Immagina che il tempo scorra all’indietro. Le persone diventerebbero più giovani invece che più anziane e, dopo una lunga vita di graduale ringiovanimento – disimparando tutto ciò che sanno – finirebbero come un luccichio negli occhi dei loro genitori. Questo è il tempo rappresentato in un romanzo dello scrittore di fantascienza Philip K Dick ma, sorprendentemente, anche la direzione del tempo è un problema con cui i cosmologi sono alle prese.
Mentre diamo per scontato che il tempo abbia una determinata direzione, i fisici no: la maggior parte delle leggi naturali sono “reversibili nel tempo”, il che significa che funzionerebbero altrettanto bene se il tempo fosse definito come un correre all’indietro. Allora perché il tempo va sempre avanti? E lo farà sempre?
Ha un inizio?
Qualsiasi concetto universale di tempo deve in definitiva essere basato sull’evoluzione del cosmo stesso. Quando guardi l’universo, vedi eventi accaduti in passato: ci vuole del tempo affinché ci raggiungano. In effetti, anche la più semplice osservazione può aiutarci a capire il tempo cosmologico: ad esempio il fatto che il cielo notturno è scuro. Se l’universo avesse un passato infinito e fosse di estensione infinita, il cielo notturno sarebbe completamente luminoso, pieno della luce di un numero infinito di stelle in un cosmo che è sempre esistito.
Per molto tempo gli scienziati, incluso Albert Einstein, hanno pensato che l’universo fosse statico e infinito. Da allora le osservazioni hanno dimostrato che si sta effettivamente espandendo e a un ritmo accelerato. Ciò significa che deve aver avuto origine da uno stato più compatto che chiamiamo Big Bang, il che implica che il tempo ha un inizio. In effetti, se cerchiamo una luce abbastanza vecchia, possiamo persino vedere la radiazione reliquia del Big Bang, lo sfondo cosmico a microonde. Realizzare questa misurazione è stato un primo passo per determinare l’età dell’universo.
Ma c’è un intoppo, la teoria della relatività speciale di Einstein, mostra che il tempo è… relativo: più velocemente ti muovi rispetto a me, più lentamente passerà il tempo rispetto alla mia percezione del tempo. Quindi nel nostro universo di galassie in espansione, stelle rotanti e pianeti vorticosi, le esperienze del tempo variano: tutto è passato, presente e futuro e il tempo è relativo.
Quindi esiste un tempo universale su cui tutti potremmo essere d’accordo?
Si scopre che poiché l’universo è in media lo stesso ovunque, e in media sembra lo stesso in ogni direzione, esiste un “tempo cosmico“. Per misurarlo, tutto ciò che dobbiamo fare è misurare le proprietà della radiazione cosmica di fondo. I cosmologi hanno usato questa radiazione per determinare l’età dell’universo. Si scopre che l’universo ha circa 13,799 miliardi di anni.
La freccia del tempo
Quindi sappiamo che molto probabilmente il tempo è iniziato durante il Big Bang. Ma c’è ancora una domanda fastidiosa che rimane: cos’è il tempo?
Per spacchettare questa domanda, dobbiamo esaminare le proprietà di base dello spazio e del tempo. Nella dimensione dello spazio ci si può muovere avanti e indietro; i pendolari lo sperimentano ogni giorno. Ma il tempo è diverso, ha una direzione, si va sempre avanti, mai indietro. Allora perché la dimensione del tempo è irreversibile? Questo è uno dei maggiori problemi irrisolti della fisica.
Per spiegare perché il tempo stesso è irreversibile, dobbiamo trovare processi in natura che siano anche irreversibili. Uno dei pochi concetti di questo tipo in fisica (e nella vita!) è che le cose tendono a diventare meno “ordinate” con il passare del tempo. Lo descriviamo usando una proprietà fisica chiamata entropia che codifica come è ordinato qualcosa.
Immagina una scatola di gas in cui tutte le particelle sono state inizialmente poste in un angolo (uno stato ordinato). Nel tempo cercherebbero naturalmente di riempire l’intera scatola (uno stato disordinato) e per riportare le particelle in uno stato ordinato servirebbe energia. Questo è irreversibile. È come rompere un uovo per fare una frittata: una volta stesa e riempita la padella, non tornerà più ad essere a forma di uovo. È lo stesso con l’universo: man mano che si evolve, l’entropia complessiva aumenta.
Si scopre che l’entropia è un buon modo per spiegare la freccia del tempo. E mentre può sembrare che l’universo stia diventando più ordinato, passando da un mare selvaggio di gas caldo a stelle, pianeti ed esseri umani, è tuttavia possibile che stia aumentando in disordine. Questo perché la gravità associata a grandi masse potrebbe trascinare la materia in stati apparentemente ordinati, con l’aumento del disordine che pensiamo debba essersi verificato in qualche modo nascosto nei campi gravitazionali. Quindi il disordine potrebbe aumentare anche se non lo vediamo.
Ma data la tendenza della natura a preferire il disordine, perché l’universo iniziò in primo luogo in uno stato così ordinato? Questo è ancora considerato un mistero. Alcuni ricercatori sostengono che il Big Bang potrebbe non essere stato nemmeno l’inizio, potrebbero infatti esserci “universi paralleli” in cui il tempo scorre in direzioni diverse.
Il tempo finirà?
Il tempo ha avuto un inizio, ma se avrà una fine dipende dalla natura dell’energia oscura che lo sta facendo espandere a un ritmo accelerato. La velocità di questa espansione potrebbe alla fine fare a pezzi l’universo, costringendolo a finire in un Big Rip; in alternativa l’energia oscura può decadere, invertendo il Big Bang e ponendo fine all’Universo in un Big Crunch; o l’Universo potrebbe semplicemente espandersi per sempre.
Ma qualcuno di questi scenari futuri farebbe finire il tempo? Ebbene, secondo le strane regole della meccanica quantistica, minuscole particelle casuali possono momentaneamente fuoriuscire dal vuoto, qualcosa che si vede costantemente negli esperimenti di fisica delle particelle. Alcuni hanno sostenuto che l’energia oscura potrebbe causare tali “fluttuazioni quantistiche” dando origine a un nuovo Big Bang, ponendo fine alla nostra linea temporale e iniziandone una nuova. Anche se questo è estremamente speculativo e altamente improbabile, quello che sappiamo è che solo quando comprenderemo l’energia oscura conosceremo il destino dell’universo.
Allora qual è il risultato più probabile? Solo il tempo lo dirà.
