Se l’Universo dovesse collassare, il tempo inizierà a scorrere all’indietro?

Dall'inizio del Big Bang, il tempo scorre in avanti mentre l'Universo si espande. Ma il tempo potrà mai scorrere all'indietro, invece?

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Indice

Con ogni momento che passa nell’Universo, avanziamo costantemente nel tempo. Ogni istante lascia il posto al successivo, con il tempo che sembra scorrere continuamente nella stessa direzione – in avanti – immancabilmente. Eppure, non è particolarmente chiaro esattamente perché sia così. Tuttavia, possiamo scoprire che accadono un certo numero di cose che si muovono sempre nella stessa direzione, di momento in momento, esattamente come fa il tempo. Gli oggetti si muovono nell’Universo in proporzione alla loro velocità. Cambiano il loro movimento a causa degli effetti della gravità e delle altre forze. Su larga scala, l’Universo si espande. E ovunque guardiamo, l’entropia dell’Universo sale sempre.

Mentre la storia della nostra evoluzione cosmica continua, pensiamo che tutte queste cose continueranno: le leggi della fisica continueranno ad applicarsi proprio come fanno oggi, la presenza dell’energia oscura assicura che l’Universo continuerà ad espandersi e l’entropia continuerà ad aumentare. Molti hanno ipotizzato, sebbene non ci siano prove, che la freccia della termodinamica e la freccia del tempo possano essere correlate. Altri ancora hanno ipotizzato che l’energia oscura potrebbe evolversi nel tempo, piuttosto che essere una costante, lasciando la porta aperta alla possibilità che un giorno potrebbe contrastare e invertire l’espansione del nostro Universo. Cosa succederebbe, allora, se unissimo queste speculazioni?

Finiremmo per immaginare che forse l’Universo smetterà di espandersi, che invece inizierà a collassare, e che dovremo quindi chiederci se questo significa che l’entropia potrebbe diminuire e/o il tempo potrebbe anche iniziare a correre all’indietro? È una possibilità sconvolgente, a cui le leggi della fisica devono rispondere. Vediamo cosa hanno da dire su tutto questo!

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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. Mentre le leggi del moto di Newton sono le stesse sia che tu faccia scorrere l’orologio avanti o indietro nel tempo, non tutte le regole della fisica si comportano in modo identico se fai scorrere l’orologio avanti o indietro, indicando una violazione della simmetria di inversione temporale (T) in cui si verifica.
Credito : MichaelMaggs Modifica di Richard Bartz/Wikimedia Commons)

Una delle simmetrie più importanti in tutta la fisica è nota come simmetria di inversione temporale. In parole povere, dice che le leggi della fisica obbediscono alle stesse regole sia che tu faccia scorrere l’orologio avanti o indietro. Ci sono molti esempi in cui un fenomeno, se si esegue l’orologio in avanti, corrisponde a un fenomeno ugualmente valido se si esegue l’orologio all’indietro. Per esempio:

  • Una collisione puramente elastica, come la collisione di due palline da biliardo, si comporterebbe esattamente allo stesso modo se facessi scorrere l’orologio avanti e indietro, fino alla velocità e all’angolo a cui le palline scatteranno.
  • Una collisione puramente anelastica, in cui due oggetti si scontrano e si attaccano insieme, è esattamente la stessa di un’esplosione puramente anelastica al contrario, in cui l’energia assorbita o rilasciata dai materiali è identica.
  • Le interazioni gravitazionali funzionano allo stesso modo avanti e indietro.
  • Le interazioni elettromagnetiche si comportano in modo identico avanti e indietro nel tempo.
  • Anche la forza nucleare forte, che lega insieme i nuclei atomici, è identica avanti e indietro nel tempo.

L’unica eccezione, e l’unico momento noto in cui tale simmetria viene violata, si verifica nell’interazione nucleare debole: la forza responsabile del decadimento radioattivo. Se ignoriamo questo valore anomalo, le leggi della fisica sono davvero le stesse indipendentemente dal fatto che il tempo vada avanti o indietro.



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I singoli protoni e neutroni possono essere entità incolori, ma i quark al loro interno sono colorati. I gluoni possono non solo essere scambiati tra i singoli gluoni all’interno di un protone o neutrone, ma in combinazioni tra protoni e neutroni, portando al legame nucleare. Tuttavia, ogni singolo scambio deve obbedire all’intera suite di regole quantistiche e queste interazioni di forze forti sono simmetriche di inversione temporale. – Credito : Manishearth/Wikimedia Commons)

Ciò significa che, se finisci in qualsiasi stato finale in qualsiasi momento, c’è sempre un modo per tornare al tuo stato iniziale se applichi la giusta serie di interazioni nell’ordine giusto. L’unica eccezione è che, se il tuo sistema è abbastanza complesso, dovresti conoscere cose come le posizioni precise e il momento della tua particella con una precisione migliore di quanto sia possibile con la meccanica quantistica. Lasciando da parte le interazioni deboli e questa sottile regola quantistica, le leggi della natura sono davvero invarianti di inversione temporale.

Ma questo non sembra essere il caso di tutto ciò che sperimentiamo. Alcuni fenomeni mostrano chiaramente una freccia del tempo o una preferenza per una particolare direzione a senso unico. Se prendi un uovo, lo rompi, lo strapazzi e lo cucini, è facile; Tuttavia, non potrai mai cuocere, riordinare e rimettere l’uovo nel guscio, non importa quante volte ci provi. Se cade un bicchiere e si frantuma, non vedrai mai quei frammenti di vetro sollevarsi e rimontarsi spontaneamente. Per questi esempi, c’è chiaramente una direzione preferita per le cose: una freccia in cui le cose scorrono.

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Un bicchiere di vino, se vibrato alla giusta frequenza, si frantumerà. Questo è un processo che aumenta notevolmente l’entropia del sistema ed è termodinamicamente favorevole. Il processo inverso, di schegge di vetro che si riassemblano in un vetro intero, non incrinato, è così improbabile che non si verifica mai nella pratica.
Credito : BBC Worldwide/GIPHY)

È vero che si tratta di sistemi macroscopici complessi, che sperimentano un insieme estremamente intricato di interazioni. Tuttavia, la combinazione di tutte queste interazioni aggiunge qualcosa di importante: quella che conosciamo come la freccia del tempo termodinamica. Le leggi della termodinamica affermano fondamentalmente che ci sono un numero finito di modi in cui le particelle nel tuo sistema possono essere disposte e quelle che hanno il numero massimo di configurazioni possibili – le configurazioni in quello che chiamiamo equilibrio termodinamico — sono quelle verso cui tenderanno tutti i sistemi col passare del tempo.

L’entropia, che è una misura di quanto statisticamente probabile o improbabile sia una particolare configurazione (molto probabile = massima entropia; molto improbabile = bassa entropia), aumenta sempre nel tempo. Solo se sei già nella configurazione di entropia più probabile e più alta, la tua entropia rimarrà la stessa nel tempo; in qualsiasi altro stato, la tua entropia aumenterà.

Il mio esempio preferito è immaginare una stanza con un divisorio nel mezzo: con un lato pieno di particelle di gas caldo e l’altro pieno di particelle di gas freddo. Se rimuovi il divisorio, i due lati si mescoleranno e raggiungeranno la stessa temperatura ovunque. La situazione invertita nel tempo, in cui prendi una stanza di temperatura uniforme e infili un divisorio nel mezzo, ottenendo spontaneamente un lato caldo e uno freddo, è statisticamente così improbabile che, data l’età finita dell’Universo, non si verifica mai.

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Un sistema allestito nelle condizioni iniziali a sinistra e lasciato evolvere avrà meno entropia se la porta rimane chiusa che se la porta viene aperta. Se le particelle possono mescolarsi, ci sono più modi per disporre il doppio delle particelle alla stessa temperatura di equilibrio che per disporre la metà di quelle particelle, ciascuna, a due diverse temperature. – ( Credito : Htkym & Dhollm/Wikimedia Commons)

Ma potrebbe  succedere, se tu fossi disposto a manipolare queste particelle in modo abbastanza complesso, che potresti pompare abbastanza energia nel sistema per separare le particelle in calde e fredde, relegando un lato a contenere tutte le particelle calde e l’altro a contenere tutte le particelle fredde. Questa idea è stata avanzata circa 150 anni fa e risale alla persona che unificò l’elettricità e il magnetismo in quello che oggi conosciamo come elettromagnetismo: James Clerk Maxwell. È conosciuto, nel linguaggio comune, come il demone di Maxwell.

Immagina di avere questa stanza piena di particelle calde e fredde, e c’è un divisorio centrale, ma le particelle sono distribuite uniformemente su entrambi i lati. Solo che c’è un demone che controlla il divisore. Ogni volta che una particella calda si schianta contro il divisore dal lato “freddo”, il demone apre un cancello, lasciando passare la particella calda. Allo stesso modo, il demone lascia passare anche le particelle fredde dal lato “caldo”. Il demone deve immettere energia nel sistema affinché ciò accada, e se si considera il demone come parte del sistema scatola/divisorio, l’entropia totale aumenta comunque. Tuttavia, solo per la scatola/divisore, se dovessi ignorare il demone, vedresti diminuire l’entropia proprio di quel sistema di scatole/divisori.

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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. Aprendo e chiudendo il divisore tra i due lati, il flusso di particelle può essere controllato in modo complesso, riducendo l’entropia del sistema all’interno della scatola. Tuttavia, il demone deve esercitare energia affinché ciò avvenga e l’entropia complessiva del sistema scatola+demone aumenterebbe. – ( Credito : Htkym/Wikimedia Commons)

In altre parole, manipolando il sistema in modo appropriato dall’esterno, cosa che comporta sempre il pompaggio di energia dall’esterno del sistema nel sistema stesso, è possibile far diminuire artificialmente l’entropia di questo sistema non isolato.

La grande domanda, prima ancora di arrivare all’Universo, è immaginare che insieme a queste particelle calde e fredde, ci sia anche un orologio all’interno del sistema. Se tu fossi all’interno del sistema, non conoscessi il demone, ma vedessi il cancello aprirsi e chiudersi rapidamente in vari punti – apparentemente in modo casuale – e sperimentassi un lato della stanza diventare più caldo mentre l’altro diventa più freddo, cosa concluderesti?

Sembrerebbe che il tempo stia scorrendo all’indietro? Le lancette dell’orologio inizierebbero a ticchettare all’indietro anziché in avanti? Ti sembrerebbe che il flusso del tempo si sia invertito?

Non abbiamo mai eseguito questo esperimento, ma per quanto ne sappiamo, la risposta dovrebbe essere “no”. Abbiamo sperimentato condizioni in cui l’entropia:

  • aumenta rapidamente,
  • aumenta lentamente,
  • rimane la stessa,

sia nei sistemi sulla Terra che per l’Universo nel suo insieme, e per quanto ne sappiamo, il tempo continua a marciare sempre in avanti alla stessa velocità che fa sempre: un secondo al secondo.

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Un orologio luminoso, formato da un fotone che rimbalza tra due specchi, definirà il tempo per qualsiasi osservatore. Anche se i due osservatori potrebbero non essere d’accordo su quanto tempo sta passando, saranno d’accordo sulle leggi della fisica e sulle costanti dell’Universo, come la velocità della luce. Soprattutto, il tempo sembra scorrere sempre avanti, mai indietro.
Credito : John D. Norton/Università di Pittsburgh)

In altre parole, c’è una freccia del tempo percepita e c’è una freccia del tempo termodinamica, ed entrambe puntano sempre nella direzione in avanti. Si tratta di causalità? Mentre alcuni, in particolare Sean Carroll, ipotizzano che siano collegate in qualche modo, dovremmo ricordare che si tratta di pura speculazione e che nessun collegamento è mai stato scoperto o dimostrato. Per quanto ne sappiamo, la freccia del tempo termodinamica è una conseguenza della meccanica statistica ed è una proprietà emersa per i sistemi a molti corpi. La freccia del tempo percepita, tuttavia, sembra in gran parte indipendente da qualsiasi cosa l’entropia o la termodinamica possano fare.

Cosa succede, semmai, quando mettiamo l’Universo in espansione nell’equazione?

È vero che, almeno dal caldo Big Bang, l’Universo si è espanso. È anche vero che mentre il tempo è lineare, passando a quella velocità percepita costante di un secondo al secondo, la velocità con cui l’Universo si espande non lo è. L’Universo si è espanso molto più rapidamente in passato, si sta espandendo più lentamente oggi e asintoterà un valore finito e positivo. Questo, per quanto ne sappiamo, significa che galassie lontane che non sono legate gravitazionalmente a noi continueranno a recedere dalla nostra prospettiva, sempre più velocemente, finché ciò che resta del nostro Gruppo Locale non sarà l’unica cosa rimasta a cui possiamo accedere.

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I lontani destini dell’Universo offrono una serie di possibilità, ma se l’energia oscura è davvero una costante, come indicano i dati, continuerà a seguire la curva rossa, portando allo scenario a lungo termine qui descritto: dell’eventuale morte termica dell’Universo. Se l’energia oscura si evolve con il tempo, un Big Rip o un Big Crunch sono comunque ammessi. – ( Credito : NASA/CXC/M. Weiss)

Ma se non fosse così? E se, come in alcune varianti teoriche dell’energia oscura in evoluzione, l’espansione continuasse a rallentare, fino a fermarsi del tutto, e quindi la gravità provocasse la contrazione dell’Universo? È ancora uno scenario plausibile, anche se le prove non lo indicano, e se si risolvesse, l’Universo potrebbe comunque finire in un Big Crunch in un lontano futuro.

Ora, se prendi un Universo in espansione e gli applichi quella simmetria precedente – simmetria di inversione temporale – ne otterrai un Universo in contrazione. Il contrario dell’espansione è la contrazione; se invertissi nel tempo l’Universo in espansione, otterresti un Universo in contrazione. Ma all’interno di quell’Universo, dobbiamo guardare alle cose che stanno ancora accadendo.

La gravitazione è ancora una forza attrattiva e le particelle che cadono (o formano) una struttura legata scambiano ancora energia e quantità di moto attraverso collisioni elastiche e anelastiche. Le normali particelle di materia perderanno comunque momento angolare e collasseranno. Subiranno comunque transizioni atomiche e molecolari ed emetteranno luce e altre forme di energia. Per dirla senza mezzi termini, tutto ciò che fa aumentare l’entropia oggi farà ancora aumentare l’entropia in un Universo in contrazione.

https specials images.forbesimg.com imageserve 59c1b43731358e542c029535 Illustration of the Big Bang and the subsequently expanding Universe

Questa immagine, che rappresenta l’evoluzione dell’Universo in espansione, mostra il tempo che scorre in avanti insieme all’espansione del nostro Universo. Col passare del tempo, l’entropia aumenta. Per quanto ne sappiamo, se l’espansione si invertisse, l’entropia continuerebbe ad aumentare e il tempo continuerebbe a scorrere in avanti. – ( Credito : NASA/GSFC)

Quindi, se l’Universo si contrae, l’entropia aumenterà comunque. In effetti, il più grande fattore di entropia nel nostro Universo è l’esistenza e la formazione di buchi neri supermassicci. Nel corso della storia dell’Universo, la nostra entropia è aumentata di circa 30 ordini di grandezza; il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea da solo ha più entropia di quella che l’intero Universo aveva appena 1 secondo dopo il caldo Big Bang!

Non solo il tempo continuerebbe a scorrere in avanti, per quanto ne sappiamo, ma l’istante che precederà il Big Crunch avrà un’entropia enormemente superiore a quella dell’Universo all’inizio del Big Bang caldo. Tutta la materia e l’energia, in quelle condizioni estreme, inizieranno a fondersi mentre gli orizzonti degli eventi di tutti i buchi neri supermassicci cominceranno a sovrapporsi. Se mai esistesse uno scenario in cui le onde gravitazionali e gli effetti gravitazionali quantistici potrebbero manifestarsi su scale macroscopiche, sarebbe questo. Con tutta la materia e l’energia compresse in un volume così piccolo, il nostro Universo formerebbe un buco nero supermassiccio con un orizzonte degli eventi di miliardi di anni luce.

Dall’esterno di un buco nero, tutta la materia in caduta emette luce ed è sempre visibile, mentre nulla da dietro l’orizzonte degli eventi può uscire. Ma se fossi tu quello che è caduto in un buco nero, la tua energia potrebbe plausibilmente riemergere come parte di un caldo Big Bang in un Universo appena nato; la connessione tra i buchi neri e la nascita di nuovi universi è ancora speculativa, ma viene respinta a nostro rischio e pericolo. – ( Credito : Andrew Hamilton, JILA, Università del Colorado)

La cosa interessante di questo scenario è che gli orologi funzionano in modo diverso quando ci si trova in un forte campo gravitazionale: dove ci si trova a distanze sufficientemente piccole da una massa sufficientemente grande. Se l’Universo dovesse ricadere e avvicinarsi a un Big Crunch, ci ritroveremmo inevitabilmente ad avvicinarci al bordo dell’orizzonte degli eventi di un buco nero e, come sappiamo, con l’aumetare della gravità il tempo inizierebbe a dilatarsi per noi: allungando il nostro momento finale verso l’infinito. Ci sarebbe una specie di corsa che si verifica quando cadiamo nella singolarità centrale di un buco nero e tutte le singolarità si fondono per portare alla fine definitiva del nostro Universo in un Big Crunch.

Cosa succederebbe dopo? L’Universo sparirebbe semplicemente dall’esistenza, come un nodo complicato che è stato improvvisamente manipolato in modo tale da essere sciolto? Porterebbe alla nascita di un nuovo Universo, dove questo Big Crunch porterebbe a un altro Big Bang? Ci sarebbe una sorta di interruzione, dando origine a una sorta di rinascita senza raggiungere una singolarità?

Queste sono alcune delle domande di frontiera della fisica teorica e, sebbene non conosciamo la risposta, una cosa sembra essere vera in tutti gli scenari: l’entropia dell’intero Universo aumenta ancora e il tempo scorre sempre in avanti. Se questo si rivelerà non corretto sarà perché c’è qualcosa di profondo che ci sfugge, che aspetta ancora di essere scoperto.

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