Spaziotempo: è reale e fisico o solo uno strumento di calcolo?

La relatività di Einstein ha rovesciato la nozione di spazio e tempo assoluti, sostituendoli con un tessuto spaziotemporale. Ma lo spaziotempo è davvero reale?

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Spaziotempo: è reale e fisico o solo uno strumento di calcolo?
Spaziotempo: è reale e fisico o solo uno strumento di calcolo?

La maggior parte di noi pensa  agli oggetti materiali che sono nell’universo senza rendersi conto che la materia collassa sotto la sua stessa gravità per formare strutture cosmiche come le galassie, mentre le nubi di gas si condensano per formare stelle e pianeti. Le stelle quindi emettono luce bruciando il loro combustibile attraverso la fusione nucleare, quella luce viaggia attraverso l’Universo, illuminando tutto ciò con cui entra in contatto. Ma c’è di più nell’Universo oltre agli oggetti al suo interno. C’è anche il tessuto dello spaziotempo, che ha il proprio insieme di regole in base alle quali gioca: la Relatività Generale. Il tessuto dello spaziotempo è curvato dalla presenza di materia ed energia, e lo stesso spaziotempo curvo dice alla materia e all’energia come muoversi attraverso di esso.

Ma qual è, esattamente, la natura fisica dello spaziotempo? È una cosa reale, fisica, come lo sono gli atomi, o è semplicemente uno strumento di calcolo che usiamo per dare le risposte giuste per il movimento e il comportamento della materia all’interno dell’Universo?

È una domanda eccellente e difficile da capire. Inoltre, prima che arrivasse Einstein, la nostra concezione dell’Universo era molto diversa da quella che abbiamo oggi. Per rispondere, torniamo indietro nell’Universo a prima che avessimo il concetto di spaziotempo, e poi andiamo avanti a dove siamo oggi.

A un livello fondamentale, avevamo a lungo supposto che se si prendeva tutto ciò che era nell’Universo e lo si tagliava in componenti sempre più piccoli, alla fine si sarebbe raggiunto qualcosa di indivisibile. Letteralmente, questo è ciò che significa la parola “atomo”: dal greco ἄτομος: non tagliabile. Questa idea risale a circa 2400 anni fa a Democrito di Abdera, ma è plausibile che possa risalire ancora più indietro. Queste entità “non tagliabili” esistono; ognuna è nota come particella quantistica. Nonostante abbiamo preso il nome di “atomo” per gli elementi della tavola periodica, in realtà sono le particelle subatomiche come quark, gluoni ed elettroni (così come le particelle che non si trovano affatto negli atomi) che sono veramente indivisibili.

Questi quanti si uniscono per costruire tutte le strutture complesse che conosciamo nell’Universo, dai protoni agli atomi, dalle molecole agli esseri umani. Eppure, indipendentemente dai tipi di quanti con cui abbiamo a che fare – materia o antimateria, strutture massicce o prive di massa, fondamentali o composite, su scala subatomica o cosmica – quei quanti esistono solo all’interno dello stesso Universo in cui siamo noi.



Questo è importante, perché se vuoi che le “cose” nel tuo Universo interagiscano, si leghino insieme, formino strutture, trasferiscano energia, ecc, ci deve essere un modo per le diverse cose che esistono all’interno dell’universo di influenzarsi l’un l’altra. È come avere una commedia in cui tutti i personaggi sono delineati, tutti gli attori pronti a interpretarli, tutti i costumi pronti per essere indossati e tutte le battute scritte e memorizzate. L’unica cosa che manca, eppure molto necessaria perché lo spettacolo abbia luogo, è un palcoscenico.

Qual è questo palcoscenico in fisica?

Prima che arrivasse Einstein, il palcoscenico era stato allestito da Newton. Secondo lui, tutti gli “attori” nell’Universo potrebbero essere descritti da un insieme di coordinate: una posizione nello spazio tridimensionale (una posizione) così come un momento nel tempo (un istante). Puoi immaginarlo come una griglia cartesiana: una struttura tridimensionale con un asse xy e z, dove ogni quanto può avere una quantità di moto, descrivendo il suo movimento attraverso lo spazio in funzione del tempo. Si presumeva che il tempo stesso fosse lineare, passando sempre alla stessa velocità. Nell’immagine di Newton, sia lo spazio che il tempo erano assoluti.

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Spesso visualizziamo lo spazio come una griglia 3D, anche se questa è una semplificazione eccessiva dipendente dal frame quando consideriamo il concetto di spaziotempo. In realtà, lo spazio-tempo è curvato dalla presenza di materia ed energia, e le distanze non sono fisse ma piuttosto possono evolvere man mano che l’Universo si espande o si contrae. Prima di Einstein, si pensava che lo spazio e il tempo fossero fissi e assoluti per tutti; oggi sappiamo che questo non può essere vero. ( Credito : Reunmedia/Storyblocks)

Tuttavia, la scoperta della radioattività alla fine del XIX secolo iniziò a mettere in dubbio l’immagine di Newton. Il fatto che gli atomi possano emettere particelle subatomiche che si muovono vicino alla velocità della luce ci ha insegnato qualcosa di eccitante: quando una particella si muove vicino alla velocità della luce, sperimenta lo spazio e il tempo in modo molto diverso da qualcosa che si muove lentamente o è a riposo.

Particelle instabili che decadono molto rapidamente a riposo vivono tanto più a lungo quanto più si avvicinano alla velocità della luce mentre si muovono. E se provassi a calcolare l’energia o la quantità di moto di una particella in movimento, osservatori diversi (ovvero persone che osservano la particella e si muovono a velocità diverse rispetto ad essa) calcolerebbero valori incoerenti tra loro.

C’è qualcosa che non va nella concezione di spazio e tempo di Newton. A velocità vicine a quella della luce, il tempo si dilata, le lunghezze si contraggono e l’energia e la quantità di moto dipendono davvero dal moto relativo. In breve, il modo in cui vivi l’Universo dipende dal tuo movimento attraverso di esso.

Einstein fu responsabile della notevole svolta del concetto di relatività, che identificava quali quantità erano invarianti, e non cambiavano con il moto dell’osservatore, e quali erano dipendenti dal moto dell’osservatore. La velocità della luce, ad esempio, è la stessa per tutti gli osservatori, così come la massa a riposo di ogni quanto di materia. Ma la distanza spaziale che percepisci tra due punti dipende fortemente dal tuo movimento lungo la direzione che collega quei punti. Allo stesso modo, anche la velocità con cui il tuo orologio corre mentre viaggi da un punto all’altro dipende dal tuo movimento.

Lo spazio e il tempo non erano assoluti, come intuiva Newton, ma erano vissuti in modo diverso da osservatori diversi: erano relativi, da cui deriva il nome “relatività”. Inoltre, c’era una relazione specifica tra il modo in cui ogni particolare osservatore sperimentava lo spazio e il modo in cui sperimentava il tempo: qualcosa che fu messo insieme, un paio di anni dopo che Einstein espose la sua teoria della relatività ristretta, dal suo ex professore, Hermann Minkowski, che espose un struttura matematica unificata che comprende insieme spazio e tempo: lo spaziotempo. Come disse lo stesso Minkowski,

“D’ora in poi lo spazio in sé e il tempo in sé sono destinati a svanire in mere ombre, e solo una sorta di unione dei due conserverà una realtà indipendente.”

Oggi, questo spaziotempo è ancora comunemente il nostro palcoscenico utilizzato ogni volta che trascuriamo la gravità: lo spazio di Minkowski.

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Un esempio di cono di luce, la superficie tridimensionale di tutti i possibili raggi di luce che arrivano e partono da un punto nello spaziotempo. Più ti muovi nello spazio, meno ti muovi nel tempo e viceversa. Solo le cose contenute nel tuo cono di luce passato possono influenzarti oggi; solo le cose contenute nel tuo cono di luce futuro potranno essere percepite da te in futuro. Questo illustra lo spazio piatto di Minkowski, non lo spazio curvo della Relatività Generale. ( Credito : MissMJ/Wikimedia Commons)

Lo spaziotempo è reale?

Ma nel nostro vero universo, abbiamo la gravitazione. La gravità non è una forza che agisce istantaneamente attraverso i confini dello spazio, ma piuttosto si propaga solo alla stessa velocità a cui si muovono tutti i quanti privi di massa: la velocità della luce. (Sì, la velocità di gravità è uguale alla velocità della luce). Tutte le regole che sono state formulate nella relatività ristretta si applicano ancora all’Universo, ma per portare la gravità nell’ovile, era necessario qualcosa in più: l’idea che lo spaziotempo stesso avesse un’intrinseca curvatura che dipendeva dalla presenza di materia ed energia al suo interno.

È semplice, in un certo senso: quando metti una serie di attori su un palco, quel palco deve sopportare il peso degli attori stessi. Se gli attori sono abbastanza massicci e il palcoscenico non è perfettamente rigido, il palcoscenico stesso si deformerà per la presenza degli attori.

Lo stesso fenomeno è in gioco con lo spaziotempo: la presenza di materia ed energia lo curva, e quella curvatura influenza sia le distanze (spazio) sia la velocità con cui gli orologi corrono (tempo). Inoltre, colpisce entrambi in modo intricato, dove se si calcolano gli effetti che materia ed energia hanno sullo spaziotempo, l’effetto “spaziale” e gli effetti “temporali” sono correlati. Invece delle linee della griglia tridimensionali che abbiamo immaginato nella relatività ristretta, quelle linee della griglia sono ora curve nella Relatività Generale.

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Invece di una griglia vuota, vuota e tridimensionale, mettere giù una massa fa sì che quelle che sarebbero state linee “dritte” si incurvino invece di una quantità specifica. La curvatura dello spazio oltre una certa distanza, al di fuori di una grande massa, rimane invariata anche se si varia il volume occupato dalla massa interna. Visivamente, si noti che queste linee sembrano trascinarsi verso, anziché allontanarsi dalla massa in questione. ( Credito : Christopher Vitale di Networkologies e Pratt Institute)

Puoi, se vuoi, concettualizzare lo spaziotempo come uno strumento puramente di calcolo e non andare mai più in profondità di così. Matematicamente, ogni spaziotempo può essere descritto da un tensore metrico: un formalismo che permette di calcolare come qualsiasi campo, linea, arco, distanza, ecc., possa esistere in modo ben definito. Lo spazio può essere piano o curvo in modo arbitrario; lo spazio può essere finito o infinito; lo spazio può essere aperto o chiuso; lo spazio può contenere qualsiasi numero di dimensioni. Nella Relatività Generale, il tensore metrico è quadridimensionale (con tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale), e la curvatura dello spaziotempo è determinata dalla materia, l’energia e le sollecitazioni presenti al suo interno.

In parole povere, i contenuti del tuo Universo determinano come è curvato lo spaziotempo. Puoi quindi prendere la curvatura dello spaziotempo e usarla per prevedere come ogni quanto di materia ed energia si muoverà e si evolverà nel tuo Universo. Le regole della Relatività Generale ci consentono di prevedere come la materia, la luce, l’antimateria, i neutrini e persino le onde gravitazionali si muoveranno attraverso l’Universo, e queste previsioni si allineano perfettamente con ciò che osserviamo e misuriamo.

Ciò che non misuriamo, però, è lo spaziotempo stesso. Possiamo misurare le distanze e possiamo misurare gli intervalli di tempo, ma queste sono solo sonde indirette dello spaziotempo sottostante. Possiamo misurare qualsiasi cosa interagisca con noi – i nostri corpi, i nostri strumenti, i nostri rilevatori, ecc. – ma un’interazione si verifica solo quando due quanti occupano lo stesso punto nello spaziotempo: quando si incontrano in un “evento”.

Possiamo misurare tutti gli effetti che lo spaziotempo curvo ha sulla materia e sull’energia nell’Universo, tra cui:

  • lo spostamento verso il rosso della radiazione dovuto all’espansione dell’Universo,
  • la flessione della luce dovuta alla presenza di masse in primo piano,
  • gli effetti del trascinamento del fotone su un corpo rotante,
  • l’ulteriore precessione delle orbite dovuta agli effetti gravitazionali che vanno oltre quanto previsto da Newton,
  • come la luce guadagna energia quando cade più in profondità in un campo gravitazionale e perde energia quando ne esce,

e molti, molti altri. Ma il fatto che possiamo misurare solo gli effetti dello spaziotempo sulla materia e sull’energia nell’Universo, e non lo spaziotempo stesso, ci dice che lo spaziotempo si comporta in modo indistinguibile da uno strumento puramente di calcolo.

La gravità quantistica cerca di combinare la teoria della relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica. Le correzioni quantistiche alla gravità classica sono visualizzate come diagrammi ad anello, come quello mostrato qui in bianco. Se estendi il Modello standard per includere la gravità, la simmetria che descrive CPT (la simmetria di Lorentz) può diventare solo una simmetria approssimativa, consentendo violazioni. Finora, tuttavia, non sono state osservate tali violazioni sperimentali. ( Credito : SLAC National Accelerator Laboratory)

Ma ciò non significa che lo spaziotempo stesso non sia un’entità fisicamente reale. Se hai degli attori che recitano uno spettacolo, chiameresti giustamente il luogo in cui si svolge lo spettacolo “il loro palcoscenico”, anche se fosse semplicemente un campo, una piattaforma, un terreno spoglio, ecc.

Nell’Universo fisico, almeno per come lo intendiamo noi, non è possibile avere quanti o interazioni tra di loro senza lo spaziotempo in cui possano esistere. In un certo senso, il “nulla” è il vuoto dello spaziotempo vuoto, e parlare di ciò che accade in assenza di spaziotempo è privo di senso – almeno dal punto di vista fisico – quanto parlare di un “dove” che è al di fuori dei confini dello spazio o un “quando” che è al di fuori dei confini del tempo. Una cosa del genere può esistere, ma non ne abbiamo una concezione fisica.

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Uno sguardo animato su come lo spaziotempo risponde quando una massa si muove attraverso di esso aiuta a mostrare esattamente come, qualitativamente, non sia semplicemente un foglio di tessuto ma tutto lo spazio stesso che viene curvato dalla presenza e dalle proprietà della materia e dell’energia all’interno dell’Universo . Invece tutto lo spazio 3D stesso viene curvato dalla presenza e dalle proprietà della materia e dell’energia all’interno dell’Universo. Più masse in orbita l’una intorno all’altra causeranno l’emissione di onde gravitazionali. ( Credito : LucasVB)

Forse la cosa più interessante è che quando si tratta della natura dello spaziotempo, ci sono tante domande che rimangono senza risposta. Lo spazio e il tempo sono intrinsecamente quantistici e discreti, dove essi stessi sono divisi in “pezzi” indivisibili, o sono continui? La gravità è intrinsecamente quantistica in natura come le altre forze conosciute, o è in qualche modo non quantistica: un tessuto classico e continuo fino alla scala di Planck? E se lo spaziotempo è qualcosa di diverso da ciò che la Relatività Generale impone che dovrebbe essere, in che modo è diverso e in che modo saremo in grado di rilevarlo?

Ma nonostante tutte le cose che lo spaziotempo ci consente di prevedere e conoscere, non è reale nello stesso modo in cui è reale un atomo. Non c’è niente che tu possa fare per “rilevare” lo spaziotempo direttamente; puoi solo rilevare i singoli quanti di materia ed energia che esistono nel tuo spaziotempo. Abbiamo trovato una descrizione dello spaziotempo nella forma della Relatività Generale di Einstein che può prevedere e spiegare con successo ogni fenomeno fisico che abbiamo mai osservato o misurato, ma per quanto riguarda esattamente ciò che è – e se è “reale” o meno – non è una domanda a cui la scienza ha ancora scoperto la risposta.

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