Viaggio alla scoperta della Relatività - Viaggi nel tempo

Puntata finale della serie “Viaggio alla scoperta della Relatività”, le precedenti: parte1, parte2, parte3, parte4 e parte5.
Oggi ci occuperemo dei viaggi nel tempo e del loro rapporto con la relatività (voleranno citazioni, a partire da Doctor Who, da cui deriva l’immagine del topic).
Prima di cominciare a discutere dei viaggi nel tempo, occorre dare loro una classificazione; esistono due categorie: in avanti e all’indietro nel tempo.

In avanti nel tempo

Viaggi di questo tipo esistono nella mitologia di molti popoli, per esempio re Kakudmi nel Mahabharatha indù o Urashima Tarō nella mitologia giapponese. In entrambi i casi i protagonisti si spostavano in un luogo dove il tempo scorreva più lentamente, per scoprire, una volta tornati al loro paese, che sono passate centinaia di anni.
Esempi più recenti di viaggi avanti nel tempo li abbiamo, ad esempio, in Star Trek o Heroes.
Sono possibili questi viaggi? Assolutamente si!
La relatività ristretta infatti ci dice che per un corpo il tempo scorre tanto più lentamente quanto è vicino alla velocità della luce; quindi, viaggiando a velocità prossime a quella della luce, il tempo attorno a me scorrerebbe più velocemente, facendomi viaggiare avanti nel tempo.
Un classico esempio è Star Trek IV Rotta verso la Terra, dove Kirk & co., a bordo di uno sparviero Klingon, viaggiano indietro nel tempo; per tornare accelerano a velocità prossime a quelle della luce utilizzando l’effetto fionda gravitazionale del Sole (che noi sfruttiamo per far viaggiare le varie sonde nello spazio). Nel film, l’effetto veniva sfruttato anche per viaggiare indietro nel tempo, cosa però impossibile.
L’altro modo per viaggiare avanti nel tempo è sfruttare un ponte di Einstein-Rosen (comunemente detto wormhole), che tratterò nel capitolo sottostante.

Ricapitolando, la sola relatività ristretta ci dice, con buona pace per i cinesi, che è posibile viaggiare in avanti nel tempo.

All’indietro nel tempo

Questo tipo di viaggi nel tempo ha cominciato a diffondersi solo nel 1800, un esempio è Canto di Natale di Dickens, mentre esempi più recenti li abbiamo in Doctor Who.
In tutta la letteratura esistono due soli tipi di viaggi nel tempo nel passato: quelli in cui si può modificare il passato, intaccando anche il futuro (es: Ritorno al Futuro) e quelli in cui il passato è fisso (es: Harry Potter e il prigioniero di Azkaban, dove sono i loro stessi del futuro ad aiutarsi nel passato).
L’unico modo concepibile per viaggiare indietro nel tempo è l’utilizzare un wormhole (che funziona anche per viaggi in avanti nel tempo), cosa che chiama in causa la relatività generale e lo spaziotempo.
Il wormhole è un tunnel che collega due diversi punti nello spaziotempo; per capire come funziona supponiamo che il nostro universo sia a forma di ciambella (che noi fisici chiamiamo toroide perché fa più figo) e che dobbiamo muoverci da un lato della ciambella all’altro. Per farlo dovremmo fare il giro della ciambella, un percorso molto lungo, possiamo però usare una scorciatoia passando attraverso il buco. Per farlo, dato che la nostra ciambella è lo spaziotempo, dovremmo deformarlo, fino a creare un tunnel che colleghi i due punti.
Passando per il tunnel nel caso della ciambella percorreremmo circa un terzo del percorso “tradizionale”, espandendo il discorso all”intero universo potremmo muoverci in qualsiasi punto nello spazio e nel tempo.
Come fare a creare il wormhole? Occorre deformare lo spaziotempo, perciò occorre passare attraverso la gravità, in particolare un buco nero potrebbe andare bene, mentre dal lato di uscita avremmo un “buco bianco”, da cui esce la materia.
Un esempio di wormhole si ha in Star Trek Deep Space 9, dove il tunnel spaziale cui la stazione è adiacente collega due quadranti della galassia, permettendo di percorrere un viaggio lunghissimo in pochissimo tempo. Un wormhole che collega due punti differenti nel tempo lo vediamo in Paria dei Cieli, di Isaac Asimov, dove un sarto in pensione degli anni ’40 del XX secolo viene scaraventato migliaia di anni nel futuro.
Ma veniamo ai viaggi nel tempo…

La relatività generale consente tutto questo, ma per avere una visione più completa del problema dobbiamo introdurre anche la meccanica quantistica e questo cambia tutto.
Le equazioni che governano il moto di questa particella non dipenderanno solo dalle condizioni iniziali, ma anche da quelle finali (e quindi su come entro nel wormhole), quindi non posso tornare indietro nel tempo ad uccidere mio nonno, perché così facendo non potrei poi andare indietro nel tempo. Ho citato le equazioni non a caso, perché questo non è solo un problema filosofico, ma un vero e proprio problema fisico!
Questo è chiamato il paradosso del nonno, ne esiste anche un altro, detto il paradosso dello scrittore, che si capisce meglio nell’esempio di un episodio di Futurama, quello in cui Fry viaggia indietro nel tempo e diventa suo nonno. Il paradosso qui sta che 1/4 del suo DNA non si sa da dove sia uscito (verrebbe da se stesso, evidentemente un paradosso). Nell’originale il paradosso verteva su un libro che veniva dato dal nostro viaggiatore nel tempo a suo nonno, che lo pubblicherà in anticipo rispetto ai tempi (il paradosso è che nessuno ha scritto il libro!).

Nei nostri laboratori dubito realizzeremo mai un wormhole, dato che nessuno sano di mente direbbe si alla domanda “ho bisogno di finanziamenti per creare un buco nero”, ma possiamo ricorrere all'informazione quantistica per ottenere risposte sui paradossi, grazie a una serie di esperimenti proposti da Seth Lloyd e il suo team.
Dai bit si passa ai qubit, che sono dati tipicamente dalla polarizzazione di un laser. Si possono costruire due circuiti:
-Il primo serve a testare il paradosso del nonno, creando un circuito che flippa il qubit (inverte la polarizzazione) da 0 ad 1, misurandolo sia in ingresso che in uscita. È facile intuire che dovremmo avere una uscita oscillante (0 diventa 1, che diventa 0, che ridiventa 1, ecc…). Se 0 è “morto” ed 1 è “vivo”, allora avremmo che se entro vivo nel wormhole allora riesco ad uccidermi, ma allora entrerò morto, e questo mi renderebbe di nuovo vivo, perché non potrei uccidermi e così via.
Il risultato dell’esperimento è sconcertante: il qubit non flippa! Quindi non potrò mai uccidere me o mio nonno, interverrà una specie di censura quantistica a impedirmelo.
-Il secondo circuito serve invece a testare il paradosso dello scrittore e si realizza creando un circuito che prende il valore di un qubit e lo riscrive sul qubit, per poi di nuovo riprendere il valore.
Ragionando classicamente dovremmo avere in uscita sempre lo stesso qubit, ma invece scopriamo che l’uscita è completamente casuale! Abbiamo realizzato un ottimo generatore di bit random, ma questo che effetto ha sul dna del povero Philip J. Fry? La parte “incriminata” sarà completamente casuale.

Gli esperimenti quindi ci dicono, se confermati, che il proprio passato non può essere cambiato.

Approfondimenti:

-L’articolo di Lloyd et al.
-Urashima Tarō
-Re Kakudmi
-Canto di Natale
-Wormhole
-Paradossi temporali
-Episodio di Futurama dove Fry diventa suo nonno
-Qubit
-Spaziotempo
-Relatività generale
-Sigla di Doctor Who (ottima come sottofondoXD)

[Lezioni di Fisica] è la rubrica di divulgazione scientifica curata da @il-cavaliere-di-berzelius

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lunedì 22 agosto 2011 - 15:04
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