Il Superuovo

Si può invertire la freccia del tempo? Scopriamolo con “Ritorno al Futuro” e l’entropia

Si può invertire la freccia del tempo? Scopriamolo con “Ritorno al Futuro” e l’entropia

Nel 1985 fece la sua comparsa nelle sale cinematografiche il film Ritorno al Futuro, destinato a diventare un vero e proprio evento della cultura pop. La trilogia di Ritorno al Futuro copre molteplici ambientazioni temporali: gli anni ottanta, gli anni cinquanta, un ipotetico 2015 e il far west americano. Protagonisti sono il giovane Marty McFly e l’iconico Emmett “Doc” Brown, ma a coprire un ruolo ancora più cruciale è il tempo.                                                                                                                                           

 

L’intera trama del film è infatti basata sul paradosso temporale, sugli eventi alternativi e sull’affascinante idea della costruzione di una macchina del tempo. O meglio, un’automobile del tempo, la leggendaria DeLorean. Nonostante l’ipotesi di un viaggio nel tempo risulti tremendamente affascinante, è davvero possibile discutere di viaggi nel tempo? Innanzitutto, è necessario porsi il quesito: che cos’è il tempo? Molti pensatori hanno tentato di fornire una risposta e innumerevoli sono le filosofie basate sulla percezione del tempo, tuttavia troveremo una risposta faceno ricorso alla fisica ed in particolar modo alla termodinamica.

 

L’universo concepito come spazio tetradimensionale

Iniziamo con un esempio: consideriamo un bicchiere pieno d’acqua. Per poter descrivere dove si trova il bicchiere in questione è necessario fornire una distanza relativa all’osservatore (in questo caso noi stessi). Sono sufficienti tre dimensioni, in quanto basta dire quanto dista il bicchiere rispetto a noi in lunghezza, altezza e profondità (o quale è la sua posizione relativa a un sistema di riferimento cartesiano a tre assi). In ogni caso, se qualcuno entra all’improvviso nella stanza e sposta il bicchiere, o beve l’acqua, le tre dimensioni non sono più sufficienti. Ne consegue che, per descrivere correttamente questa stanza, bisogna spiegare non solo dove si trova il bicchiere, ma anche quando, ossia a quale istante temporale ci stiamo riferendo. È come se stessimo scattando tante fotografie una in seguito all’altra. In ognuna possiamo osservare la disposizione spaziale, riferita a un certo istante temporale. Se poi si lasciano scorrere tutti questi frames, abbiamo introdotto il tempo per descrivere l’universo.

 

Bergamo, 5 euro per un bicchiere di acqua in un locale

 

Per il momento ci siamo limitati a guardare la scena come spettatori. La questione fondamentale che ci insegna l’osservazione è che il tempo ha senso in un unico verso, ossia esiste una freccia ineludibile, anche detta irreversibile, che dice esattamente da dove si parte e dove si arriva. Tuttavia, una delle leggi fondamentali della fisica, è che non è ammesso tornare indietro, come invece osserviamo in Ritorno al Futuro.

In sostanza, se siamo in cucina e beviamo il nostro bicchiere d’acqua, dopo non sarà più possibile avere la stessa acqua in quel bicchiere. Certo, potremmo riempirlo nuovamente con una bottiglia, ma anche questa è destinata a svuotarsi a sua volta. Se poi siamo particolarmente bravi a cucinare potremmo prepararci un frullato per merenda. Partiamo da alcuni frutti, da un po’ di latte o di yogurt e, se vogliamo un frappè, anche da del ghiaccio. Una volta mixati tutti questi ingredienti, tuttavia, non è più possibile tornare indietro. Non possiamo partire dal frullato e riottenere il frutto di partenza, il latte e lo yogurt. Dunque, l processo è avvenuto in modo irreversibile. Per capirne il motivo dobbiamo muovere i primi passi nella Francia del 1800 e seguire i passi dei primi studiosi della termodinamica.

 

La definizione di entropia

Siamo agli inizi del diciannovesimo secolo e la scena della fisica mondiale è occupata dallo studio delle macchine a vapore inglesi. Uno scienziato francese, Leonard Carnot, ha avuto per primo un’intuizione relativa all’andamento dei processi dell’universo. In particolare, osservando il carbone che brucia per portare l’acqua nel punto di ebollizione, egli ebbe modo di elaborare per la prima volta il concetto di entropia. Si rese conto che il carbone portava con sé un alto contenuto di energia (oggi sappiamo che si tratta di energia chimica, ossia quella dovuta ai legami tra gli atomi all’interno del carbone). Tuttavia, quando il carbone veniva bruciato quest’energia veniva dispersa sotto forma di calore. È questo uno dei primi significati dell’entropia: una misura della dispersione dell’energia. Nel carbone l’energia è condensata in poco spazio, dunque si ha bassa entropia, dopo la combustione l’energia è invece molto dispersa, pertanto si ha alta entropia.

 

entropia

In maniera parallela agli studi condotti da Carnot, anche Lord Kelvin e Clausius lavorarono sulla termodinamica. In particolare, essi osservarono che il calore si spostava spontaneamente dagli oggetti ad alta temperatura verso gli oggetti a bassa temperatura, al fine di raggiungere un equilibrio termico. Se per esempio dovessimo prendere un bicchiere e riempirlo in parte di acqua calda e in parte di acqua fredda, allora l’intero sistema evolverà verso una situazione di acqua tiepida. La temperatura finale sarà la media delle temperature iniziali pesata sulla quantità di acqua calda e di acqua fredda iniziale. Ciò che invece non accade mai in natura è il contrario. Non è possibile avere spontaneamente un trasferimento di calore da un corpo freddo a un corpo caldo, in modo che il primo sia ancora più freddo e il secondo più caldo. L’insieme di tutti questi concetti è alla base del secondo principio della termodinamica.

Ciò che ipotizzò Clausius fu che questa unica direzione dei processi termici fosse guidata dall’entropia. In altri termini, i sistemi tendono verso un’omogenea distribuzione della temperatura, ossia una maggiore dispersione dell’energia che, come abbiamo analizzato prima, implica un accrescimento dell’entropia.

 

La morte termica dell’universo

In virtù di questi concetti si può giungere alla conclusione del  percorso. Infatti, l’entropia fissa una freccia irreversibile dello scorrere del tempo. L’energia tende a disperdersi e l’entropia ad accrescersi e quest’evoluzione è “ineluttabile”. L’intero universo si può vedere proprio come un grande processo di scambio di calore che tende a raggiungere ovunque la stessa temperatura, ossia lo stesso omogeneo valore di energia. Le stelle (ovvero delle zone a bassa entropia) emettono la loro energia all’esterno e progressivamente muoiono (cioè accrescono la loro entropia). Tutto tende a raggiungere uno stato di massima dispersione delle particelle. Ci sarà pertanto un momento in cui, pur cambiando la disposizione dei microstrati, non sarà più possibile distinguere nulla a livello macroscopico. Sarà il momento in cui il tempo cesserà di avere un significato (per lo meno nell’accezione che gli abbiamo fornito in questo articolo). Allora, non sarà più possibile avere alcuno scambio di energia. Ragione per cui, quindi, discutere di viaggi nel tempo facendo ricorso all’attuale stato della fisica è al momento assolutamente impossibile.

 

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