Secondola relatività di Einstein è possibile (almeno in teoria) viaggiare nel tempo?
(risponde Massimo Marconato)
Presumo che mi si chieda se è possibile spostarsi senza vincoli nel tempo, dato che tutti noi già viaggiamo nel tempo, o meglio lo subiamo in quanto non siamo ancora padroni di queste conoscenze. Questo argomento è sicuramente il più interessante per l'opinione pubblica, ma la confusione a riguardo è tale per cui le dichiarazioni sembrano discordanti, generando sempre più confusione! Dimostrare l'affermazione "non è possibile viaggiare nel tempo" senza utilizzare uno svolgimento matematico, è veramente un impresa degna del miglior divulgatore scientifico: non mi ritengo tale, per cui cercherò a fatica di dimostrarlo senza aumentare lo stato di confusione. Cerchiamo di figurare mentalmente un probabile viaggio nel tempo, e per fare questo, ipotizziamo di poterci spostare con un'astronave da un punto A a un punto B in una regione nell'universo impiegando un tempo minore rispetto a quello che impiegherebbe la luce (300.000 Km/s), e quindi tornare al punto di partenza A (ipotizziamo che il tragitto A e B sia piccolo). Qui noteremmo immediatamente che ci siamo spostati nello spazio e nel tempo perchè ora siamo nel nostro passato. Possiamo fare tutto questo? Il primo problema è la velocità della luce che non possiamo superare, quindi dobbiamo cercare degli espedienti che ci permettano di aggirare questo ostacolo. Oppure dobbiamo ipotizzare dei casi speciali in cui la velocità della luce può essere superata. A tutt'oggi non esiste una teoria che permetta un viaggio di questo genere. Qui di seguito sono riportate alcune teorie parziali, ma prima dobbiamo eseminare la relatività di Einstein. Il problema cruciale con la relatività è di sforzarsi a " pensare in modo relativistico",è indispensabile apprendere questo modo di osservare i fenomeni, per evitare di "annodarsi mentalmente". Senza la presa di coscienza di questo modo di pensare, NON è possibile addentrarsi nella complessa struttura creata da Einstein.
| | Schematizziamo le idee derivate dalla Relatività speciale |
| | Schematizziamo le idee derivate dalla Relatività generale |
| | Schematizziamo le ipotesi attuali (derivate dall'analisi della Relatività) |
| | Conclusione |
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Schematizziamo le idee derivate dalla Relatività speciale La velocità della luce non dipende dalla direzione di propagazione, ma ha lo stesso valore in tutte le direzioni (circa 300.000 Km/s). Questo risultato permette di sincronizzare gli orologi atomici nel mondo.
Le leggi fisiche assumono la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziale. Con questo principio fu possibile eliminare l'idea non corretta dell'esistenza di un sistema di riferimento ideale (come l'etere). Ne deriva il principio della costanza della velocità della luce:
La velocità della luce nel vuoto ha, in ogni sistema di riferimento inerziale, lo stesso valore.
Da questi principi ne consegue che il tempo non è assoluto, cioè, non esiste un sistema di riferimento inerziale nel quale il tempo sia assoluto.
Il tempo è relativo al sistema di riferimento.
Dilatazione del tempo: un orologio in moto rispetto ad altri orologi sincronizzati, fermi in un sistema inerziale, appare più lento degli altri; l'orologio in movimento "ritarda" secondo questa equazione: t=t0(1 - (v/c)2)1/2dove v è la velocità relativa dell'oggetto rispetto agli orologi fermi e c è la velocità della luce.
Da tutto ciò consegue che la velocità della luce è la velocità limite che nessun corpo può superare. Se il ritardo del nostro orologio cresce con la velocità, vediamo che quando l'orologio raggiunge la velocità limite, il tempo verrebbe ritardato fino a fermarsi, e oltre questa velocità, avremmo dalla formula del tempo un risultato negativo e immaginario. Non avendo molto significato fisico un tempo immaginario, ne deduciamo che la velocità limite non può essere superata (attualmente esiste la possibilità di dare un significato al tempo immaginario ma vi sono ancora troppi problemi). Consiglio di leggere anche la risposta del fisico Davide Del Vento alla domanda:
Nelcaso in cui si riuscisse a superare la velocità della luce, si tornerebbe indietro nel tempo, oppure questo si fermerebbe, raggiungendo i 300.000km orari? Ora poniamoci la domanda: possiamo raggiungere la velocità limite accelerando un corpo?
Supponiamo che un'astronave venga costantemente accelerata, prima o poi raggiungerebbe la velocità della luce se non fosse che per non entrare in contraddizione con i risultati della Relatività speciale occorre che la resistenza dell'astronave diventi sempre più grande all'aumentare della velocità, quindi la massa deve aumentare con la velocità.
E finalmente arriviamo alla famosa formula: E=mc2che pone una relazione tra l'energia e la massa.
Tutto ha un prezzo da pagare, e accelerare un corpo fino alla velocità limite costa energia infinita, in quanto la massa del corpo accelerato aumenta proporzionalmente con la velocità fino a divergere, e per poter compiere un lavoro su una massa infinita è necessario utilizzare un'energia infinita .
La relatività speciale NON permette "viaggi temporali", almeno non del tipo di quelli immaginati nella letteratura fantascientifica.
Riassumiamo:
La velocità ha un significato solo relativamente a un osservatore non essendoci una quiete assoluta rispetto cui misurare un moto assoluto. Nello stesso modo, non esiste né uno spazio assoluto né un tempo assoluto, perché entrambi dipendono dalla velocità e pertanto hanno significato solo in relazione all'osservatore.
Schematizziamo le idee derivate dalla Relatività generale La teoria ristretta si limita al caso particolare di corpi che si muovono a velocità costante, quindi non tiene conto dell'effetto delle interazioni gravitazionali, che impongono un moto a velocità non costante (accelerato).
Per questo Einstein nel 1916 estese la teoria.
Ipotizzò che la massa inerziale (la massa dedotta dalle misure dell'accelerazione) e la massa gravitazionale (dedotta dalle misure dell'intensità gravitazionale) fossero identiche.
Ipotizzò che lo spazio si incurvasse in presenza di massa, e che la gravitazione non fosse una forza, ma il risultato dello spostamento di corpi lungo il percorso più breve in uno spazio curvo (geodetiche).
In questo modo Einsten fondò la cosmologia moderna.
E' da questa complessa teoria che nascono, dopo una profonda analisi, tutti i lavori moderni; ritengo indispensabile la conoscenza della Relatività o del pensiero relativistico per poter capire cosa sono i Buchi Neri, le iper dimensioni, Tunnel spaziali, ecc...
Da tutto ciò ne consegue che lo "spazio-tempo" (spero che a questo punto sia chiaro che non si può parlare separatamente di spazio e di tempo) è curvo o distorto dalla distribuzione di massa e/o dall'energia. WORMHOLE (Cunicoli spazio-tempo) Tornando al problema dei viaggi nello spazio-tempo, consideriamo una delle poche soluzioni accettabili delle equazioni di campo di Einstein, ottenuta da Schwarzschild e in seguito estesa da Kerr; prendiamo ad esempio un Buco Nero (non sappiamo ancora se esistono con certezza, ma non possiamo ignorare l'estrema convinzione dei nostri astrofisici ) che è un oggetto generato dal collasso gravitazionale di una stella con particolari dimensioni: secondo la relatività generale in un Buco Nero vi deve essere una singolarità di densità (tutta la massa della stella concentrata in un piccolo punto) che curva in maniera infinita lo spazio-tempo (come una spirale senza fine); se i buchi neri esistessero davvero, sarebbe la più clamorosa conferma anche delle più straordinarie previsioni della teoria di Einstein.
E sempre secondo questa teoria, i "cunicoli" dovrebbero congiungere due regioni dell'universo, oppure due universi paralleli. Gli universi paralleli sono un idea resa plausibile dallo studio delle equazioni di Einstein le quali formano un sistema di dieci equazioni differenziali non lineari del secondo ordine, le cui soluzioni vengono chiamate "universi". Decidere quale soluzione sia fisicamente accettabile è un impresa ardua, in quanto ogni "universo" è compatibile con un assetto logico che è l'insieme delle leggi fisiche, e dato che quest'ultime sono in continua mutazione, in funzione di nuove acquisizioni di conoscenza, è probabile che gli universi che oggi rigettiamo perchè non hanno i requisiti per esserlo, trovino un domani una leggittimazione non appena questi requisiti mutano a seguito di nuove scoperte.
Quando una stella si riduce a un punto, i due universi appaiono connessi da un cunicolo la cui massima restrizione prende il nome di "gola di Einstein-Rosen".
Questo "cunicolo" ha una struttura geometrica estremamente complessa, in quanto tutta la materia della stella collassata sta ora in un volume nullo: questo è uno stato classicamente non descrivibile in termini fisici che chiamiamo "singolarità" di curvatura.
Nella teoria di Schwarzschild i cunicoli non possono essere utilizzati come passaggio per i due universi o le due regioni dello stesso universo, in quanto sono ostruiti dalla sorgente puntiforme (singolarità di densità).
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| | Cunicolo spazio-tempo, che collega due universi paralleli | | 
| | Cunicolo spazio-tempo che collega due regioni dell'universo. | F.Schein e P.C. Aichlburg dell'Università di Vienna sostengono che se le singolarità sono attraversabili, allora è possibile connettere universi distinti o regioni lontane dello stesso, con cunicoli spazio-temporali; una soluzione che descrive tali strutture si trova in Phys.Rev.Lett., 77, p. 4130, 1996 Anche Stephen Hawking afferma che un così fatto Buco Nero potrebbe fungere da "cunicolo" o passaggio per un'altra regione dell'universo,offrendo la possibilità di viaggiare nello spazio-tempo, ma è lui per primo ad ammettere che tutto ciò è molto improbabile. Riprendo i punti non chiari della teoria : non sappiamo con certezza se esistono i Buchi Neri e tanto meno sappiamo se le singolarità sono attraversabili, ma se riuscissimo ad attraversarle che cosa succederebbe?
Lo stesso Einstein affermò che la teoria della relatività generale è una teoria parziale, il che vuol dire che per fortuna, per noi fisici, di lavoro ce n'è ancora molto. Uno dei problemi che nascono dalle soluzioni delle equazioni sono i problemi degli infiniti (curvatura infinita, densità infinita, ecc....). E' proprio da questi infiniti, che dimostrano soprattutto i limiti della teoria, che nascono tutte quelle teorie che cercano di spiegare un probabile viaggio nello spazio-tempo.
Riassumiamo:
E' vero che alcune soluzioni delle equazioni della relatività generale di Einsten prevedono la possibilità di viaggiare nello spazio-tempo, ma questo NON implica che sia possibile, perché non abbiamo ancora verificato le previsioni più straordinarie della teoria . E quindi non ne conosciamo i limiti di validità.
Schematizziamo le ipotesi attuali (derivate dall'analisi della Relatività) Dopo la teoria della relatività, Einstein si dedicò senza successo alla "grande unificazione" (la teoria quantistica della relatività) per poter unire la relatività con la teoria quantistica; è soprattutto dagli ultimi sforzi di scienziati intenti a questo compito che nascono altre teorie che esaminano i "viaggi nel tempo". Poiché la formazione di una singolarità di curvatura, come risultato del collasso gravitazionale, è una conseguenza inevitabile delle condizioni di posività dell'energia (la media dell'energia di un sistema fisico, lungo tutto il corso della sua evoluzione spazio-temporale deve o per lo meno dovrebbe rimanere positiva!) , e potendo quest'ultima essere violata in un contesto quantistico, le singolarità classiche diventano strutture quantistiche non singolari nella geometria.
Quindi in un contesto quantistico della relatività è possibile che i cunicoli spazio-tempo esistano! Intanto Stephen Hawking ha dimostrato che i Buchi Neri non sono così "neri", nel senso che emettono una radiazione che con il tempo riduce la massa e quindi le sue dimensioni (una sorta di evaporazione). Sulla base di questi risultati A. Ströminger afferma che il carattere termico della radiazione fa sì che l'informazione, inizialmente codificata nelle proprietà geometriche del Buco Nero, alla fine si perda violando il principio della sua conservazione.
Poiché, dal punto di vista quantistico, le singolarità nel Buco Nero sono dei tunnel che possono portare a dei punti diversi dell'universoo in altri universi, alla fine dell'evaporazione del Buco Nero è lecito supporre che non vi sia una perdita di informazione, bensì una sua dispersione in un altro universo o da qualche altra parte del nostro. Mi spiego meglio: ipotizziamo di tuffarci in un buco nero e supponiamo di poter rimanere in vita tanto da poter osservare una sorta di scomposizione del nostro corpo in particelle elementari, ebbene secondo queste teorie le nostre particelle verranno poi diffuse dal processo di evaporazione del Buco Nero o in un universo parallelo o da qualche altra parte del nostro universo. Quindi anche con i Buchi Neri e gli Universi paralleli, in teoria, non è possibile viaggiare nel tempo o almeno non come si può osservare nei film di fantascienza! Ribadisco il concetto che i wormhole sono solo congetture teoriche. IPER-LUCE Questa teoria prende spunto soprattutto da un famoso fenomeno dell'"effetto tunnel ".
Nella meccanica quantistica, quando un oggetto in movimento urta contro una barriera un numero sufficientemente grande di volte, esiste una probabilità finita che la particella possa passare attraverso la barriera e venirsi a trovare dall'altra parte di essa.
Nel 1993 l'équipe di Raymond Chiao dell'Universitàdi Berkeley ha misurato quanto impiega un fotone ad attraversare la barriera. L'apparecchiatura utilizzata è l'interferometro di Hong-Ou-Mandel che rilevò che il tempo di attraversamento dell'ostacolo comportava una velocità superiore a quella della luce.
Purtroppo l'effetto tunnel è un effetto probabilistico, percui non possiamo conoscere a priori quanti e quali particelle sfrutteranno questo effetto. Perciò non sarebbe possibile mandare nessuna informazione utile in questo modo.
Nel tentativo di generalizzare le particelle iper-luce, alcuni fisici ipotizzano l'esistenza dei TACHIONI. TACHIONI La teoria di Einstein non dice nulla sul fatto che una particella possa nascere con una velocità superiore a quella della luce: la teoria infatti si limita a dire che la velocità della luce non puòessere raggiunta, ma non pone limiti alla velocità con cui nasce una particella. Da questa analisi alcuni fisici hanno ipotizzato l'esistenza di particelle che nascono e viaggiano a velocità superiori di quella della luce, i " TACHIONI" , anche se nessuno ancora è riuscito a vederli.
Molto istruttiva è la citazione di George Sudarshan, "E' come se uno abitasse ai piedi dell'Himalaya e affermasse che dall'altra parte non può vivere nessuno, solo perché è impossibile scalare la montagna. Dall'altra parte invece vivono quelli che ci sono nati."
Per rispettare i postulati della relatività generale i tachioni dovrebbero avere una massa negativa, quindi l'interazione gravitazionale con una massa positiva sarebbe repulsiva!
E dato che viaggiano solo a iper-luce, noi vedremmo sempre prima la loro distruzione e poi la loro creazione.
Quindi per noi, i TACHIONI dovrebbero viaggiare a ritroso nel tempo. TEORIA DELLE CORDE Poi vi è la teoria delle corde, che non suscita grandissima attenzione ma che citerò ugualmente.
Nella teoria delle corde non si parla di particelle che occupano un singolo punto, ma di "corde" che hanno una sola dimensione: la lunghezza (come un filo di larghezza infinitesima).
Le corde possono essere aperte o chiuse in anelli.
Dato che una particella occupa sempre un singolo punto nello spazio, la sua storia è rappresentabile da una linea nello spazio-tempo.
Allo stesso modo la storia di una corda è una superficie chiamata "foglio d'universo"; per una corda aperta si tratta di una striscia, mentre per una corda chiusa (anello) si tratta di un cilindro.
In questa teoria le particelle sono onde che si propagano sulle corde. La teoria, per essere coerente deve presupporre l'esistenza di molte dimensioni (si parla di dieci , venti dimensioni, ecc..)
Queste dimensioni secondo la teoria dovrebbero essere "arricciate" in piccolissimi spazi nella nostra dimensione 4-D.
Idee fantascientifiche permetterebbero di viaggiare nello spazio-tempo utilizzando "scorciatoie" che passano per dimensioni superiori.
Conclusione Tutte queste sono solo congetture, il che vuol dire che devono essere considerate solo per quello che sono: "ipotesi". Personalmente non ritengo possibile viaggiare nel tempo, e alla luce dei risultati fino ad oggi ottenuti non lo ritengo possibile nemmeno nel prossimo futuro. Una risposta definitiva la si potrebbe avere solo se qualche fisico riuscisse a trovare una teoria unificata della fisica. Mi spiego: la relatività da sola non è in grado di rispondere a una domanda di questo tipo e solo una teoria che riesca ad unire la teoria quantistica con la relatività generale potrebbe riuscirci, "ma oggi la ricerca di questa teoria assomiglia sempre di più alla ricerca del Santo Graal".(Stephen Hawking) 
Tratto dal sito vialattea.net sezione fisica |
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