Ancora non capiamo perché il tempo scorre solo in avanti

La “freccia del tempo” punta sempre in avanti per noi. Ma se osserviamo le leggi della fisica - da Newton a Einstein, da Maxwell a Bohr, da Dirac a Feynman - sembrano essere simmetriche nel tempo

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Ogni momento che passa ci trova in viaggio dal passato al presente e nel futuro, con il tempo che scorre sempre nella stessa direzione. In nessun momento sembra mai fermarsi o invertire il suo senso; la “freccia del tempo” punta sempre in avanti per noi. Ma se osserviamo le leggi della fisica – da Newton a Einstein, da Maxwell a Bohr, da Dirac a Feynman – sembrano essere 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, 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?

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Una palla a metà rimbalzo ha le sue traiettorie passate e future determinate dalle leggi della fisica, ma per noi il tempo scorrerà solo nel futuro. – (Utenti Wikimedia Commons MichaelMaggs e (a cura di) Richard Bartz)

Molte persone credono che potrebbe esserci una connessione tra la freccia del tempo e una quantità chiamata entropia. Mentre la maggior parte delle persone normalmente identifica il “disturbo” con l’entropia, questa è una descrizione piuttosto pigra che non è nemmeno particolarmente accurata. Invece, pensa all’entropia come a una misura di quanta energia termica (calore) potrebbe essere trasformata in utile lavoro meccanico. Se hai molta di questa energia in grado di svolgere potenzialmente un 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 (autosufficiente) può solo aumentare o rimanere la stessa 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 preferita 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 di MinutePhysics e il fisico Sean Carroll, autore di The Big PictureFrom 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 dritto contro l’entropia.

È vero che l’entropia spiega la freccia del tempo per una serie di fenomeni, incluso il motivo per cui caffè e latte si mescolano ma non si fondono, perché il ghiaccio si scioglie in una bevanda calda ma non si alza mai spontaneamente insieme a una bevanda calda da una bevanda fresca, e perché un uovo strapazzato cotto non si risolve mai in un albume e tuorlo separati e crudi. In tutti questi casi, uno stato inizialmente di entropia inferiore (con più energia disponibile e in grado di svolgere il lavoro) si è spostato in uno stato di entropia superiore (e di energia disponibile inferiore) con il passare del tempo. Ci sono molti esempi di questo in natura, inclusa una stanza piena di molecole: un lato pieno di molecole fredde e lente e l’altro pieno di molecole calde e veloci. Basta dargli tempo e la stanza sarà completamente miscelata con particelle di energia intermedia,



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Un sistema allestito 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. In effetti, 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 vengono aggiunte o tolte 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 una divisione tra i due lati della stanza quando permette alle molecole “fredde” di fluire su un lato e le molecole “calde” a fluire sull’altro. 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. – (Utente di Wikimedia Commons Htkym)

Non puoi veramente violare la seconda legge della termodinamica in questo modo, ovviamente. Il problema è che il demone deve spendere un’enorme quantità di energia per separare 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, aumenta nel complesso. Ma ecco il kicker: anche se vivessi nella scatola e non riuscissi a rilevare l’esistenza del demone – in altre parole, se tutto ciò che facevi fosse vivere in una sacca dell’Universo che ha visto diminuire la sua entropia – il tempo scorrerebbe comunque avanti. La freccia termodinamica del tempo non determina la direzione in cui percepiamo lo scorrere del tempo.

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Non importa come cambiamo l’entropia dell’Universo che ci circonda, il tempo continua a passare per tutti gli osservatori alla velocità di un secondo al secondo. (dominio pubblico)

Allora, da dove viene la freccia del tempo? 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 tremenda diminuzione in tutta la storia cosmica: la fine dell’inflazione cosmica e la sua transizione al 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 si saranno esaurite, dopo che tutti i buchi neri saranno decaduti, dopo che l’energia oscura avrà allontanato le galassie non legate l’una dall’altra e le interazioni gravitazionali avranno eliminato gli ultimi resti planetari e stellari legati. Questo stato termodinamico di massima entropia è noto come la “morte termica” dell’Universo.

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La natura quantistica dell’inflazione fa sì che finisca in alcune “tasche” dell’Universo e continui in altre, ma non abbiamo ancora capito né quale fosse la quantità di entropia durante l’inflazione né come abbia dato origine allo stato di bassa entropia al 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 spazio vuoto stesso, è stata convertita in un bagno termicamente caldo di particelle, antiparticelle e radiazioni? E l’Universo è passato da uno stato di entropia incredibilmente alto durante l’inflazione cosmica a uno stato 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 svolgere un lavoro meccanico? A questo punto, abbiamo solo teorie a guidarci; le firme sperimentali o osservazionali che ci darebbero 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)

Capiamo la freccia del tempo da una prospettiva termodinamica, e questo è un pezzo di conoscenza incredibilmente prezioso e interessante. Ma se vogliamo sapere perché ieri è nel passato immutabile, domani arriverà tra un giorno e il presente è quello che stiamo vivendo in questo momento, la termodinamica non ti darà la risposta. Nessuno, infatti, capisce ancora cosa lo farà.

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