Perchè il tempo scorre sempre in una direzione?



A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

Mi è stata posta una domanda, perché il tempo scorre sempre in una direzione? Ovvero dal passato verso il futuro? Per la logica comune, di tutti i giorni può sembrare una domanda futile, ma se ci si pensa in un modo un poco più approfondito la domanda non è affatto banale.

Anzitutto una precisazione, in questa sede NON PARLERO’ DI COSA SIA IL TEMPO, di teorie quantistiche del tempo, se come alcuni asseriscono il tempo non esiste e neppure sui VIAGGI NEL TEMPO, su questi argomenti potremo, se vorrete, parlare in prossimi articoli.

LA FRECCIA DEL TEMPO

Dunque, qualunque cosa sia il tempo, comunque lo si voglia definire, esso sembra scorrere sempre in un’unica direzione, dal passato verso il futuro, OK ma perché? Perché noi ricordiamo il passato e non il futuro? Perché la causa precede sempre l’effetto? Immaginiamo di tenere in mano un piatto e di farlo cadere, esso dopo l’urto con il pavimento finirà in minuscoli pezzi che si spargeranno in modo più o meno casuale. Se noi guardassimo un filmato proiettato in senso inverso noi vedremmo i frammenti che si riuniscono a formare il piatto ed il piatto stesso che si solleva e ritorna in mano. Ovviamente, chiunque guardasse un simile filmato capirebbe immediatamente che un tale filmato non corrisponde ad un fatto reale, questo perché la sequenza del piatto che va in pezzi è un perfetto esempio di quello che viene chiamato “processo irreversibile”, ovvero che avviene (praticamente nella totalità dei casi) sempre nello stesso ordine. I “processi irreversibili” sono il motivo per cui la freccia del tempo scorre solo in una direzione. La freccia del tempo ci appare dunque del tutto logica, ma in realtà per la fisica la sua presenza costituisce un grande quesito, dal momento che analizzando le leggi fondamentali della fisica (quelle che descrivono il mondo microscopico) queste paiono, in sostanza reversibili (tolto il fenomeno del collasso della funzione d’onda in fisica quantistica che pare violare tale principio). Tecnicamente il concetto “fenomeni reversibili” si rende con la frase “fenomeni invarianti per inversione temporale” (stessa cosa). Ma se la freccia del tempo non deriva, dalle leggi della fisica, allora da cosa deriva? Bene deriva dal grado di complessità dei sistemi considerati.

Spieghiamo meglio…

Le leggi della fisica che fanno riferimento al mondo microscopico possono anche essere reversibili, ma si riferiscono a sistemi fondamentalmente semplici, particelle, quanti, ecc., ma i sistemi “macroscopici”, il piatto che si rompe, un organismo vivente che invecchia, l’Universo stesso, sono sistemi complessi, ovvero composti da una pluralità di atomi, particelle eccetera soggette ad un grandissimo numero di interazioni reciproche. Ed i sistemi complessi sono tutti associati ad una grandezza fisica chiamata ENTROPIA. Semplificando, l’entropia di un sistema complesso, misura il numero di possibili modi (detti microstati) in cui i costituenti elementari del sistema stesso, possono configurarsi (posizionarsi, mischiarsi) senza modificare lo stato macroscopico (macrostato, diciamo quello a noi percepibile anche se non è correttissimo). Rammento un esempio che lessi da qualche parte. Perché un cubetto di ghiaccio (che è un sistema complesso) tende a sciogliersi se immerso in acqua?  Perché un cubetto di ghiaccio possiede una entropia inferiore alla corrispondente massa d’acqua, in quanto il numero di modi in cui le molecole di H2O possono disporsi per formare il cubetto di ghiaccio è notevolmente inferiore a quelli in cui lo stesso numero di molecole di H2O possono disporsi per formare la stessa massa di acqua (nel ghiaccio le molecole occupano posizioni determinate dalla struttura del solido, nel liquido possono assumere qualsivoglia posizione). Quindi i sistemi con entropia elevata sono più probabili per il semplice fatto che esistono più modi di realizzarli. Porterò un altro esempio, prendiamo un mazzo di carte da gioco, noi possiamo ordinarle in vari modi, dall’asso al re di cuori poi dall’asso al re di quadri e così via, oppure in senso inverso, ma possiamo pensare ad altri ordini, ad esempio prima gli assi dei 4 semi poi i due dei 4 semi poi i tre eccetera, ma per quanti modi ordinati (quindi a bassa entropia) possiamo pensare i modi casuali e disordinati (ovvero ad alta entropia) sono immensamente più numerosi, tanto che se mischiando il mazzo per un minuto saremmo estremamente sorpresi se le carte si posizionassero in qualsivoglia modo ordinato.

Quindi sia le molecole del cubetto di ghiaccio e dell’acqua che le carte che compongono il mazzo sono sistemi complessi che possiedono un comportamento comune, in questi sistemi man mano che essi si evolvono dallo stato iniziale a quello finale l’entropia tende ad aumentare. Ora sebbene l’aumento dell’entropia possa apparire come un mero fatto statistico, in realtà tale fenomeno rappresenta UNO DEI PILASTRI DELLA FISICA, ovvero IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA.

Questo principio infatti afferma che (semplificando):

L’entropia di un sistema isolato non può diminuire ed anzi i sistemi complessi tendono immancabilmente a passare da macrostati (situazioni) ad entropia minore a macrostati ad entropia maggiore, e questo appare ad un osservatore come il passaggio da ciò che chiamiamo passato (entropia minore) a ciò che chiamiamo futuro (entropia maggiore). In altri termini tali sistemi tendono a raggiungere una condizione di equilibrio, e maggiore è il valore dell’entropia più il sistema si trova vicino all’equilibrio. Quindi il percorso che porta un sistema verso l’equilibrio (massima entropia) definisce una successione di stati che percepiamo come FLUSSO DEL TEMPO. Ovvero la freccia del tempo, e la percezione che noi ne abbiamo è determinata dal fenomeno dell’aumento dell’entropia. Faccio notare che, secondo l’ipotesi del Big Bang, l’Universo era negli stati iniziali della sua vita estremamente caldo, e l’energia vi era distribuita in modo uniforme, era molto ordinato e quindi con bassa entropia. Poi, a seguito della sua espansione la sua temperatura scende materia ed energia si disperdono, ed esiste sempre meno energia disponibile per svolgere lavoro utile, quindi dal passato al futuro l’Universo stesso ha una freccia termodinamica e del tempo ben definita la sua entropia tende sempre ad aumentare.

Rammento come sempre che a favore della comprensione ho semplificato molti concetti anche a scapito di una correttezza totale.

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