Se ci sono degli scienziati da sempre in corsa contro il tempo, questi sono i fisici: dapprima hanno imparato a misurarlo, poi l’hanno assunto come parametro principale delle loro equazioni, poi, da circa un secolo, si sono imbattuti nei paradossi della teoria della relatività e della meccanica quantistica e su questi si stanno ancora confrontando. E le implicazioni non sono solo scientifiche: coinvolgono in pieno grandi questioni filosofiche ma rimettono anche in discussione concetti che sembravano inossidabili, come quello di contemporaneità o quello di consequenzialità tra cause ed effetti: concetti che hanno un evidente impatto nella vita e nella esperienza quotidiana di tutti. Ecco alcuni motivi di interesse per il dibattito che vedrà ingaggiati domani al Meeting tre star della fisica contemporanea: l’inglese Paul Davies, lo spagnolo José Ignacio Latorre e l’italiano Marco Bersanelli, che si confronteranno su “La natura del tempo, nella scienza e nell’esperienza umana”. In vista dell’incontro, ilsussidiario.net ha intervistato Latorre.
Quali sono le idee della Teoria della Relatività che più influenzano la nostra comprensione del tempo?
La definizione del tempo in fisica è profondamente collegata alla costruzione di un buon orologio. In sostanza, un orologio è un contatore di cicli di un sistema periodico. Ad esempio, consideriamo un orologio realizzato utilizzando un pendolo. Ogni oscillazione avanti –indietro della massa sospesa ci fornisce una unità di tempo. Possiamo allora misurare gli intervalli di tempo come il numero di oscillazioni fatte dal nostro pendolo in ogni intervallo. Questo esempio illustra chiaramente che cos’è un orologio, ma suggerisce anche che il nostro pendolo non potrà essere un orologio molto preciso. In effetti, le sue oscillazioni possono essere alterate dal vento, dall’attrito sul perno, dalla dilatazione del filo ecc. Un orologio migliore si può ottenere utilizzando come sistema periodico la frequenza della luce. Gli orologi atomici sono tipicamente basati sulla transizione che si verifica negli atomi di Cesio. Questi orologi funzionano così bene da permetterci di ottenere facilmente precisioni di una parte su dieci miliardi; ovvero, i nostri orologi al Cesio accumulano solo un errore di un secondo in poche migliaia di anni.
Ma cosa c’entra con questo la Teoria della Relatività?
La Teoria della Relatività di Einstein è necessaria per comprendere come il tempo viene misurato da osservatori differenti. Consideriamo un orologio a riposo e un altro in moto uniforme relativo al primo; ogni orologio è costituito da fotoni che rimbalzano tra due specchi. Einstein osserva che il fotone nell’orologio in movimento, visto da quello a riposo, percorre distanze maggiori tra ogni rimbalzo; perciò l’orologio in movimento scandisce il tempo più lentamente, visto dall’altro. La misura del tempo è relativa in quanto dipende dallo stato di moto dell’orologio. Questa idea è la chiave per correggere il tempo misurato dagli orologi atomici in orbita attorno alla Terra e quindi per consentire una elevata accuratezza dei sistemi GPS.
Anche la Meccanica Quantistica ha qualcosa da dire sul tempo?
La Meccanica Quantistica incide sulla nostra comprensione del tempo in due modi diversi, uno a livello pratico l’altro a livello filosofico. Il primo riguarda la precisione. I sistemi quantistici offrono i migliori orologi che possiamo realizzare. Recentemente, è stato dimostrato che i nuovi orologi possono operare con atomi a frequenze ottiche, consentendo precisioni di una parte su 100 milioni di miliardi. È straordinario. Quando simili orologi saranno impiegati per i sistemi di posizionamento, potremo calcolare le distanze con precisioni dei micron. Un simile livello di accuratezza cambierà senza dubbio la nostra vita quotidiana.
E il secondo livello?
È collegato alla nostra comprensione profonda del tempo. La Meccanica Quantistica stabilisce che il tempo non è un osservabile bensì un parametro nelle equazioni dell’evoluzione. Ciò significa inoltre che evolve semplicemente tra un esperimento e l’altro ma che, nel preciso istante in cui viene fatta una osservazione, lo stato del sistema collassa. Così l’evoluzione del tempo è punteggiata da una forte riduzione delle nostre informazioni. Molti scienziati concordano nel ritenere che non siamo arrivati a una piena comprensione della natura della Meccanica Quantistica, sebbene questa ci fornisca la miglior spiegazione che l’uomo abbia mai raggiunto.
Qual è il legame tra il tempo e la causalità nel mondo della fisica quantistica?
La Meccanica Quantistica stabilisce che l’evoluzione tra gli esperimenti è deterministica, cioè che obbedisce pienamente al principio di causalità. Possiamo chiederci allora se c’è posto per il libero arbitrio nella Meccanica Quantistica. È certamente vero che il collasso delle informazioni prodotto al momento delle misure è casuale per definizione. Ciò sembra aprire una finestra sul non determinismo. In realtà, a ben guardare la Meccanica Quantistica è non deterministica. Ma dobbiamo essere consapevoli che la casualità non lascia spazio al libero arbitrio. Non c’è nessun arbitrio nel lancio di una moneta. Non c’è nessun arbitrio quantistico. In anni recenti alcuni importanti scienziati hanno avanzato l’idea che la Meccanica Quantistica fornisca solo una descrizione efficace della natura alle scale di energia che ora possiamo esplorare: alle altissime energie (la scala di Planck) potrebbe verificarsi che la Meccanica Quantistica sia sostituita da una teoria pienamente deterministica. Se ciò è vero, il libero arbitrio è una pura illusione: noi non avremmo alcuna possibilità di calcolare ogni dettaglio delle nostre azioni future ed esse resterebbero determinate da quella teoria fondamentale.
Nella Meccanica Quantistica il ruolo dell’osservatore è cruciale: lo è anche nel definire e misurare il tempo?
Nella Meccanica Quantistica il tempo viene misurato come accumulo di energia in qualche apparato che è controllato da un orologio classico. Tali accumuli sono soggetti alla natura casuale delle osservazioni così come sono descritte dalla Meccanica Quantistica. Ad esempio, il tempo di arrivo delle particelle in un dato esperimento non segue uno schema sempre uguale e obbedisce a qualche indeterminazione correlata alla misura delle energie. Ciò suggerisce l’idea che buoni orologi classici sono collegati a buone misure delle energie.
Fino a che punto il fluire del tempo e i collegamenti di causa-effetto che percepiamo sono nostre elaborazioni neurologiche della realtà?
Secondo me, la nostra percezione del fluire del tempo è legata alla biologia e al delicato problema della comprensione della coscienza. E ciò non è per nulla facile. è un tema di ricerca che dovrebbe essere affrontato senza pregiudizi e in una prospettiva umile e molto oggettiva. Vale la pena ricordare che recenti esperimenti hanno rivelato che le decisioni umane possono essere anticipate fino a tre secondi monitorando il flusso di ioni con un’apparecchiatura MRI (Risonanza Magnetica per Immagini). La causalità è un argomento molto diverso. Consideriamo l’analisi approfondita di tutti i risultati di una serie di esperimenti: un primo fatto legato alla causalità è la necessaria ripetizione di risultati identici quando uno stesso esperimento viene eseguito più volte nelle stesse identiche condizioni. Finora abbiamo ottenuto impressionanti riscontri che la causalità si conserva nel mondo microscopico. Riusciamo anche a capire quale parte della Meccanica Quantistica dovrebbe essere modificata per ottenere teorie che vadano oltre e che pure conservino la causalità. Il passo che dobbiamo ancora fare è quello di connettere la causalità microscopica con quella macroscopica. A questo punto entrano in gioco chimica e biologia: c’è tanta ricerca da fare in questo campo.
(Mario Gargantini)