Se ti venisse chiesto di descrivere come puoi muoverti nello spazio, probabilmente penseresti a tutte le diverse direzioni in cui sei libero di spostarti. Potresti andare a sinistra o a destra, in avanti o all’indietro, e in alto o in basso; questo è tutto. Queste tre direzioni indipendenti, descritte da qualcosa di semplice come una griglia, descrivono tutti i modi possibili per muoversi attraverso lo spazio.
Ma c’è una quarta dimensione che è altrettanto importante, anche se molto diversa: il tempo. Al contrario delle tre dimensioni canoniche, il tempo può andare solo avanti, non si può tornare indietro, ma è proprio una dimensione, quanto una di quelle spaziali.
Sia che si dica che viviamo in un universo quadridimensionale descritto dal tessuto dello spaziotempo o in un universo tridimensionale + 1, in cui abbiamo tre dimensioni spaziali più una dimensione temporale, non è possibile separare queste entità l’una dall’altra. Proviamo a capire perché.
Gli esseri umani, per la maggior parte, vivono solo sulla superficie della Terra. Quando vogliamo descrivere dove ci troviamo, in genere dobbiamo solo fornire due coordinate: una latitudine e una longitudine. Abbiamo solo bisogno di questi due valori, che descrivono dove siamo situati lungo gli assi nord-sud ed est-ovest del nostro pianeta, perché la terza dimensione è un dato: siamo sulla superficie terrestre.
Ma se andassi sottoterra o in aria sopra la superficie terrestre, sarebbe necessaria una terza coordinata per descrivere con precisione la tua posizione: altitudine/profondità o dove ti trovi sull’asse su-giù. Dopotutto, qualcuno situato esattamente alla stessa latitudine e longitudine di te – alle stesse coordinate bidimensionali – potrebbe facilmente trovarsi in un tunnel sotterraneo o su un elicottero. Non starebbe necessariamente nella stessa tua posizione, sono necessarie tre informazioni indipendenti per individuare la tua posizione nello spazio.
Ma anche due oggetti diversi con le stesse esatte coordinate spaziali tridimensionali potrebbero non sovrapporsi. Il motivo è facile da capire se pensiamo alla sedia su cui siamo seduti in questo momento. Si può sicuramente essere nella stessa posizione accuratamente descritta dalle tre coordinate spaziali più familiari: x, y, e z. Questa sedia, tuttavia, è occupata da noi proprio ora, in questo preciso momento, al contrario di ieri, un’ora fa, la settimana prossima o tra dieci anni.
Per descrivere completamente un evento nello spaziotempo, devi sapere di più: non solo dove si verifica, ma anche quando si verifica. Oltre a x, y, e z, è necessaria anche un coordinata temporale: t.
Sebbene questa cosa possa sembrare ovvio, non è stata molto considerata dalla fisica fino allo sviluppo della relatività di Einstein, quando i fisici hanno iniziato a pensare al problema della simultaneità.
Immaginiamo, due posizioni separate – un punto “A” e un punto “B” — collegati da un percorso.
Immaginiamo di avere una persona che inizia a muoversi da A mentre l’altra parte da B, e ciascuna viaggia verso l’altro punto. Puoi visualizzare la posizione di ognuno posizionando un dito di ciascuna mano su A e B, e poi “spostandoli” verso le rispettive destinazioni. Non c’è modo per la persona che inizia da A di arrivare a B senza passare attraverso l’altra persona, e non c’è modo che la persona che inizia da B possa arrivare ad A senza attraversare la prima persona.
In altre parole, affinché ogni persona arrivi a destinazione, dovrà esserci un momento in cui ciascuna delle due dita occuperà lo stesso punto contemporaneamente. In relatività, questo è noto come evento simultaneo: dove tutte le coordinate dello spazio e del tempo di due diversi oggetti fisici si sovrappongono. Questo non è solo non controverso, è matematicamente dimostrabile.
Questo esperimento mentale spiega perché il tempo deve essere considerato come una dimensione in cui ci muoviamo, proprio come le nostre dimensioni spaziali sono dimensioni in cui ci muoviamo. Non è stato Einstein, tuttavia, a mettere insieme spazio e tempo in un’unica formulazione che li ha lasciati indissolubili. Invece, fu l’ex professore di Einstein, Hermann Minkowski, a capire quanto fossero inseparabili queste due entità.
Meno di tre anni dopo che Einstein introdusse la sua teoria della relatività speciale, Minkowski dimostrò la loro unità con una brillante linea di ragionamento. Se desideri spostarti nello spazio, non puoi farlo istantaneamente; devi spostarti da dove ti trovi adesso in un’altra posizione spaziale, dove arriverai solo ad un certo punto in futuro. Se sei qui adesso, non puoi essere altrove nello stesso momento, puoi arrivarci solo più tardi. Muoversi nello spazio richiede anche di spostarsi nel tempo.
Ciò che presentò la pubblicazione della relatività speciale di Einstein fu la relazione quantitativa tra il proprio moto attraverso lo spazio e il proprio moto nel tempo. Ci ha insegnato che la velocità della luce nel vuoto è un limite di velocità universale e che quando ci si avvicina, si verificano i bizzarri fenomeni di contrazione della lunghezza e dilatazione del tempo.
Ma Minkowski fece un grande balzo in avanti quando realizzò, matematicamente, che muoversi attraverso il tempo è esattamente la stessa cosa che muoversi attraverso lo spazio, tranne con due ulteriori fattori moltiplicativi: c , la velocità della luce nel vuoto e io il numero immaginario √ ( -1). Dopo aver completato la sua derivazione dello spaziotempo per la prima volta, Minkowski dichiarò che: “D’ora in poi lo spazio da solo, e il tempo da solo, sono destinati a svanire in semplici ombre, e solo una sorta di unione dei due manterrà una realtà indipendente”.
Mettendo insieme queste rivelazioni, si arriva ad un’immagine molto diversa dell’Universo rispetto a quella che si intuiva in base alle vecchie nozioni newtoniane di spazio assoluto e tempo assoluto. Mentre ti muovi attraverso l’Universo in particolare, sperimenterai cambiamenti nel modo in cui lo spazio e il tempo passano per te.
- Se sei fermo e immobile, rimanendo nella stessa posizione spaziale, avanzerai nel tempo alla massima velocità possibile.
- Mentre ti muovi nello spazio più rapidamente, ti sposterai nel tempo più lentamente (il tempo si dilata) e sembreranno esserci le distanze spaziali più brevi lungo la direzione del tuo movimento (contrazione della lunghezza).
- E se tu fossi senza massa, non avresti altra scelta che muoverti alla velocità della luce. Le distanze lungo la direzione di movimento si riducono a zero; li attraverseresti istantaneamente. Allo stesso modo, il tempo si dilaterà all’infinito; il tuo viaggio impiegherà zero tempo dalla tua prospettiva.
Quando si esaminano quali siano le implicazioni fisiche di queste considerazioni, si scopre che sono a dir poco sorprendenti. Si capisce che tutte le particelle senza massa sono intrinsecamente stabili; poiché non passa tempo per loro nel loro quadro di riferimento, non possono mai decadere. Le particelle instabili che vengono create, anche con tempi di vita estremamente brevi, possono percorrere distanze molto maggiori di quelle che avresti assunto moltiplicando ingenuamente la loro velocità per il tempo in cui vivono.
Ad esempio, un muone, creato nell’atmosfera superiore a circa 60-100 km, raggiungerà la superficie terrestre, anche se la durata della sua vita (2,2 µs) significa che non dovrebbe nemmeno viaggiare per 1 chilometro a velocità vicine alla luce prima di decadere. Questo significa anche che le cose che iniziano identiche non rimarranno necessariamente così: due gemelli identici, di cui uno rimane sulla Terra e l’altro fa un viaggio nello spazio, invecchieranno a velocità diverse, con il gemello in viaggio che si ritrova più giovane (sperimentando un trascorrere del tempo più lento) rispetto al gemello rimasto sulla Terra.
Non è possibile trattare lo spazio e il tempo separatamente, poiché sono indissolubilmente collegati; muoversi attraverso l’uno influenza il movimento attraverso l’altro, indipendentemente da qualsiasi altra proprietà inerente al tuo spaziotempo.
Oggi, la relatività speciale è stata sostituita dalla relatività generale, che comprende anche la curvatura inerente allo spazio stesso. Indipendentemente dalle proprietà dell’Universo in cui abiti, il tuo movimento attraverso lo spazio e il tempo non può essere trattato separatamente l’uno dall’altro; hai bisogno di entrambi, insieme, per descrivere la tua realtà.
Il tempo è una dimensione, esattamente come lo spazio, così come non importa come sposti te stesso attraverso lo spazio, devi sempre andare avanti nel tempo. Talvolta è scritto che il nostro Universo è tridimensionale + 1 anziché quadridimensionale perché il tempo è su un piano leggermente separato: aumentare il movimento attraverso lo spazio diminuisce il movimento attraverso il tempo e viceversa.
Forse il fatto più notevole della relatività di Einstein è che chiunque, indipendentemente da come si muove nello spazio rispetto a chiunque altro, vedrà che il loro movimento attraverso lo spazio e il tempo è governato dalle.
Cambiare il tuo movimento attraverso lo spazio si tradurrà in effetti prevedibili e conseguenze per il tuo movimento nel tempo, e ogni volta che incontrerai un altro osservatore nelle stesse coordinate di spazio e tempo, potrete entrambi essere d’accordo su ciò che è simultaneo per te in quel preciso momento.
Se il tempo non fosse una dimensione con le proprietà esatte che possiede, la relatività speciale non sarebbe valida e non potremmo costruire lo spaziotempo per descrivere il nostro Universo.
Abbiamo bisogno di tempo come dimensione inestricabile dallo spazio affinché la fisica funzioni come funziona. Quando qualcuno ti chiede se viviamo in un universo tridimensionale, sii orgoglioso di aggiungere un “+1“, rispettando il tempo.
Fonte: Forbes