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Anelli temporali chiusi e altre stranezze

Discussioni scientifiche su quanto c'è di possibile riguardo i viaggi nel tempo.

Moderatori: Marty McFly, Logan McFly

Anelli temporali chiusi e altre stranezze

Messaggioda Marty Mcfly Junior » dom 12 ago, 2007 13:50 pm

In All You Zombies Robert Heinlein ci narra la storia di una giovane ragazza orfana che viene sedotta da un viaggiatore del tempo (questa sua professione non è nota al lettore sin dall'inizio); dall'incontro nasce una bambina che viene lasciata in adozione. In seguito a complicazioni dovute alla nascita della figlia, la donna viene sottoposta a un intervento chirurgico per cambiare sesso. Il seduttore la/lo ingaggia come viaggiatore del tempo, spiegando che lui stesso e l'interlocutore (la donna diventata uomo) sono in realtà la stessa persona; perfino la bambina, che il viaggiatore ha riportato all'orfanotrofio tornando nel passato, è sempre se stesso. Questo cammino chiuso (o "anello" temporale) è davvero perfetto e non vìola nessuna legge fisica (anche se da un punto di vista biologico è decisamente improbabile). Ma cosa accade se lasciamo da parte questi "effetti speciali fantascientifici" e i vari pazzoidi che creano paradossi contro se stessi uccidendo la nonna? Come possiamo esprimere un semplice viaggio nel tempo usando il linguaggio della fisica moderna?
Il modo migliore è quello di ricorrere a un diagramma spazio-temporale. Immaginate che nel suo laboratorio un inventore costruisca la macchina del tempo.

Una volta finita ci salta dentro, accende un interruttore e viaggia indietro nel tempo spostandosi leggermente nello spazio fino a che non si trova seduto accanto a un se stesso poco più giovane.
Poi spegne la macchina, scambia quattro parole con l'altra versione di se stesso, e infine esce dal laboratorio e va per la sua strada.
Per rappresentare il flusso del tempo, a Richard Feynman venne l'idea di cambiare leggermente il diagramma spazio-temporale usato da Minkowski."
Se adesso prendete un pezzo di carta o una carta da gioco, vi ritagliate una finestrella stretta e lunga, e la sovrapponete al diagramma in modo tale da lasciare scoperto solamente l'asse orizzontale, avete la posizione dell'inventore nellaboratorio al momento in cui questi inizia a costruire la sua macchina.

Se fate scorrere verso l'alto la finestrella (o semplicemente coprite con la mano il diagramma e la spostate verso l'alto) potete notare che, mentre il tempo trascorre, la linea di universo dell'inventore si prolunga, anche se questi rimane al medesimo posto. All'improvviso (in t1) spunta fuori dal nulla un inventore più vecchio che se ne sta seduto nella macchina del tempo accanto a lui. Da quel momento, per un breve periodo, osserviamo tre inventori.
Il primo, il più giovane di tutti (nel diagramma la linea a sinistra), continua a costruire la macchina del tempo dopo aver scambiato quattro chiacchiere col se stesso più vecchio (la linea di destra).
Questi, il più vecchio di tutti, dopo la conversazione esce dal laboratorio. E il terzo, di età intermedia, è seduto nella macchina del tempo (nel grafico la linea di mezzo).
Ma non solo: mentre il tempo trascorre (sulla pagina ci si sposta verso l'alto), questo inventore ringiovanisce.
Capiremmo meglio la situazione se questo terzo personaggio stesse fumando un sigaro.

Da una prospettiva dello spazio-tempo come quella che si presenta a Dio, vedremmo inizialmente un mozzicone tra le labbra dello scienziato che, anziché consumarsi, si allunga sempre più man mano che spostiamo la nostra finestrella verso l'alto della pagina; poiché il flusso del tempo è invertito (come un film proiettato al contrario) il sigaro torna intatto e si spegne; il viaggiatore lo richiude attentamente nel pacchetto, e ripone il pacchetto nella giacca.
L'effetto di inversione temporale nella macchina è indicato sul grafico dalla linea di universo di questo terzo inventore che segue una direzione opposta rispetto a quella dell'inventore iniziale.
In realtà il diagramma di Feynman è stato ideato per descrivere il comportamento delle particelle del mondo subatomico.
zione temporale negativa). Nel mondo tachionico più veloci si viaggia, più il tempo va indietro rapida_ente; inoltre, maggiore è l'energia cinetica posseduta da una particella, minore è sua la velocità (ciò significa che, quando a una particella si aggiunge energia, essa si avvicina sempre più alla barriera della velocità della luce, da qualunque lato si trovi).
Così il tachione, man mano che perde energia, va sempre più veloce, muovendosi sempre più rapidamente indietro nel tempo.

È incredibile che questa teoria stravagante sia stata proposta per la prima volta prima che Einstein pubblicasse la sua teoria della relatività speciale.
All'inizio del XX secolo, Arnold Sommerfeld (un pioniere della meccanica quantistica) capì che la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell richiedeva che le particelle FTL accelerassero perdendo contemporaneamente energia. Sommerfeld pubblicò questo risultato nel 1904; poiché la teoria speciale della relatività, pubblicata l'anno seguente, è anch'essa basata ampiamente sulla teoria di Maxwell, non è affatto sorprendente che contenga lo stesso tipo di descrizione delle particelle FTL.
Ma nessuno fece molto caso a questa idea fino agli anni '60, ed anche allora venne considerata più un gioco con le equazioni che non un'ipotesi realistica.
La supposta esistenza di tali tachioni è un'altra dimostrazione della simmetria positivo-negativo implicita in molte equazioni della fisica, proprio come la simmetria che garantisce l'esistenza delle antiparticelle.
Nessuno prese seriamente l'idea delle antiparticelle quando fu proposta per la prima volta, liquidando la simmetria delle equazioni come un gioco matematico.
Oggi l'antimateria è però riconosciuta ufficialmente dai fisici e viene normalmente prodotta in acceleratori di particelle come quello del CERN. Ma il tachione non è l'antiparticella di alcuna particella conosciuta; esso, se esiste, è un fenomeno totalmente nuovo.

Come si potrebbe rilevare un tachione? Il luogo migliore dove cercare è negli sciami dei raggi cosmici, particelle provenienti dallo spazio che urtano frequentemente lo strato superiore dell'atmosfera terrestre.
Quando una particella energetica di un raggio cosmico collide con una particella atomica ordinaria della fascia più alta dell'atmosfera, produce una cascata di particelle secondarie che possono venire rilevate a terra (i positroni furono scoperti proprio in questo modo).
Se alcune delle particelle così create fossero tachioni, esse dovrebbero viaggiare indietro nel tempo e raggiungere i rilevatori di terra non solo prima della maggior parte delle particelle dello sciame, ma anche prima che la radiazione cosmica originaria (primaria) colpisca lo strato superiore dell'atmosfera.
I ricercatori che si occupano di raggi cosmici hanno analizzato le registrazioni in loro possesso alla ricerca delle tracce di un tale precursore, il tachione, che gli strumenti avrebbero dovuto rilevare poco prima dell'arrivo a terra degli sciami prodotti dai raggi cosmici.
Gli studiosi hanno scoperto diverse tracce che potrebbero fare al caso loro, ma nessuna di queste fornisce una prova inequivocabile dell'esistenza dei tachioni. Ciò nonostante, all'inizio degli anni '70 vi furono momenti di grande entusiasmo.

Fu nel 1973 che due ricercatori che erano di base in Australia,Roger Clay e Philip Crouch, trovarono con i loro rilevatori di raggi cosmici ciò che sembrava essere una solida prova in favore dell'esistenza del precursore FTL.
I risultati furono inviati alla rivista Nature (dove all' epoca lavoravo) e pubblicati nel 197 41; ricordo bene lo stupore di tanti fisici e la gioia di molti giornalisti.
I risultati sono tutt'ora validi, ma non vengono più considerati una prova dell'esistenza dei tachioni, poiché in esperimenti successivi non si è riusciti a trovare altri precursori in associazione con gli sciami prodotti dai raggi cosmici.
Nel mondo dei fisici viene generalmente riconosciuto che deve essere stato qualcos'altro nel 1973 ad azionare al momento giusto (o sbagliato, a seconda dei punti di vista) i rilevatori. Ciònon significa però che da allora la ricerca dei tachioni si sia arrestata.
I tachioni, se vengono caricati elettricamente, possono essere rilevati in altro modo.
Il limite della velocità della luce di Einstein si riferisce, per essere precisi, alla velocità della luce nel vuoto.
È questa la famosa costante c: a nessuna particella che viaggia più lentamente di c può essere fornita un'energia tale da superare il limite della velocità della luce nel vuoto.

Ma la luce stessa viaggia più lentamente di c quando attraversa un materiale trasparente, come un foglio di vetro od un serbatoio d'acqua. Dunque particelle "ordinarie" possono muoversi più velocemente della luce nell'acqua senza superare il limite c.
Quando una particella carica, come un elettrone, supera c, essa irradia luce.
Così come un oggetto che si muove velocemente, rompendo la barriera del suono, provoca un bang sonico, similmente una particella carica che rompe la barriera della luce produce una sorta di "bang ottico".
L'effetto venne scoperto nel 1934 da un fisico sovietico, Pavel Cherenkov, ed è noto in suo onore come "radiazione di Cherenkov".
Un tachione elettricamente carico che viaggia più velocemente della luce persino nel vuoto dovrebbe emettere la radiazione di Cherenkov, purchè abbia disponibilità di energia.


I calcoli indicano che la particella disperderebbe con un lampo tutta la sua energia, iniziando a viaggiare a velocità infinita, così da essere, in un certo senso, in tutti i punti della sua linea di universo nello stesso istante.
Tuttavia, se questa linea di universo incontrasse un'altra particella, il tachione potrebbe temporaneamente guadagnare energia dalla collisione ed emettere un altro lampo di luce. Purtroppo nei serbatoi d'acqua non sono stati osservati i lampi di luce, nonostante le ricerche di vari laboratori.
Si ritiene generalmente che i tachioni non esistano in natura. Essi sono, secondo l'interpretazione convenzionale, un risultato delle equazioni che può venire tranquillamente ignorato e considerato privo di significato fisico reale.
Il fisico Nick Herbert,di Stanford, riassume con chiarezza la situazione nel suo libro Faster Than Light (Più veloce della luce); "la maggior parte dei fisici - egli scrive - ritiene l'esistenza dei tachioni poco più probabile di quella degli unicorni". Ma la loro esistenza non contraddice le leggi della fisica.

Il fisico Gregory Benfurd ha sfruttato l'idea con gran successo nel suo racconto Timescape (Fuga nel tempo), in cui parla anche dei mondi paralleli. Tuttavia, nemmeno nei mondi fantascientifici immaginati da Benford vengono trasportati indietro nel tempo oggetti comuni (figuratevi gli esseri umani).
Se vogliamo riuscire a viaggiare nel tempo dobbiamo trovare dei sistemi per alterare la struttura dello spazio-tempo stesso; uno di essi ci è offerto certamente dai cunicoli. Ma c'è un altro sistema che ha a che fare con la rotazione e che, per alcuni versi, è più semplice. Esso parte dall'ipotesi secondo la quale l'intero Universo è in rotazione e, quindi, è esso stesso un'enorme macchina del tempo, nel senso che contiene cammini chiusi di tipo tempo.
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