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Che cos'è il tempo?

Davide Morelli

La domanda fondamentale dell’esistenza è probabilmente una sola, così come probabilmente è la risposta. È un quesito questo che può essere posto in varie forme, ognuna delle quali implica tutte le altre, cosa che peraltro è stata fatta, ed una delle domande implicite in ogni sua versione è quella sulla natura del tempo. Dotato della privilegiata condizione di precedere l’esistenza, definisce inevitabilmente la realtà. La storia della ricerca umana sulla sua natura è lunga e complessa alle orecchie come agli occhi dei profani, e qui Davide Morelli ne dà un assaggio completo.

Sed fugit interea, fugit inreparabile tempus, singula dum capti circumvectamur amore


Il concetto di tempo è talmente primitivo che non solo viene dato per scontato e non ci si fanno troppe domande sulla sua natura, ma la maggior parte delle persone nemmeno fa caso a tutto ciò e lo considera banale e privo di ambiguità. La maggior parte delle definizioni fornite da dizionari e enciclopedie della parola “tempo” sono spesso tautologiche e autoreferenziali, basandosi sul significato di termini come “istanti”, “passato/presente/futuro” e “durata”. Scienziati, filosofi e artisti si interrogano da generazioni su questa materia, arrivando solo talvolta a delle conclusioni, le quali si rivelano spesso estremamente differenti tra loro. A prima vista, sembra ovvio cosa sia il tempo: è il ticchettio dell'orologio, il girare delle pagine di un calendario. Ma in realtà queste sono solo manifestazioni fisiche accidentali del concetto di fondo. Il tempo è un ingrediente onnipresente ed essenziale nella vita quotidiana come nelle riflessioni più elevate, ma la sua natura fondamentale rimane stranamente difficile da incapsulare. Quasi duemila e cinquecento anni fa, Aristotele sosteneva che "il tempo è la più sconosciuta di tutte le cose sconosciute", e probabilmente non è cambiato molto da allora.

La fisica è l'unica scienza che si occupa di analizzare specificamente la natura del tempo, riconosciuta come una delle proprietà più difficili da comprendere del nostro universo. Essa richiede spesso livelli estremi di precisione nella misurazione del tempo, il che ha portato alla necessità di considerare il tempo come un continuum lineare privo di unità elementari indivisibili. Tuttavia, nel corso dei secoli sono state esplorate diverse concezioni e applicazioni del tempo in diverse aree della fisica.  Lo studio scientifico del tempo è iniziato nel XVI secolo grazie a Galileo Galilei ed è proseguito nel XVII secolo in Inghilterra con il lavoro di Isaac Barrow e Isaac Newton. Nella fisica non relativistica o classica, il tempo è sempre stato considerato una delle grandezze scalari fondamentali, assoluto e universale, cioè uguale per tutti in ogni parte dell'universo. Secondo Isaac Newton il tempo assoluto (talvolta noto anche come "tempo newtoniano") esiste indipendentemente da qualsiasi percezione, progredisce a un ritmo costante in tutto l'universo, è misurabile ma impercettibile e può essere veramente compreso solo matematicamente. Per Newton, il tempo e lo spazio assoluti erano aspetti indipendenti e separati della realtà oggettiva, non influenzati da eventi fisici e indipendenti l'uno dall'altro. Il tempo sarebbe continuato a esistere anche se l'universo fosse stato completamente vuoto. Sebbene il tempo assoluto sia il "vero" tempo secondo Newton, egli avverte che noi comuni mortali non siamo in grado di percepirlo direttamente ma possiamo solo misurarlo relativamente a altri oggetti e fenomeni. La concezione del tempo di Newton era sostanzialmente rimasta invariata dai tempi di Aristotele, dominò durante l'esplosione della scienza nel XVIII e XIX secolo, nonostante le obiezioni dei relativisti come Leibniz, e persistette fino a quando la teoria della Relatività del 1905 la confutò incontrovertibilmente. Nelle sue memorie Einstein scrisse: "Newton, perdonami". Va tuttavia sottolineato che la versione newtoniana è ancora un'ottima approssimazione di ciò che è il tempo e di come si comporta nel mondo in cui viviamo e di cui facciamo esperienza. 

Da quando Albert Einstein ha pubblicato la sua Teoria della Relatività (la Teoria Speciale nel 1905 e la Teoria Generale nel 1916) la tradizionale idea newtoniana di tempo e spazio assoluti è stata superata dalla nozione di tempo come una dimensione dello spazio-tempo dinamicamente curvo. Lo spazio e il tempo si fondono inestricabilmente in uno spaziotempo a quattro dimensioni, anziché nelle tre dimensioni dello spazio e in una dimensione temporale totalmente separate. Einstein (insieme gli altri numerosissimi fisici e matematici che contribuirono in maniera determinante alla teoria) capì che la velocità della luce è assoluta, invariabile e non può essere superata (e che anzi la velocità della luce è più fondamentale del tempo e dello spazio, al punto che in alcuni modelli essa è una costante adimensionale e il tempo si misura in metri percorsi dalla luce, evidenziando la sua natura emergente). Sebbene gran parte del lavoro di Einstein sia spesso considerato "difficile" o "controintuitivo", le sue teorie si sono dimostrate (sia negli esperimenti di laboratorio che nelle osservazioni astronomiche) un modello straordinariamente accurato della realtà, molto più della fisica newtoniana. Hermann Minkowski, insegnante e collega di Einstein, introdusse il concetto di tempo proprio, ovvero il tempo effettivamente trascorso tra due eventi, misurato da un orologio che passa attraverso entrambi gli eventi. Il tempo proprio dipende quindi non solo dagli eventi stessi, ma anche dal percorso compiuto dall'orologio nello spazio-tempo. Al contrario, quello che Minkowski chiamava tempo coordinato è il tempo apparente tra due eventi, misurato da un osservatore distante che assegna un tempo dipendente dalla sua posizione. Un evento è sia un luogo che un tempo e può essere rappresentato da un particolare punto nello spazio-tempo: lo spazio-tempo nel complesso può quindi essere pensato come un insieme di un numero infinito di eventi. La storia completa di un particolare punto nello spazio è rappresentata da una linea nello spazio-tempo (nota come linea del mondo), e il passato, il presente e il futuro collegati a un oggetto o un evento (cioè che possono avere un rapporto di causalità con esso) vengono rappresentati da un cono di luce tridimensionale (o diagramma spazio-temporale di Minkowski), definito dal valore limite della velocità della luce, che si interseca nel qui-e-ora e attraverso il quale corre la linea del mondo dell'oggetto. Così come siamo abituati a pensare che tutte le parti dello spazio esistano anche se non siamo lì a sperimentarle, anche tutto il tempo (passato, presente e futuro) è costantemente in essere anche se non siamo in grado di assistervi (anche se questa è soltanto l'interpretazione più diffusa). Il tempo non "scorre", quindi, ma semplicemente "è". Secondo la relatività, la percezione di un "adesso", e in particolare di un "adesso" che si muove nel tempo in modo che il tempo sembri "scorrere", nasce quindi come puro risultato della coscienza umana e del modo in cui il nostro cervello si è evoluto nel mondo che lo circondava, anche se non riflette effettivamente la realtà. Come ha osservato lo stesso Einstein, "le persone come noi, che credono nella fisica, sanno che la distinzione tra passato, presente e futuro è solo un'illusione ostinatamente persistente".

Forse ancora più interessante e sconcertante è il fatto che, sebbene gli eventi e i processi a livello macroscopico siano chiaramente asimmetrici rispetto al tempo (cioè i processi naturali hanno un ordine temporale naturale e c'è un'ovvia direzione del tempo in avanti), i processi e le leggi fisiche a livello microscopico sono interamente o prevalentemente simmetrici rispetto al tempo. Se un processo fisico è fisicamente possibile, in generale lo è anche lo stesso processo eseguito all'indietro, cosicché, se si dovesse ipoteticamente guardare un filmato di un processo fisico, non si sarebbe in grado di dire se viene riprodotto in avanti o all'indietro, poiché entrambi sarebbero ugualmente plausibili. Esiste tuttavia una legge che fa eccezione: la Seconda Legge della Termodinamica, da cui deriva la maggior parte dell'asimmetria temporale osservata a livello macroscopico. Questa legge afferma che con l'avanzare del tempo, l'entropia netta concetto didi un sistema (che può essere immaginata come il suo disordine o calore, che a livello microscopico sono la stessa cosa) isolato o chiuso aumenterà sempre (o almeno rimarrà la stessa). Il concetto di entropia e di decadimento dei sistemi ordinati è stato esplorato e chiarito dal fisico tedesco Ludwig Boltzmann negli anni Settanta del XIX secolo, sulla base delle idee precedenti di Rudolf Clausius, ma rimane un'idea difficile e spesso fraintesa. L'entropia può essere considerata, nella maggior parte dei casi, come il fatto che le cose hanno la tendenza a dividersi e disporsi disordinatamente. Tuttavia, come si dirà più avanti, non è così semplice, e un modo migliore di pensare a questo fenomeno potrebbe essere quello di una tendenza alla casualità. Va notato che, nei sistemi termodinamici NON chiusi, è possibile che l'entropia diminuisca con il tempo (molti esseri viventi possono ridurre la loro entropia a spese dell'ambiente circostante). Qualsiasi caso localizzato o temporaneo di ordine all'interno dell'universo ha quindi la natura di epifenomeno nel quadro generale di un universo che procede inesorabilmente verso il disordine. È anche forse controintuitivo, ma comunque vero, che l'entropia complessiva aumenta anche quando nell'universo si formano strutture su larga scala (ad esempio galassie, ammassi, filamenti, ecc.) e che i buchi neri, densi e compatti, hanno un'entropia incredibilmente alta e di fatto rappresentano la stragrande maggioranza dell'entropia dell'universo attuale. La maggior parte dei processi che ci appaiono irreversibili nel tempo sono quelli che iniziano, per qualsiasi motivo, in uno stato molto speciale e altamente ordinato (un uovo prima di essere rotto o strapazzato). Non c'è nulla nelle leggi della fisica che impedisca all'atto di mescolare un mazzo di carte di produrre un insieme di carte perfettamente ordinato: c'è sempre una possibilità che ciò accada, ma è solo una possibilità molto piccola. È una mera questione probabilistica: ci sono molte più possibili disposizioni disordinate di un puzzle rispetto all'unica disposizione ordinata che crea un quadro completo. Quindi, l'apparente asimmetria del tempo è in realtà solo un'asimmetria del caso: le cose si evolvono dall'ordine al disordine non perché il contrario sia impossibile, ma perché è altamente improbabile. La Seconda Legge della Termodinamica è quindi più un principio statistico che una legge fondamentale (questa è stata la grande intuizione di Boltzmann). Il che la rende anche meno innaturale,  dato che il concetto di ordine non è oggettivo. La termodinamica, quindi, sembra essere uno degli unici processi fisici NON simmetrici rispetto al tempo, ed è così fondamentale e onnipresente nel nostro universo che potrebbe essere la sola responsabile della nostra percezione del tempo come avente una direzione. Stephen Hawking ha sostenuto che anche la nostra freccia mentale del tempo dipende in ultima analisi dalla freccia termodinamica e che possiamo ricordare le cose passate solo perché formano un insieme relativamente piccolo rispetto al numero potenzialmente infinito di possibili insiemi futuri disordinati.

Nella prima metà del XX secolo è stata sviluppata una teoria fisica completamente nuova, la meccanica quantistica, oggi riconosciuta come il modello più accurato nella descrizione del mondo assieme alla relatività. Se i concetti e le previsioni della relatività sono spesso considerati difficili e controintuitivi, molti dei principi fondamentali e delle implicazioni della meccanica quantistica possono apparire bizzarri e inconcepibili, ma sono stati ripetutamente dimostrati e oggi è uno dei modelli fisici più rigorosamente testati di tutti i tempi. Una di queste implicazioni è che la maggior parte degli aspetti e delle proprietà dell'universo sono quantizzati, cioè composti da pacchetti discreti e indivisibili chiamati quanti. Se il tempo fosse quantizzato (argomento su cui non c'è un consenso unanime), è probabile che lo sia al livello del tempo di Planck (circa 10-43 secondi), la più piccola lunghezza di tempo possibile secondo la fisica teorica, che probabilmente rimarrà sempre al di là delle nostre capacità pratiche di misurazione. Essendo la relatività e la meccanica quantistica accurate alle rispettive scale di competenza ma incompatibili fra di loro,  la nostra attuale conoscenza della fisica rimane incompleta; alla base della maggior parte delle teorie che cercano di combinare la meccanica quantistica e la relatività in un'unica "teoria del tutto" c'è l'idea che lo spazio-tempo debba essere anch'esso fatto di quanti fondamentali. 

L'opinione generale dei fisici è che il tempo abbia avuto origine circa 13,8 miliardi di anni fa con il Big Bang, quando l'intero universo ha improvvisamente iniziato a espandersi da una minuscola regione infinitamente calda e densa, simile a un buco nero, in cui le leggi della fisica come le conosciamo perdono la loro validità. Prima del Big Bang lo spazio e il tempo non esistevano. Come osserva Stephen Hawking nel suo libro del 1988 "Una breve storia del tempo", anche se il tempo non è iniziato con il Big Bang e c'è stato qualcos'altro prima di esso, non è disponibile alcuna informazione a riguardo e qualsiasi evento verificatosi prima del Big Bang non può aver influenzato in alcun modo il nostro universo attuale. La mia opinione personale in merito è che la regione iniziale da cui avuto inizio l'universo (e lo spaziotempo con esso) si sia originata grazie alle fluttuazioni casuali quantistiche di campi esistenti dall’eternità e che potenzialmente il nostro universo potrebbe non essere stato il primo, bensì costituire il risultato della contrazione di uno precedente terminata con un "rimbalzo" (il Big Bounce), con il primo universo di questa catena generatosi come sopra. In ogni caso i fisici sono riusciti a ricostruire i principali eventi dell'evoluzione dell'universo, a partire dalle più piccole frazioni di secondo dopo il Big Bang. Tuttavia gli eventi che si verificarono nella cosiddetta Epoca di Planck (i primi 5,39 x 10-44 secondi dopo il Big Bang) devono necessariamente rimanere pura speculazione, almeno finché non avremo una teoria del tutto riconosciuta universalmente come valida. 

È noto che il giudizio e la percezione del tempo coinvolgono diverse parti del cervello in un sistema altamente distribuito e che la corteccia cerebrale, il cervelletto e i gangli della base sono tutti coinvolti in qualche misura. Tuttavia, esperimenti condotti su ratti a cui è stata completamente rimossa la corteccia dimostrano che possono ancora stimare con successo un intervallo di tempo di circa 40 secondi, il che suggerisce che la stima del tempo potrebbe essere in realtà un processo di livello più basso o sub-corticale. Neurotrasmettitori come la dopamina e la noradrenalina sono coinvolti in modo integrale nella nostra percezione del tempo, anche se il meccanismo esatto non è ancora ben compreso. Alcune ricerche neurofarmacologiche indicano che il cervello umano possiede una sorta di "orologio interno" (distinto dall'orologio biologico o circadiano), che viene tipicamente utilizzato per cronometrare durate comprese tra i secondi e i minuti. Sebbene il pensiero e la percezione sembrano non richiedere tempo, sono in realtà limitati dalla velocità dei processi neurologici. Malgrado ciò il cervello è in grado di superare queste disparità di velocità per ottenere una rappresentazione temporalmente unificata del mondo esterno, attraverso un processo a volte definito "legame temporale". Ad esempio, se tocchiamo il naso e le dita dei piedi nello stesso momento, il segnale proveniente dalle dita lontane deve impiegare più tempo per arrivare al cervello rispetto a quello proveniente dal naso vicino, ma noi li percepiamo come se si verificassero contemporaneamente. I neuroscienziati hanno scoperto che il nostro cervello attende circa 80 millisecondi per ricevere tutti gli input rilevanti prima di percepire un "adesso". Quindi, se la differenza di tempo tra i diversi input è inferiore a circa un decimo di secondo, il cervello è in grado di elaborare insieme i diversi input sensoriali. Se due immagini vengono proiettate in successione abbastanza veloce, non siamo in grado di dire quale sia la prima e quale la seconda. Un numero crescente di ricerche suggerisce che il cervello opera in base a una sorta di ordine e velocità previsti per gli eventi, e che le alterazioni di queste aspettative possono portare a illusioni come l'effetto kappa. Uno studio ha dimostrato che, quando un videogiocatore si abitua a un leggero ritardo nel tempo di reazione del mouse del computer e questo ritardo viene poi rimosso, può addirittura sperimentare un'inversione del giudizio di percezione temporale, sentendo come se l'effetto sullo schermo fosse avvenuto appena prima del suo comando. Quando il cervello riceve nuove informazioni dal mondo esterno, i dati grezzi non arrivano necessariamente nell'ordine necessario per elaborarli correttamente. Il cervello quindi riorganizza le informazioni e le presenta in una forma più facilmente comprensibile. Nel caso di informazioni familiari, il tempo necessario per questo processo è minimo, ma le nuove informazioni richiedono un'elaborazione maggiore e questa elaborazione extra tende ad allungare i tempi. Questo è uno dei motivi per cui l'estate di un bambino sembra durare un'eternità, mentre la routine di una persona anziana sembra scivolare via sempre più velocemente. Più il compito è familiare, meno informazioni nuove il cervello deve elaborare e più il tempo sembra passare velocemente. Anche il tasso metabolico di un animale influisce sul modo in cui percepisce il tempo. In generale, gli animali più grandi hanno un tasso metabolico più lento e per loro il tempo passa relativamente in maniera più veloce. Gli animali più piccoli, invece, tendono ad avere un metabolismo più veloce e a percepire il tempo come più lento. Alcuni studi hanno dimostrato che i piccoli animali sono in grado di distinguere eventi molto brevi e molto rapidi, e questo è uno dei motivi per cui una mosca può evitare uno schiaccianoci con tanta apparente facilità. In termini evolutivi, la capacità di percepire il tempo su scale molto piccole può fare la differenza tra la vita e la morte per gli animali piccoli e vulnerabili. Un ulteriore fattore che influenza in modo cruciale la percezione della durata del tempo è la memoria. È essenzialmente il ricordo di un evento (più specificamente il ricordo dell'inizio e della fine dell'evento) che ci permette di formarci una percezione o una convinzione sulla sua durata. La durata di un evento viene dedotta, anche se inconsciamente, dalla nostra memoria di quanto tempo fa è accaduto qualcosa, di quanto tempo fa si sono verificati l'inizio e la fine dell'evento. Non è chiaro se ciò avvenga attraverso una misura della forza di una traccia di memoria che persiste nel tempo (modello della forza della memoria temporale), o attraverso un'inferenza basata su associazioni tra l'evento e altri eventi di cui si conosce la data o l'ora (modello dell'inferenza).

Sapendo tutto ciò si hanno sicuramente i mezzi sufficienti a farsi una propria idea coerente e fondata su che cosa sia davvero il tempo, ma la conoscenza della sua vera natura costituisce probabilmente uno di quei traguardi a cui l’umanità (e probabilmente la vita intelligente in generale) si avvicinerà sempre di più senza mai raggiungere realmente. Quel che però credo sia evidente è che il tempo, un concetto la cui essenza è avvolta nel mistero e la cui maestosità ci sovrasta, sia ciò che da sempre e per sempre permea le nostre vite di significato.


We are such stuff as dreams are made on, and our little life is rounded with a sleep


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