto a Terra, sono passati poco più di vent’ anni, tanto infatti ha impiegato il fratello a percorrere 20 anni luce a una velocità vicinissima a quella della luce. Per Castore invece, che era in viaggio, il tempo è trascorso molto più lentamente. La Relatività infatti ci dice che aumentando la velocità il tempo rallenta. Per Castore sono passati solo tre anni, quindi, quando torna a Terra, si ritrova ad aver fatto un salto di 17 anni nel futuro. Queste teorie prevedono che si possa viaggiare a velocità molto vicine a quella della luce. Ma nella realtà è possibile raggiungere velocità così elevate ? Non c’ è nulla che lo vieti, è solo un problema di costi. Per accelerare un carico di 10 tonnellate al 99,9 per cento della velocità della luce sono necessari dieci miliardi di miliardi di joule, una quantità di energia equivalente all’ intera produzione energetica dell’ umanità di diversi mesi”.
Avvicinarsi ulteriormente ai 300mila chilometri al secondo della luce diventa ancora più costoso. Quindi se avessimo a disposizione il capitale necessario potremmo partire verso il futuro ? “Non escludo che ci si riesca. Esistono nello spazio fonti di energia illimitate che basterebbe decidere di sfruttare. In realtà si tratta di un problema politico: decidere di investire nella ricerca e sviluppo delle tecnologie per sfruttare le fonti energetiche che abbondano nello spazio.
Ma c’ è un altro problema. I viaggi nel tempo fatti con il sistema dell’ alta velocità possono solo andare nel futuro, e non tornare indietro. Infatti se la nostra superastronave una volta arrivata nel tremila rifacesse il viaggio a ritroso, otterrebbe solo di fare un ulteriore salto nel futuro terrestre”. Questo perché il salto nel tempo non è dato dalla direzione del moto, ma solo dalla velocità a cui si viaggia. Qual è il secondo metodo previsto dalla Relatività ? “È suggerito dalla Relatività generale, formulata da Einstein nel 1908, che estende la Relatività ristretta e include gli effetti della gravità sullo spaziotempo. La sorprendente conclusione di questa teoria è che la gravità rallenta il tempo.
E noi possiamo verificarlo. Per esempio, la forza gravitazionale della Terra rallenta gli orologi di un microsecondo ogni trecento anni. Nel 1976 i fisici Robert Vessot e Martin Levine lanciarono nello spazio con un razzo un orologio e videro che questo guadagnò un decimo di microsecondo rispetto a orologi uguali rimasti sulla Terra. Per spostarsi nel futuro, basterebbe sfruttare campi gravitazionali molto più intensi di quello terrestre, come quelli esercitati dalle stelle di neutroni. Sono stelle che, avendo esaurito il combustibile, si contraggono a causa della loro massa riducendosi a una piccolissima frazione del volume originario, ma mantengono una massa elevatissima; alcune di esse sono poco più grandi di una nostra città, ma hanno una massa superiore a quella del Sole.
La loro gravità è talmente elevata che i loro atomi sono ridotti a una poltiglia di neutroni. Una gravità tanto forte provoca sugli orologi una distorsione temporale molto più percettibile di quella della gravità terrestre: sette anni su una stella di neutroni corrisponderebbero a dieci sulla Terra. Basterebbe quindi raggiungere con la nostra astronave una stella di neutroni (per esempio quella che si trova nella Nebulosa del Granchio) per compiere un consistente balzo in avanti nel tempo. Il problema è costruire un mezzo capace di resistere alle condizioni proibitive presenti in prossimità di una stella di neutroni. E anche in questo caso non potremmo comunque tornare indietro dal futuro”.
E se volessimo visitare il passato ? “La Relatività consente anche il viaggio nel passato. Per la Relatività generale, infatti, lo spazio tempo può essere curvato fino al punto di riconnettersi con se stesso, e quindi creare “curve chiuse” sia nello spazio sia nel tempo. Il primo a tracciare curve temporali chiuse fu un amico di Einstein, il matematico austriaco Kurt Goedel. Risolvendo le equazioni della Relatività che descrivono i campi gravitazionali, scoprì che nello spazio era possibile trovare orbite che si avvolgono a spirale in un universo in rotazione. La sua soluzione presupponeva però che l’ universo fosse in rotazione, mentre oggi si ritiene che l’ universo non ruoti.
Tuttavia, ha il merito di dimostrare che la Teoria della Relatività non esclude che una particella di materia, e quindi in teoria anche un essere umano, possa raggiungere il passato e tornare indietro dal futuro”. Goedel scrisse infatti: “Effettuando un percorso di andata e ritorno a bordo di un’ astronave lungo una rotta sufficientemente ampia, è possibile viaggiare in qualunque regione del passato, presente e futuro e tornare indietro”. Dopo aver letto i risultati dell’ amico matematico, Einstein confessò che la prospettiva di uno spaziotempo che permettesse curve temporali chiuse, e quindi di tornare indietro nel tempo, lo aveva tormentato durante la formulazione della Teoria della Relatività generale. L’ idea di Goedel però si basa su un presupposto sbagliato, quello dell’ universo in rotazione.
Come facciamo a visitare il passato, allora ? “La rotazione di Goedel non è l’ unico modo per fare visita ai nostri nonni. Una delle idee più recenti è il wormhole (cunicolo di tarlo), termine coniato dall’ astrofisico americano John Wheeler, che ha anche battezzato i buchi neri. Un wormhole è una “scorciatoia” nella struttura dello spazio che permette di collegare due punti molto distanti, prima che la luce abbia avuto la possibilità di arrivarci, e quindi è un modo per andare indietro nel tempo attraverso una scorciatoia nello spazio”. La velocità della luce infatti è un limite invalicabile. Niente, neppure le informazioni, possono muoversi più velocemente. Quindi se noi riuscissimo ad arrivare in un posto prima che siano arrivate le notizie del nostro punto di partenza compiremmo un viaggio a ritroso nel tempo.
Perché dopo un po’ che siamo arrivati verremmo raggiunti dal nostro passato, o se si preferisce, ci raggiungerebbero le informazioni del tempo in cui siamo partiti. Ma come facciamo a raggiungere un punto prima delle informazioni, se queste viaggiano alla velocità della luce ? Prendiamo una scorciatoia che la luce non conosce e facciamo meno strada. I wormhole sono proprio questo: scorciatoie tra due punti dell’ universo che la luce non percorre. Ma è possibile creare wormhole a piacere? Dalla fantascienza alla scienza: nel romanzo Contact scritto dall’ astrofisico americano Carl Sagan negli anni Ottanta, reso poi noto dall’ omonimo film con Jodie Foster, un gruppo di scienziati riceve un messaggio radio proveniente da una civiltà aliena più avanzata. Il messaggio contiene le istruzioni per costruire una macchina capace di creare un wormhole tra la Terra e la stella Vega, distante ventisei anni luce.
Nella storia la protagonista sale a bordo di una capsula e viene inghiottita in un turbine simile a una gigantesca centrifuga per poi sfrecciare in una galleria e riemergere al centro della galassia, dove si trova Vega, in pochi minuti. Nel romanzo Sagan non aveva approfondito in dettaglio come si potesse creare un simile tunnel. Chiese così al suo amico Kip Thorne, fisico teorico del Caltech in California, se la sua fantasiosa idea di sfruttare un wormhole come scorciatoia nello spaziotempo fosse fondata. Stimolati dalla fantasia scientifica di Sagan, Thorne e i suoi collaboratori si misero a studiare i dettagli del funzionamento di questo tipo di wormhole, che collega due regioni distanti nello spaziotempo. Alla fine riuscirono a creare modelli teorici di wormhole che rimanessero aperti abbastanza a lungo da essere attraversati da un lato all’ altro da un “temponauta”, senza che venisse annientato dalle immense forse gravitazionali interne. Serviva qualcosa che si opponesse alla forza di gravità e tenesse il wormhole aperto.
La soluzione di Thorne fu l’ antigravità. La materia anti gravitante (prevista fra l’ altro dalla stessa Teoria generale della Relatività) permette di tenere aperto il wormhole. I modelli di Thorne e colleghi non trovarono ostacoli da parte delle teorie fisiche note, e questa ricerca generò una quantità di studi che tuttora proliferano. Uno di questi è l’ idea di Paul Davies di costruire una macchina che crei in laboratorio i wormhole necessari a viaggiare nel tempo. Paradossi storici: la possibilità di visitare il passato crea veri paradossi, affascinanti e apparentemente impossibili da risolvere. Il più semplice è questo: un viaggiatore torna nel passato e uccide sua madre ancora bambina. Quindi non sarebbe più potuto nascere e neanche commettere l’omicidio. I paradossi mettono in crisi il concetto di causalità, cioè le relazioni tra causa ed effetto, e quindi la scienza. Stephen Hawking ha messo una toppa al problema con la sua “congettura della protezione cronologica”: la natura troverà sempre il modo per impedire i viaggi nel passato.
Paul Davies invece accetta che eventi successivi possano influire su eventi precedenti, ma postula che le linee temporali si possano chiudere solo tra eventi che non creino problemi di causalità. Un esempio è quello di un ricco signore la cui fortuna deriva da un benefattore che aiutò la sua bisnonna un secolo prima. Con la macchina del tempo parte per scoprire chi è il benefattore. Una volta incontrata la bisnonna, le rivela la propria identità di viaggiatore del tempo e le mostra un giornale che ha portato dal futuro. La bisnonna legge il listino della borsa ed investe di conseguenza. Gli investimenti sono l’origine della fortuna del ricco signore, che scopre così di essere il benefattore di se stesso. Questo per Davies non è problematico. Quello del viaggiatore che uccide sua madre invece è irrisolvibile, quindi nessuno può uccidere un suo antenato. David Deutsch, esperto di viaggi nel tempo, risolve i paradossi con le leggi della fisica quantistica.
Nel mondo subatomico regna l’indeterminazione quantistica: un elettrone che urta un protone può deviare verso sinistra o verso destra senza una regola. Secondo alcuni fisici l’indeterminatezza si risolve con la moltiplicazione degli universi. Ogni volta che un elettrone va a destra si forma un nuovo universo con un elettrone che va a sinistra. Per Deutsch i paradossi si risolvono allo stesso modo: se un viaggiatore del passato interferisce con la storia, l’ universo si biforca in due o più rami, e la madre uccisa va a finire in un universo parallelo, non in quello da cui lui proviene. Così è stato provato che i viaggi nello spazio sono anche viaggi nel tempo: il primo a trasformare in teoria fisica l’ idea che il tempo è elastico fu Albert Einstein. Nel 1905, ancora sconosciuto 26enne impiegato con l’hobby della fisica, formulò la Teoria della Relatività ristretta. Einstein, con la sola forza della sua mente e matematica da liceo, capì che la durata del tempo fra due eventi distinti dipende dalla velocità con cui si muove l’osservatore, cioè chi osserva i due eventi. In particolare, più è alta la velocità dell’ osservatore, più lentamente scorre il tempo.
Con la scoperta di un “tempo relativo”, Einstein demolì la concezione imposta da Isaac Newton, secondo la quale il tempo era assoluto e immutabile. Fu una vera rivoluzione culturale, oltre che fisica, che introdusse una serie di possibilità che vanno contro il comune buon senso. Bizzarrie come i viaggi nel tempo, che mettono in discussione la nostra percezione del concetto di “adesso”. La stessa suddivisione del tempo fra passato, presente e futuro venne messa in discussione. La Teoria della Relatività ristretta, però, non è rimasta un esercizio mentale. Nel 1966, nei laboratori del Cern, in Svizzera, si riuscì a misurare la dilatazione temporale di Einstein. Un fascio di muoni, particelle instabili con un tempo di “vita” noto, fu lanciato a una velocità prossima a quella della luce (99,7%). Confrontando poi i tempi di “vita” delle particelle ferme con quelle accelerate si verificò che il muone fermo “vive” circa due microsecondi prima di trasformarsi in altre particelle, quello accelerato, invece, ha una vita media molto più lunga. Un altro esperimento fu effettuato nel 1971 dai fisici Joe Hafele e Richard Keating.
Piazzarono quattro orologi atomici estremamente precisi a bordo di un aereo di linea e li fecero volare attorno alla Terra, per poi paragonarne la lettura con orologi identici lasciati in laboratorio. Ebbene, sull’aereo il tempo era passato più lentamente che in laboratorio: gli orologi viaggiatori erano indietro di 59 nanosecondi, esattamente la quantità prevista dalla teoria di Einstein. 59 nanosecondi sono ininfluenti per la nostra vita: un viaggiatore abituale non invecchia più lentamente perché prende spesso l’aereo. Ma il rallentamento del tempo aumenta con la velocità. Al 50% della velocità della luce, il tempo è rallentato del 13%; al 99% della velocità della luce, un minuto si riduce a circa 8,5 secondi, il tempo è sette volte più lento. Un’astronave che viaggiasse al 99, 99% della velocità della luce impiegherebbe circa 14000 anni per attraversare la nostra galassia (100.000 anni luce di diametro).
Ma se arrivasse al 99,999999% della velocità della luce, la traversata potrebbe essere portata a termine entro i limiti di una vita umana. Paul Davies: nato a Londra nel 1946, è oggi uno scienziato di fama internazionale noto per le sue ricerche nel campo dei buchi neri, la teoria quantistica e la cosmologia. Dirige il dipartimento di Astrobiologia all’Università Macquarie di Sydney. Ha insegnato ad Adelaide, Newcastle, Cambridge e Londra, dove nel 1970, ha ottenuto il dottorato in fisica. La sua straordinaria abilità di spiegare in linguaggio semplice e scorrevole le più avanzate ipotesi scientifiche gli hanno valso popolarità anche tra il pubblico di non esperti e diversi premi come il Templeton, la Medaglia Kelvin e il Faraday.
Ha scritto oltre venti libri. Come si costruisce la macchina del tempo: a differenza delle macchine del tempo di romanzi e film, quella di Paul Davies non si sposta nel tempo, ma modifica la struttura dell’ universo per costruire un percorso chiuso nello spazio. Crea un wormhole artificiale che consente al viaggiatore di andare nel passato e tornare indietro. E può essere realizzata con le tecnologie già oggi disponibili. 1) Il primo strumento necessario per realizzare un wormhole artificiale è un collisore, cioè un acceleratore di particelle. Queste macchine permettono di ricreare le condizioni dell’ universo a circa un microsecondo dopo il Big Bang, quando la temperatura era di dieci trilioni di gradi e l’ universo era in uno stato definito plasma di quark e gluoni (particelle subatomiche). Proprio da una bolla di questa materia ad altissima energia si estraggono i wormhole “virtuali”. Questi però compaiono solo per tempi brevissimi, per poi comparire nel vuoto che si trova all’interno degli acceleratori. 2) Il passo successivo è trasformare i wormhole virtuali in reali, iniettando l’ energia sufficiente per evitare che riscompaiano. È un fenomeno noto della fisica, per esempio si utilizza nella trasmissione di onde radio.
Intorno a un elettrone girano fotoni virtuali, formando il campo elettrico. Se si accelera l’elettrone, facendolo passare in un filo, i fotoni virtuali acquistano energia e si trasformano in fotoni reali allontanandosi dal filo sotto forma di onde radio. Tuttavia, l’ energia del plasma di quark e gluoni non basta per raggiungere le temperature richieste per trasformare questa “schiuma” spaziotemporale in vero wormhole. Il secondo strumento per fabbricare la macchina del tempo di Davies è undispositivo di implosione che dà alla bolla di quark e gluoni l’ energia necessaria per comprimerla di un fattore pari a un miliardo di miliardi. Questo per elevarne la temperatura consentendo la trasformazione della bolla in un embrione di wormhole. La difficoltà non è nella quantità di energia necessaria (circa dieci miliardi di joule, la produzione di una centrale elettrica in qualche secondo), quanto nella concentrazione dell’ energia su dimensioni così piccole. 3) Per portare il wormhole dallo stato embrionale a dimensioni utili occorre utilizzare un dilatatore, che ne accresca le dimensioni e lo mantenga aperto per consentire al temponauta di passarvi senza problemi.
Per fare questo Paul Davies ipotizza di servirsi dell’ antigravità, una forza repulsiva che può essere prodotta dal cosidetto “effetto Casimir”. Due piastre conduttrici variano i campi elettromagnetici dello spazio, creando una forza repulsiva, l’antigravità appunto. 4) L’ultima fase consiste nel trasformare il wormhole, ormai portato alla taglia giusta, in una macchina del tempo. E cioè stabilire una differenza temporale permanente tra le sue estremità. Il compito è affidato al differenziatore e la tecnica suggerita è la dilatazione temporale che si osserva nell’effetto dei gemelli. Ancora una volta si ricorre a un acceleratore di particelle, in questo caso per far circolare una delle estremità del cunicolo a velocità prossime a quella della luce, per un periodo sufficientemente lungo da provocare una discrepanza temporale fra le due estremità. Così si può viaggiare indietro nel tempo. La macchina del tempo è pronta. Bisogna ancora risolvere qualche problema tecnico, ma esiste un progetto da seguire.
Adesso tocca a voi: prima di prenotarvi per un viaggio nel tempo, mettetevi alla prova cercando di risolvere un problema e due paradossi. Per questi ultimi non esiste una soluzione unica e gli scienziati hanno proposto diverse teorie per risolverli. Quali soluzioni sapreste trovare voi ? 1) Per la Teoria della Relatività, qualunque spostamento è un viaggio nel tempo, tanto più grande quanto più velocemente ci si sposta nello spazio. Quindi, se vogliamo, tutti già oggi possiamo fare viaggi nel tempo. Un volo su un normale aereo di linea è un breve viaggio nel tempo.
Il tempo di chi sta in volo, infatti, scorre più lentamente rispetto al tempo di chi resta a casa e la differenza, anche se impercettibile, è misurabile e aumenta a seconda della velocità del mezzo. Di quanto si ringiovanisce viaggiando su un aereo di linea alla velocità media di 600 km/h? Sappiate che la formula per scoprire di quanto rallenta il tempo è 1/radice quadrata di ( 1 (v/c)al quadrato) dove v è la velocità del corpo in movimento e c è la velocità della luce. 2) Quando si parla di viaggi nel tempo, tuttavia, si pensa a balzi nel passato o nel futuro più consistenti di quelli che possiamo fare con un volo aereo. Se veramente stiamo per costruire una macchina che ci farà viaggiare nel passato, come mai nessuno ha mai incontrato un suo discendente in viaggio dal futuro ?
È la domanda che si è posto Stephen Hawking. Sapreste rispondergli ? 3) Sono passati cinquant’ anni e i viaggi nel tempo sono ormai diventati un’ abitudine. Un professore di matematica del 2050, per curiosità visita il 2060 e, nella biblioteca della sua università, scopre una nuova meravigliosa soluzione alle equazioni di Einstein, pubblicata sulla rivista Physical Review da una giovane studentessa. Eccitato dalla sensazionale scoperta, torna nel 2050, cerca la studentessa, la trova fra i suoi studenti di primo anno e le descrive le soluzioni che ha trovato. La studentessa le pubblica sulla Physical Review. Qual è la vera origine della scoperta ? “Possiamo manipolare spazio e tempo allo stesso modo in cui possiamo manipolare la materia” Paul Davies. “Se i viaggi nel tempo fossero possibili, perché non siamo ancora stati invasi da turisti del futuro ?” Stephen Hawking.
