Ancora non capiamo perché il tempo scorre solo in avanti

Il passato è andato, il futuro non è ancora qui, solo il presente è adesso. Ma perché il tempo scorre sempre in un'unica direzione?

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Ancora non capiamo perché il tempo scorre solo in avanti
Ancora non capiamo perché il tempo scorre solo in avanti

Ogni momento che passa ci fa viaggiare dal passato al presente e al futuro, con il tempo che scorre sempre nella stessa direzione. In nessun momento sembra mai fermarsi o invertirsi; la “freccia del tempo” punta sempre in avanti per noi.

Ma se guardiamo alle leggi della fisica – da Newton a Einstein, da Maxwell a Bohr, da Dirac a Feynman – sembrano simmetriche nel tempo. In altre parole, le equazioni che governano la realtà non hanno una preferenza per il modo in cui scorre il tempo.

Le soluzioni che descrivono il comportamento di qualsiasi sistema che obbedisce alle leggi della fisica, così come le intendiamo noi, sono valide tanto per il tempo che scorre nel passato quanto per il tempo che scorre nel futuro. Eppure sappiamo per esperienza che il tempo scorre solo in un modo: in avanti. Allora da dove viene la freccia del tempo?

Molte persone credono che ci possa essere una connessione tra la freccia del tempo e una quantità chiamata entropia. Mentre la maggior parte delle persone normalmente identifica il “disordine” con l’entropia, questa è una descrizione piuttosto pigra è non particolarmente accurata. Invece, pensa all’entropia come a una misura di quanta energia termica (calore) potrebbe essere trasformata in lavoro meccanico utile.

Se hai molta di questa energia in grado di svolgere potenzialmente lavoro, hai un sistema a bassa entropia, mentre se ne hai pochissima, hai un sistema ad alta entropia. La seconda legge della termodinamica è una relazione molto importante in fisica e afferma che l’entropia di un sistema chiuso (autonomo) può solo aumentare o rimanere invariata nel tempo; non può mai scendere. In altre parole, nel tempo, l’entropia dell’intero Universo deve aumentare. È l’unica legge della fisica che sembra avere una direzione privilegiata per il tempo.

Quindi, questo significa che sperimentiamo il tempo solo nel modo in cui lo facciamo a causa della seconda legge della termodinamica? Che c’è una connessione fondamentalmente profonda tra la freccia del tempo e l’entropia?

Alcuni fisici la pensano così, ed è certamente una possibilità. In un’interessante collaborazione del 2016 tra il canale YouTube MinutePhysics e il fisico Sean Carroll, autore di The Big Picture, From Eternity To Here, e un fan dell’entropia/freccia del tempo, tentano di rispondere alla domanda sul perché il tempo non scorre all’indietro. Non sorprende che puntino il dito contro l’entropia.



È vero che l’entropia spiega la freccia del tempo per una serie di fenomeni, tra cui perché il caffè e il latte si mescolano ma non si separano, perché il ghiaccio si scioglie in una bevanda calda ma non si forma mai spontaneamente insieme a una bevanda calda da una bevanda fresca, e perché un uovo strapazzato cotto non si risolve mai in albume e tuorlo non cotti e separati.

In tutti questi casi, uno stato inizialmente di bassa entropia (con più energia disponibile, capace di fare lavoro) si è spostato in uno stato di maggiore entropia (e minore energia disponibile) con il passare del tempo. Ci sono molti esempi di questo in natura, ad esempio una stanza piena di molecole: un lato pieno di molecole fredde e lente e l’altro pieno di molecole calde e veloci. Dagli semplicemente tempo e la stanza sarà completamente mescolata con particelle di energia intermedia,

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Un sistema impostato nelle condizioni iniziali a sinistra e lasciato evolvere diventerà spontaneamente il sistema a destra, guadagnando entropia nel processo. (Utenti di Wikimedia Commons Htkym e Dhollm)

Tranne che non è completamente irreversibile. C’è un avvertimento che la maggior parte delle persone dimentica quando si tratta della seconda legge della termodinamica e dell’aumento dell’entropia: si riferisce solo all’entropia di un sistema chiuso, o un sistema in cui non viene aggiunta o tolta energia esterna o cambiamenti nell’entropia.

Un modo per invertire questa reazione fu escogitato per la prima volta dal grande fisico James Clerk Maxwell nel lontano 1870: basta avere un’entità esterna che apra uno spartiacque tra i due lati della stanza quando permette alle molecole “fredde” di fluire su da una parte e le molecole “calde” fluiscano dall’altra. Questa idea divenne nota come il demone di Maxwell e, dopotutto, ti consente di diminuire l’entropia del sistema!

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Una rappresentazione del demone di Maxwell, che può ordinare le particelle in base alla loro energia su entrambi i lati di una scatola. (Htkym, utente di Wikimedia Commons)

In realtà non puoi violare la seconda legge della termodinamica facendo questo, naturalmente. Il problema è che il demone deve spendere un’enorme quantità di energia per segregare le particelle in questo modo. Il sistema, sotto l’influenza del demone, è un sistema aperto; se includi l’entropia del demone stesso nel sistema totale di particelle, scoprirai che l’entropia totale, in effetti, nel complesso aumenta. Ma ecco il bello: anche se vivessi nella scatola e non riuscissi a rilevare l’esistenza del demone – in altre parole, se tutto ciò che facessi fosse vivere in una tasca dell’Universo che vedesse la sua entropia diminuire – il tempo scorrerebbe comunque avanti per Voi.

La freccia del tempo termodinamica non determina la direzione in cui percepiamo il passaggio del tempo.

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Non importa come cambiamo l’entropia dell’Universo intorno a noi, il tempo continua a passare per tutti gli osservatori al ritmo di un secondo al secondo. (dominio pubblico)

Allora da dove viene la freccia del tempo che come la percepiamo? Non lo sappiamo. Quello che sappiamo, tuttavia, è che la freccia del tempo termodinamica non è quella. Le nostre misurazioni dell’entropia nell’Universo conoscono solo una possibile enorme diminuzione in tutta la storia cosmica: la fine dell’inflazione cosmica e la sua transizione verso il caldo Big Bang (e anche questo potrebbe aver rappresentato un aumento molto grande dell’entropia, passando da uno stato inflazionistico a uno stato pieno di materia e radiazioni).

Sappiamo che il nostro Universo è diretto verso un destino freddo e vuoto dopo che tutte le stelle avranno esaurito il loro combustibile, dopo che tutti i buchi neri saranno evaporati, dopo che l’energia oscura avrà allontanato le galassie non legate l’una dall’altra e le interazioni gravitazionali avranno espulso gli ultimi resti planetari e stellari. Questo stato termodinamico di massima entropia viene definito “morte termica” dell’Universo.

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La natura quantistica dell’inflazione significa che finisce in alcune “sacche” dell’Universo e continua in altre, ma non capiamo ancora né quale fosse la quantità di entropia durante l’inflazione né come abbia dato origine allo stato di bassa entropia all’inizio del caldo Big Bang. (E. Siegel / Oltre la Galassia)

Come è finita l’inflazione? In che modo l’energia del vuoto dell’Universo, l’energia inerente allo stesso spazio vuoto, si è convertita in un bagno termicamente caldo di particelle, antiparticelle e radiazioni? E l’Universo è passato da uno stato di entropia incredibilmente alta durante l’inflazione cosmica a uno di entropia inferiore durante il caldo Big Bang, o l’entropia durante l’inflazione era ancora più bassa a causa dell’eventuale capacità dell’Universo di compiere lavoro meccanico? A questo punto, abbiamo solo teorie a guidarci; le firme sperimentali o osservative che ci direbbero le risposte a queste domande non sono state scoperte.

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Dalla fine dell’inflazione e dall’inizio del caldo Big Bang, l’entropia aumenta sempre fino ai giorni nostri. (E. Siegel, con immagini derivate da ESA/Planck e dalla task force interagenzia DoE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)

Comprendiamo la freccia del tempo da una prospettiva termodinamica e questa è una conoscenza incredibilmente preziosa e interessante. Ma se vuoi sapere perché ieri è nel passato immutabile, domani arriverà tra un giorno e il presente è quello che stai vivendo in questo momento, la termodinamica non ti darà la risposta. Nessuno, infatti, capisce cosa lo farà.

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