Come costruire una macchina del tempo

L'idea di poter viaggiare nel tempo ha sempre affascinato l'umanità; nel 1895 H. G. Wells pubblicava "La macchina del tempo" in cui il protagonista faceva un viaggio nel passato e nel futuro remoti.Solo dieci anni più tardi, nel 1905, Albert Einstein, pubblica la Teoria della Relatività Speciale -basata sul concetto di insuperabilità della velocità della luce- in cui si mostra come il “tempo” possa trascorrere in modi diversi a seconda della velocità di un osservatore (è la fine quindi del concetto di contemporaneità e la genesi di un universo meno prevedibile che poi troverà piena e completa conferma nel ‘principio di indeterminazione’ della meccanica quantistica).
Nel 1915 viene invece pubblicata la Teoria Generale della Relatività (attualmente ancora la teoria più completa della Gravità) in cui si dimostra -tra le tante altre cose- che il tempo viene  “rallentato” dalla forza gravitazionale, come se fosse una sorta di “fluido” che scorre nell’alveo dello stesso universo.
Nel 1948 Kurt Godel, un famoso logico matematico, dimostra che un universo rotante può permettere i viaggi nel tempo e nel 1957 John Wheeler congettura l'esistenza di cunicoli spazio – temporali (i cosiddetti wormhole che interconnettono porzioni anche lontanissime del continuum del cronotopo).
Nel 1976 Frank Tipler, fisico – matematico, dimostra che il viaggio nel tempo è possibile nelle vicinanze di cilindri infiniti in rotazione.
Nel 1989 Kip Thorne inizia lo studio di macchine del tempo basate sui cunicoli, mentre nel 1991 J. Richard Gott III propone una macchina del tempo basata sulle corde cosmiche.
Vediamo ora meglio cosa ci dice la scienza (e, meglio precisarlo, non la fantascienza!).
Nel 2010 il professor Seth Lloyd, del MIT di Boston (USA), alla guida di un team internazionale che vede anche un professore italiano della Normale di Pisa, Vittorio Giovannetti, ha proposto una nuova “tecnologia” per i viaggi nel tempo utilizzando il teletrasporto quantistico abbinato all’ “effetto di post-selezione”; tale tecnica risulta particolarmente interessante perché eviterebbe i paradossi temporali.

Viaggi nel futuro
Per quanto riguarda la possibilità di viaggiare nel futuro essa è realizzabile muovendosi ad alta velocità (prossima o in una frazione apprezzabile di quella della luce nel vuoto, indicata con "c", cioè circa 300.000 Km/s) oppure sfruttando l'accelerazione temporale data nello spazio dalla mancanza di gravità. Infatti sia la velocità che la gravità distorcono il tempo.
Esperimenti su particelle chiamate "muoni" hanno dimostrato la realtà della dilatazione temporale dovuta alla velocità (ad una velocità pari a metà di quella della luce il tempo risulta esser rallentato del 13%), mentre è stata misurata la distorsione temporale tra la cima di una torre (alta 22.5 metri) ed il terreno: 0.000000000000257%. Si calcola che utilizzando un'astronave che viaggi al 99.99999% della velocità della luce occorrerebbero meno di sei mesi per giungere dal 2002 al 3000.
Viaggi nel  passato
Il concetto è quello di alterare il tessuto del continuum spazio-temporale (cronotopo) principalmente mediante intensissime forze gravitazionali.
Il noto fisico inglese Paul Davies, direttore anche del progetto SETI, per la ricerca di vita extraterrestre, fornisce addirittura un progetto pratico costituito da quattro elementi.
Il progetto di Paul Davies
I) Il collisore
Serve a creare un cunicolo (wormhole) spazio-temporale, che è in pratica una scorciatoia nello spazio per raggiungere immediatamente luoghi anche molto distanti. Vi sono diversi modi per creare un cunicolo ed uno è quello di utilizzare  un buco nero, ma, come è prevedibile,esso è difficilmente maneggiabile. Un modo più semplice per la nostra attuale tecnologia è invece quello di utilizzare la meccanica quantistica. Infatti lo spazio-tempo non è una superficie "piatta" e levigata come una semplicistica rappresentazione ci farebbe supporre bensì è solcata da strutture spugnose ("schiuma") che sono l'effetto della meccanica quantistica stessa sulla struttura della  gravità.Tuttavia i cunicoli spazio-temporali quantistici  compaiono e scompaiono in continuazione. Si può quindi utilizzare un acceleratore per ioni pesanti allo scopo di  creare una bolla di "plasma quark - gluoni".

II) Dispositivo di implosione
Occorre ora dare energia alla bolla creata ad esempio tramite una serie di bombe termonucleari disposte a configurazione sferica per far implodere la bolla di "quark e gluoni". Il risultato sarebbe quello di generare un minuscolo buco nero o un cunicolo spazio-temporale.

III) Il dilatatore
Successivamente occorre ingrandire il cunicolo tramite energia negativa generata -ad esempio- dal vuoto quantistico (il cosiddetto "effetto Casimir").

IV) Il differenziatore
Occorre ora generare una sorta di "differenza di potenziale temporale" tra gli estremi del cunicolo ingrandito. Si può quindi utilizzare come differenziatore sia un campo gravitazionale che un acceleratore di particelle per creare -tramite la velocità o la gravitazione- una differenza temporale tra l'ingresso e l'uscita.E' chiaro però che il viaggio nel futuro/passato avrà come date di inizio e fine quelle relative al differenziale temporale creato agli estremi del cunicolo. In pratica, se si creasse oggi (tempo zero) il cunicolo, occorrerebbe aspettare x anni per portare un'estremità ad una certa data e poi solo al tempo x si potrebbe utilizzare il cunicolo, dapprima solo per tornare nel passato di x anni.In seguito all'apertura del cunicolo si può poi attraversarlo nei due versi quando si vuole venendosi cioè a creare una sorta di vero e proprio "ponte spazio temporale".
I paradossi
Ogni qual volta si effettuano viaggi nel passato si creano -inevitabilmente- dei paradossi in quanto potrebbe essere violato il "principio di casualità", che afferma che la causa deve sempre precedere l'effetto.Facciamo l'esempio di Alberto che inventata una macchina del tempo (magari utilizzando il progetto descritto precedentemente) torna indietro nel passato ed incontra suo nonno e -magari incidentalmente- ne provoca la morte prima che quest'ultimo abbia un figlio (il padre di Alberto). E' chiaro a questo punto che lui non può più nascere: si crea quindi un paradosso di causalità.Questo tipo di problemi è stato affrontato in maniera diversi da diversi autori.Stephen Hawking e Roger Penrose (tra i più famosi cosmologi viventi) -ad esempio- pensano che esista una sorta di "censura cosmica" che impedisca di cambiare le relazioni causali e che quindi Alberto venga impedito in continuazione nella sua azione di disturbo del passato. Ad esempio, se Alberto stesse per uccidere il nonno facendogli cadere  inavvertitamente un masso sulla testa, l'azione gli sarà continuamente "impedita" da "qualcosa". Questo, però, entra in forte contrasto con il concetto filosofico di libero arbitrio ed introduce elementi di tipo teologico estranei al procedimento scientifico.
Una soluzione diversa è quella che fa riferimento alla teoria a "molti mondi" di Hugh Everett III.
Utilizzando la meccanica quantistica, Everett pensa che esistano tante copie di universi per quanti siano gli stati quantistici  associati a certi eventi. Ad esempio, si sa che un neutrone decade in altre particelle in un certo tempo medio ma non si sa l'istante esatto del decadimento. Ebbene secondo questa teoria esisterebbero tanti universi quanti sono gli "istanti fondamentali" (chiamati "crononi" e pari ognuno a 10^-43 secondi) in cui il protone decade. Quindi in ogni universo ci sarebbe un "istante" in cui il neutrone decade. Parimenti, ci sarebbero universi in cui Alberto uccide suo nonno e universi in cui questo non avviene, cosicché verrebbe meno il paradosso precedente. Alberto tornerebbe nel passato ed ucciderebbe il nonno ma da quel momento l'universo si sdoppierebbe in una "variante": un universo in cui il nonno è vivo e in cui Alberto nasce e la storia prosegue normalmente ed un universo in cui il nonno è morto e anche Alberto non nasce. Tuttavia, anche questa spiegazione contiene elementi non chiaramente comprensibili dato che non si capisce cosa e come agisca questo “quid” cosmico che “guida” gli sdoppiamenti quantistici nella direzione giusta.
In pratica, il problema dei paradossi temporali, persiste.

Conclusione

Dunque la possibilità di realizzare viaggi nel tempo è finalmente uscita dai film e dai romanzi di fantascienza per divenire patrimonio scientifico accettato dalla comunità scientifica internazionale.La teoria esiste: occorre ora individuare e realizzare una tecnologia più conveniente.La possibilità di manipolare lo scorrere del tempo offre panorami culturali completamente inediti con cui occorre familiarizzarsi e allo stesso tempo conferma la forza del ragionamento scientifico.

Bibliografia:
Paul Davies, Come costruire una macchina del tempo, Milano,  Mondatori 2003
David Deutsch, Franck Lockwood  La fisica quantistica del viaggio nel tempo, in Le Scienze n. 309, maggio 1994.

CRONONAUTI II

I paradossi dei viaggi nel tempo

Nella immagine una  deformazione della struttura del cronotopo causata dalla Terra e dal suo satellite, la Luna.

Come già scritto in un precedente articolo, i viaggi nel tempo non sono più retaggio degli scrittori di fantascienza o di qualche regista cinematografico, ma sono una possibilità, reale e concreta, offerta dalle due grandi teorie relativistiche di Albert Einstein: quella  “speciale” e quella “generale” in unione con la meccanica quantistica.
Infatti, tali teorie ci dicono che, se un corpo è soggetto ad un’alta velocità (confrontabile con quella della luce nel vuoto e cioè circa 300.000 Km/s) oppure a forti campi gravitazionali (come in prossimità di un buco nero o di una stella di neutroni),il tempo ne viene influenzato nel suo scorrere.A tale proposito dobbiamo pensare che la “velocità” con cui scorre normalmente il tempo è di 1 secondo al secondo.
Per capire un po’ meglio questo concetto assolutamente poco intuitivo dobbiamo infatti raffigurarci lo spazio –tempo (o “cronotopo”, mutuando il termine dalla geometria) come un telo perfettamente elastico e ben tirato.
Ora l’alta velocità o la gravità deformeranno questo telo facendolo flettere, ad esempio, nei dintorni di un pianeta, proprio come una palla di biliardo su un telo elastico (vedi figura).
Quindi la velocità del tempo scorre ora più lentamente: ad esempio 0.5 secondi al secondo.
Abbiamo già analizzato in un precedente articolo un modo per costruire praticamente una macchina del tempo (metodologia proposta dal fisico Paul Davies).
Ora vogliamo invece qui occuparci un po’ più approfonditamente dei paradossi che insorgono quando si ha a che fare con i viaggi nel tempo.
Infatti, supponiamo (utilizzando questa volta una situazione meno traumatica della precedente) che il nostro Alberto decida di utilizzare una macchina del tempo per tornare a fare visita a suo nonno, nel passato.
Il viaggio riesce e Alberto si trova finalmente a tu per tu con suo nonno Amilcare che però giovane e non si è ancora sposato con quella che diventerà in seguito la nonna di Alberto.
Ebbene, mentre Alberto sbalordisce il nonno con particolari che solo lui può conoscere della sua famiglia, ecco che Amilcare che è un chiacchierone e si distrae facilmente si dimentica dell’appuntamento con una bella ragazza che sarebbe potuta diventare sua moglie.
Ma la signorina indispettita dal comportamento del giovanotto non lo vuole più vedere.
Ed ecco quindi che per colpa di Alberto il nonno Amilcare non si sposerà più e di conseguenza lo stesso Alberto non sarebbe più potuto nascere.
Questo tipo di paradosso è detto di “coerenza”.Insomma una situazione obiettivamente complicata.Al di là della storiella come ci dobbiamo comportare con i paradossi temporali?
Alcuni scienziati come il celebre Stephen Hawking o Roger Penrose ritengono che qualora Alberto tenti in qualche modo di fare qualcosa che muti significativamente il passato una sorta di “censura cosmica” interverrebbe per impedirlo.Ad esempio, la voce di Alberto potrebbe “misteriosamente” affievolirsi e così la conversazione tra il potenziale (a questo punto) nonno ed il nipote potrebbe finire prima cosicché Amilcare potrebbe essere puntuale all’appuntamento con la ragazza e tutto andrebbe al meglio.Tuttavia che ne sarebbe del libero arbitrio?E poi in che modo questa censura agirebbe?Cioè come farebbe l’universo ad “accorgersi” che qualcosa non va’ e che c’è il rischio che un piccolo crono-vandalo provochi seri guai alla storia futura?Un’altra variante del paradosso, dal significato però assolutamente uguale, è quella proposta dal filosofo Michael Dummett.
Un critico d’arte torna nel passato per conoscere quelloche diventerà il più famoso pittore del futuro.Ebbene, questo pittore, quando incontra il critico fa quadri in verità molto mediocri ben lontani dai capolavori che il futuro (potrebbe?) conoscere.Ed ecco quindi che il critico d’arte che è una persona accorta, gli mostra delle stampe dei futuri capolavori.Il pittore ne è talmente entusiasta che glieli sottrae e li va  a ricopiare.Nel frattempo, il critico d’arte si deve rimbarcare nella macchina del tempo per tornare alla sua epoca e lascia quindi le copie nel passato.A questo punto si è creato un “valore” dal nulla e cioè chi ha fatto lo sforzo creativo per dipingere i capolavori?Questo paradosso è detti di “conoscenza”.Per evitare la bizzarra “censura cosmica” si è utilizzata una teoria quantistica nota come “teoria a molti mondi” che fu proposta nel 1957 da Hugh Everett III.Questa teoria ci dice che ci sono tante copie del nostro mondo quante sono le possibili variazioni quantistiche delle particelle che lo compongono.Quindi un numero altissimo.Per chiarirci le idee pensiamo quindi ad un elettrone che ruota intorno ad un protone nell’atomo di idrogeno.
Ebbene tale elettrone –secondo la meccanica quantistica- non ha un valore dell’energia ben determinato ma si può solo dire che quella energia sarà contenuta in un certo insieme di valori con una certa probabilità.L’impredicibilità della natura a livello quantistico è una caratteristica intrinseca.
Ebbene, secondo la teoria  a molti mondi, per ogni energia dell’elettrone esiste un differente universo e così per tutte le altre particelle.Quindi ci saranno mondi in cui il nonno Amilcare si sposa con la nonna di Albero e mondi in cui questo fatto non avviene più.Ebbene, Alberto nel suo viaggio nel tempo, qualora faccia perdere l’ appuntamento al  nonno, “atterrerà” in un mondo variante in cui lui non è nato e quindi non si genererà alcun paradosso temporale.Ovviamente resta da spiegare quale principio (e quali forze!) di carattere generale agiscano  per far scegliere ad Alberto l’universo “giusto”, ma comunque –in questo caso- sia il libero arbitrio che il principi odi casualità sono salvi.

Bibliografia

Paul Davies, Come costruire una macchina del tempo, Mondatori, Milano, 2003

David Deutsch, Franck Lockwood  La fisica quantistica del viaggio nel tempo, in Le Scienze n. 309, maggio 1994
Marcus Chown, The Universe Next Door, Review, London, 2003