SCIENZA
IL TEMPO DELL'UNIVERSO
L'esplosione (o meglio l'evento) che ha dato origine al Cosmo ha introdotto il tempo. Qual è il destino ultimo del nostro Universo? È destinato a finire? E come avverrà? Ne parliamo con il Dott. Alberto Cappi, astrofisico. Cercheremo di capire anche il legame tra tempo e “oggetti-eventi” al confine con la fantascienza: i buchi neri e i viaggi nel tempo
Tempo e mondo. Tutti noi sperimentiamo quotidianamente la sensazione del tempo che scorre. Quando siamo a una riunione o siamo fermi in colonna in autostrada ci sembra che il tempo sia interminabile, tanto che guardiamo continuamente l’orologio nella speranza che il tempo così fluisca più velocemente. Altre volte, quando passiamo una serata divertente con gli amici o guardiamo un bel film ci sembra che il tempo voli e non ci accorgiamo del suo scorrere. Allo stesso modo siamo consapevoli dell’andamento lineare del tempo: un’ipotetica freccia che dal passato va in direzione del futuro. Gli eventi che si sono svolti nel nostro passato sono destinati a rimanervi e a non tornare mai più, allontanandosi così sempre più dal nostro presente.
«È il famoso problema della freccia del tempo. - ci spiega il Dott. Alberto Cappi, astrofisico - Per quanto riguarda la sensazione dello scorrere del tempo, si tratta di un fenomeno difficile da definire in termini scientifici: ricordiamoci che, come tutte le sensazioni, dipende dalla nostra coscienza, e se la scienza è molto progredita nello studio del cervello, rimane l'elusivo e profondo problema di come dai neuroni si passi alle sensazioni di un io cosciente... Per quanto riguarda il tempo fisico, osserviamo che dal punto di vista della relatività, il tempo è una coordinata particolare che assume valori diversi a seconda dell'osservatore. Più in generale, dal punto di vista delle leggi fondamentali della fisica il tempo non ha un verso privilegiato. Eppure sperimentiamo nella vita di tutti i giorni fenomeni che avvengono in un senso e non nel senso opposto: ad esempio, se non beviamo subito la nostra tazzina di caffè al bar, questa si raffredda: non ci capiterà mai che si scaldi da sola. Questo è legato alla probabilità dello stato di un sistema macroscopico. Il secondo principio della termodinamica, che diversi scienziati utilizzano per spiegare questa sensazione, ci dice che in un sistema isolato energeticamente il disordine tende ad aumentare ed introduce così in modo naturale un verso nel tempo. Sono comunque numerose le riflessioni di filosofi e scienziati riguardo la freccia del tempo, ma non credo si possa affermare che si sia giunti a cogliere quella che rimane la sua natura misteriosa».
L'inizio del tempo e dell'Universo. Sebbene siamo in continuo rapporto con il tempo, la comprensione di una parte della sua natura ancora ci sfugge. Eppure fin dall’antichità gli esseri umani sono stati consapevoli della natura in parte ciclica del tempo, testimoniata dall’alternarsi del giorno e della notte e dal susseguirsi delle stagioni. La percezione dello scorrere del tempo ha da sempre rappresentato la presa di coscienza che la realtà in cui viviamo e di cui facciamo parte si modifica materialmente. Se il tempo ha sempre scandito la vita degli uomini, a quando si può far risalire la sua nascita? La storia dell'universo può essere ricostruita fino ai suoi primissimi istanti in base alla teoria che vede alla sua origine una grande esplosione, il Big Bang. Si può, quindi, affermare che sia stato il Big Bang a dare origine al tempo? «Per quanto ci riguarda, il nostro spaziotempo è nato col Big Bang. – ci conferma il Dott. Cappi - La visione tradizionale del Big Bang è che si sia trattato di un evento che ha visto la nascita dello spazio e del tempo, un evento che secondo le ultime stime è avvenuto 13,7 miliardi di anni fa (non bisogna dunque pensare ad un'esplosione che ha avuto luogo in un punto di uno spazio vuoto preesistente). La visione attuale è più complessa e lascia aperte diverse possibilità. È concepibile, infatti, che il nostro universo sia nato da una microscopica fluttuazione del vuoto, e che vi siano altri, forse infiniti eventi che hanno dato origine ad altri universi. O forse potrebbe essere un evento ciclico, già verificatosi in passato ». L’idea che la nascita del tempo sia avvenuta grazie al Big Bang ci rende consapevoli della presenza e dell’influenza costante che il tempo ha avuto, e continua ad avere, sulle nostre vite. Ma nello stesso tempo pone anche alcuni interrogativi. Per quanto sia possibile che l´universo non abbia mai fine, infatti, molto probabilmente non sarà così per le strutture oggi esistenti, come i pianeti, le stelle e le galassie. In un futuro molto lontano la nostra Galassia e le altre si smembreranno e moriranno lentamente, raffreddandosi per un tempo infinito, oppure verranno compresse in un punto minuscolo, con un processo opposto a quello del Big Bang. Gli scienziati hanno ipotizzato per l'Universo tre possibili fini: il Big Chill, il Big Rip e il Big Crunch. Quali di questi tre esiti sembra essere attualmente il più probabile? Secondo il Dott. Cappi «I dati attualmente disponibili sono in accordo con la presenza di una costante cosmologica positiva, una costante presente nelle equazioni della teoria della relatività generale di Einstein che può essere identificata con l'energia del vuoto. Questa energia, al contrario delle altre forme di materia ed energia, è repulsiva, ovvero è una forma di antigravità. Le osservazioni ci dicono che questa repulsione prevale oggi sull'attrazione gravitazionale della materia. In tal caso, l'universo proseguirà nella sua espansione accelerata, raffreddandosi e rarefacendosi. Nel frattempo le galassie come la nostra termineranno le loro riserve di gas e le loro ultime stelle si spegneranno. Rimarranno solo i resti di stelle nane e pianeti, la cui materia forse decadrà col tempo, e i buchi neri, destinati ad evaporare in un tempo molto lungo. L'universo andrà così incontro al Big Chill, il Grande Freddo. Ma l'accelerazione dell'universo potrebbe essere invece causata non dall'energia del vuoto, ma da una nuova forma di energia oscura repulsiva. A seconda di quale sia la natura di questa energia (e i teorici si sono davvero sbizzarriti), non possiamo escludere che in futuro l'espansione si arresti e si abbia un collasso gravitazionale dell'universo, che diverrebbe sempre più caldo e denso per finire nel Big Crunch. Oppure se il Big Bang fosse dovuto alla collisione di due universi, come è stato suggerito, allora non si può escludere che in futuro l'universo si scaldi nuovamente e dia luogo ad una nuova fase di formazione di stelle e galassie. Si è presa anche in considerazione la possibilità di una forma di energia oscura particolare, la cui capacità repulsiva sarebbe così forte che non si limiterebbe solo ad accelerare l'espansione dell'universo, ma arriverebbe ad un certo punto a disintegrare la materia stessa: è lo scenario del grande strappo, il Big Rip. Sottolineo comunque che si tratta di scenari altamente ipotetici. Personalmente, ritengo che la prima ipotesi, quella della costante cosmologica, resti di gran lunga la più probabile ed è comunque finora in accordo con tutti i dati di cui disponiamo». Ma, se il tempo è stato creato durante il Big Bang, con la fine dell'universo, così come lo conosciamo oggi, finirà anche il tempo? Prosegue il Dott. Cappi «Se l'espansione continuerà per sempre, il cosiddetto tempo cosmico sarà infinito. Ma nel lontano futuro non vi sarà più nessuno a misurarlo... Se vi dovesse essere un Big Crunch, allora il nostro tempo cosmico avrà un inizio e una fine. Questo però, per quanto ho detto prima, non necessariamente segnerebbe la fine del tempo, ma del nostro tempo: se il nostro universo è ciclico (come il modello ecpirotico ispirato alla teoria delle supercorde) allora ci saranno stati cicli precedenti nel passato, e avremo infiniti cicli nel futuro».
Misurare il tempo. Gli uomini hanno iniziato ben presto a sentire l’influenza del tempo nelle loro vite e a cercare strumenti adatti per misurare e quantificare lo scorrere del tempo. Uno dei primi metodi usati per misurare il tempo è stata la meridiana o orologio solare inventata dagli Egizi più di cinquemila anni fa. Nel XVI secolo Galileo scoprì che un pendolo di una determinata lunghezza impiega sempre lo stesso tempo per completare un’oscillazione. Questa scopertaaprì la strada alla creazione degli orologi meccanici e alla creazione, un secolo dopo, del primo vero e proprio orologio a pendolo. Grazie alla precisione di questo nuovo strumento divenne così possibile misurare il tempo con maggiore esattezza e dividere le ore in minuti e i minuti in secondi. Eppure, nonostante questi tentativi di quantificazione e di razionalizzazione, oggi grazie alle scoperte di Einstein sappiamo che il tempo non scorre per tutti allo stesso modo. In realtà tempo e spazio non sono assoluti, ma si deformano secondo il punto di vista dell'osservatore. Dobbiamo, perciò, dimenticarci l'idea che esista un presente universale? E se è così, è possibile affermare che il futuro esista già da qualche parte? «È vero, spazio e tempo non sono assoluti, come invece si riteneva prima di Einstein, e non esiste un presente universale. – ci spiega il Dott. Cappi - Dato il debole campo gravitazionale terrestre e le velocità dei nostri mezzi di trasporto, ben lontane da quelle della luce, non percepiamo differenze sensibili: all'atto pratico, sulla Terra viviamo tutti nello stesso tempo (ma la localizzazione precisa con i GPS richiede l'applicazione delle formule relativistiche). Quanto al futuro, è vero che la descrizione di una traiettoria in un diagramma spazio-tempo ce ne dà una visione congelata, come se il futuro esistesse già e noi dovessimosemplicemente percorrere la traiettoria con la nostra coscienza. Ma questa rimane una rappresentazione matematica degli eventi. Ricordo che in ambito quantistico prevale invece l'indeterminazione: è il mondo delle probabilità e non della certezza, e non si può certo parlare in questo caso di un futuro che esiste già. Ma qui scivoliamo in un complesso discorso più filosofico che scientifico». Strani comportamenti dello spazio-temo. Esistono dei punti nell’universo in cui la nostra concezione generale dello spazio e del tempo risulta essere non corretta. Questi oggetti celesti, che vengono spesso citati anche in campo fantascientifico, a causa delle loro particolari caratteristiche, sono i buchi neri. Questi svolgono un ruolo centrale nella nostra concezione generale dello spazio e del tempo, perché nei loro dintorni lo spaziotempo si comporta in modo contrario rispetto al senso comune. Da cosa deriva questa loro peculiarità? «Come Einstein ci ha insegnato, la materia curva lo spazio-tempo. – ci racconta il Dott. Cappi - Questo significa non solo che le traiettorie spaziali vengono curvate, ma anche che il tempo scorre più lentamente rispetto ad un osservatore lontano. Più la materia è concentrata, più questa curvatura è importante e al centro di un buco nero la densità è formalmente infinita. Ad esempio, per trasformare il Sole in un buco nero dovremmo concentrare tutta la sua massa entro un raggio di appena tre chilometri. Questo dà origine a fenomeni estremi, che appaiono paradossali. Un astronauta che superi la distanza critica dal buco nero (il raggio di Schwarzschild) cadrà in poco tempo al centro, ma se noi lo osservassimo a distanza di sicurezza, lo vedremmo invece avvicinarsi sempre più lentamente alla distanza critica: per raggiungerla, dal nostro punto di vista impiegherà un tempo infinito! La relatività del tempo si manifesta qui in maniera spettacolare».
Oggetti davvero interessanti i buchi neri, come ci conferma il Dott. Cappi «I buchi neri sono oggetti affascinanti. Se ci si avvicina troppo ad un buco nero, superando la distanza di sicurezza, detta raggio di Schwarzschild, nulla, neanche la luce, può più tornare indietro. I buchi neri si formano in maniera naturale quando una stella molto più massiccia del Sole esaurisce il proprio combustibile nucleare e crolla su se stessa. Nulla può allora fermare il collasso della stella. La materia che cade finisce al centro: secondo la relatività finisce in un punto a densità infinita, il cui nome tecnico è singolarità. In realtà per descrivere una singolarità non abbiamo ancora una teoria adeguata, ovvero una teoria che possa dirci quello che succede su scale microscopiche in campi gravitazionali intensi. È plausibile che succeda qualcosa a livello di quella che si chiama la scala di Planck e che la singolarità non si formi».
Non lasciando sfuggire né la materia né la luce, e in generale tutto ciò che vi cade all’interno, i buchi neri risultano a prima vista invisibili. Come è possibile, perciò, vedere un buco nero?
«Possiamo rivelare indirettamente un buco nero perché la materia che è attratta dal buco nero, prima di cadervi dentro, spiraleggia in un disco di accrescimento, si scalda ed emette radiazione; inoltre se il buco nero è in un sistema binario, ovvero è legato gravitazionalmente ad un'altra stella, possiamo stimarne la massa e determinare se supera la massa critica (circa tre volte la massa del Sole) oltre la quale l'oggetto non può che essere un buco nero. - ci spiega il Dott. Cappi - Inoltre, negli ultimi anni le osservazioni dei moti delle stelle al centro della nostra Galassia hanno permesso di rivelare la presenza di una massa oscura pari a qualche milione di masse solari. Una tale massa invisibile concentrata in una regione di pochi anni-luce può essere spiegata solo con la presenza di un buco nero. Sappiamo che vi sono buchi neri supermassicci anche al centro delle altre galassie e laddove il buco nero divora molta materia, la luce emessa dalla materia in caduta domina la luce emessa da tutte le altre stelle della galassia»
VIAGGIARE NEL TEMPO
Viaggi nel tempo. Grazie a queste loro caratteristiche, i buchi neri hanno attirato l’attenzione di molti, non solo in campo scientifico, ma anche fantascientifico. Spesso sono stati al centro di film o telefilm in cui si narrava di possibili viaggi nel tempo. Ad esempio, in un episodio di Star Trek, l’Enterprise viene catturata dal campo gravitazionale di una misteriosa stella nera e viene catapultata in un viaggio indietro nel tempo. I buchi neri non sono i soli protagonisti della cinematografia e della narrativa fantascientifica. Stessa sorte hanno i Ponti di Einstein-Rosen, detti anche cunicoli spazio-temporale o wormholes. Come ci racconta il Dott. Cappi «Un ponte di Einstein-Rosen è una particolare soluzione delle equazioni della relatività generale che collega un buco nero ad un altro universo o ad un'altra regione del nostro universo attraverso un cunicolo nello spazio-tempo. Non vi è alcuna prova della sua esistenza, né si conoscono processi fisici che potrebbero crearli in natura (al contrario dei buchi neri, che sono la fase finale dell'evoluzione di stelle massicce). In un buco nero che non ruota, un'astronauta non sopravvivrebbe in quanto non potrebbe evitare la singolarità al centro. Nel caso di un buco nero in rotazione, si potrebbe evitare la singolarità e anche viaggiare nel passato, ma la singolarità sarebbe nuda, ovvero non sarebbe nascosta da un orizzonte impenetrabile. La maggior parte dei teorici non ama questa possibilità ed è stato addirittura proposto un principio, detto del Censore Cosmico, che vieta l'esistenza di singolarità nude. Il timore è che con una singolarità nuda possa succedere di tutto. Credo che allo stato attuale delle conoscenze non ci si possa pronunciare, in quanto, come ho detto, non abbiamo una teoria in grado di descrivere che cosa succede alla materia in condizioni estreme: è ad esempio possibile che una singolarità non si formi mai. Un'alternativa più promettente sono, invece, i wormholes o cunicoli di tarlo studiati dal fisico americano Kip Thorne, che potrebbero essere stabili e permettere il viaggio interstellare e il viaggio nel tempo, purché riempiti di una forma di energia esotica, che sia repulsiva». In quanto scorciatoie da un punto all’altro dell’universo, i wormholes potrebbero potenzialmente permettere i viaggi nel tempo? Come precisa il Dott. Cappi «A questo proposito è interessante notare come lo studio dei cunicoli di tarlo da parte di Thorne sia nato da una domanda postagli dal celebre astronomo e divulgatore americano Carl Sagan, che stava scrivendo il suo romanzo di fantascienza Contact (da cui è stato poi tratto l'omonimo film) e per ragioni di accuratezza scientifica voleva sapere se fosse possibile utilizzare un buco nero per i viaggi interstellari. Thorne gli rispose di no, perché conosceva i problemi legati alla singolarità, ma si mise a riflettere sulle possibilità alternative, e scoprì così i wormholes. Questi però rimangono ancora nelle pagine della fantascienza. Non esiste infatti nessuna prova della loro esistenza e, contrariamente ai buchi neri, non conosciamo nessun fenomeno fisico che possa crearli. Ma, come ripeto, la loro impossibilità fisica non è dimostrata. Chissà, forse una civiltà avanzata potrebbe riuscire a costruirne uno (il fisico Paul Davies ha scritto un simpatico libro divulgativo intitolato: Come costruire una macchina del tempo, Mondadori, 2003)». E se i wormholes, invece, di permettere i viaggi nel tempo, permettessero di collegarci ad un universo parallelo? È questo a cui aveva pensato Stephen Hawking quando ha ideato il concetto di universo baby. «Hawking ha in effetti suggerito che nel momento in cui un buco nero evapora, ciò che ha inghiottito in precedenza entri in un universo baby, che potrebbe essere collegato ad un'altra regione del nostro universo. – ci illustra il Dott. Cappi - In tal caso, noi vedremmo evaporare un altro buco nero che emetterebbe la materia inghiottita dal primo buco nero. Hawking stesso ha però sottolineato che questo non sarebbe un buon sistema per il viaggio interstellare, in quanto un astronauta non potrebbe scegliere né il tempo né il luogo in cui dirigersi, e soprattutto non potrebbe sopravvivere, al contrario dei wormholes di Thorne.» Eppure per il momento la teoria della relatività generale ci dice che non possiamo scartare la possibilità di viaggiare nel tempo. I viaggi nel futuro potrebbero essere in linea teorica possibili, quelli nel passato invece? Se il viaggio nel tempo è possibile, perché i nostri discendenti, che in un futuro più o meno prossimo potrebbero controllare questa tecnologia, non vengono a visitarci? «In effetti, su un'astronave che viaggia a velocità vicine a quelle della luce il tempo scorre più lentamente rispetto alla Terra. Un anno a bordo dell'astronave potrebbe corrispondere a migliaia di anni sulla Terra. Così, se si trascurano i problemi ingegneristici, di energia e di sicurezza, il viaggio nel futuro è fisicamente possibile. Quello nel passato potrebbe esserlo attraverso i cunicoli di tarlo, che però sono, lo ripeto, del tutto ipotetici. Inoltre – conclude il Dott. Cappi - rimane il paradosso costituito dalla possibilità di cambiare il passato, e di alterare dunque il corso degli eventi che hanno portato al nostro presente. Se il viaggio nel tempo è possibile, forse non è possibile viaggiare nel passato prima che sia stata inventata la macchina del tempo. Forse siamo osservati, ma i nostri discendenti stanno attenti a non alterare il nostro passato. Oppure, possibilità più inquietante, forse nessuno ha fatto in tempo ad inventare la macchina del tempo perché la civiltà umana non è sopravvissuta al XXI secolo... Ma è evidente che in questa discussione entriamo nel campo della fantascienza!»
Paola Torelli
Alberto Cappi ha conseguito il dottorato in astrofisica presso l´Université d´Orsay (Paris XI), ha insegnato all´Université de Paris VII ed è attualmente astronomo associato dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) presso l´Osservatorio Astronomico di Bologna. Membro della Società Astronomica Italiana e dell'Unione Astronomica Internazionale (sezione cosmologia), è specialista della struttura a grande scala dell'universo, e collabora a progetti internazionali che mirano a studiare l´evoluzione delle galassie e degli ammassi.
