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Il tempo, una ‘freccia’ verso il futuro

Questi sono anni d’oro per la cosmologia moderna perché stiamo acquisendo tutta una serie di informazioni grazie soprattutto all’enorme flusso di dati astronomici che ci arrivano continuamente dagli osservatori terrestri ma soprattutto dai telescopi spaziali. Tuttavia, parafrasando un noto proverbio, potremmo dire che non è tutta la materia che brilla a rappresentare l’Universo osservabile dato che essa costituisce appena il 4% del contenuto materia-energia. Oggi sappiamo, infatti, che circa il 96% dell’Universo è caratterizzato da due componenti dominanti, a cui gli scienziati hanno dato i termini materia scura ed energia scura, di cui ancora ignoriamo la loro vera origine e natura. L’una, la materia scura, funge da scheletro su cui si aggregano le galassie e gli ammassi di galassie mentre l’altra, l’energia scura, permea tutto lo spazio ed esercita una forza di tipo antigravitazionale creando sempre più spazi vuoti. Ma a questi due misteri cosmologici ne dobbiamo aggiungere un altro che è relativo all’asimmetria del tempo, oggi il tema principale di questo articolo. Perché ci ricordiamo il passato e non il futuro? Che relazione ha il tempo con l’entropia del “sistema Universo” e con la gravità? Direi che è arrivato il tempo di fare il punto su questi temi ma per tentare di rispondere a queste domande dobbiamo necessariamente andare alle origini, al momento della singolarità iniziale, il Big Bang, da dove tutto è cominciato, e da dove sono emersi lo spazio, la materia, l’energia e il tempo.

Il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore che ci permette di descrivere l’evoluzione dell’Universo subito dopo il Big Bang. Secondo questo modello, circa 13,7 miliardi di anni fa una grande esplosione diede origine allo spazio nel quale la materia, inizialmente presente sottoforma di un “plasma primordiale” di particelle e radiazione, si aggregò successivamente, man mano che lo spazio si espandeva e si raffreddava, per formare le prime stelle e le prime galassie dando luogo a tutte quelle strutture che possiamo ammirare oggi. Queste strutture sono “appoggiate”, per così dire, su una sorta di “impalcatura cosmica” costituita dalla cosiddetta materia scura, mentre lo spazio si espande, in maniera accelerata, creando sempre più vuoti grazie all’azione esercitata da una forma di energia misteriosa, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e la cui densità non sembra diminuire. In tutto ciò c’è qualcosa che non riusciamo a comprendere, un problema cosmologico noto come asimmetria del tempo. E’ noto dalle leggi della fisica che ai livelli più fondamentali i fenomeni fisici non distinguono tra passato e futuro eppure l’Universo “neonato”, caldo, denso ed omogeneo, è completamente diverso da quello di oggi, freddo, diradato ed eterogeneo. Se utilizziamo il linguaggio della termodinamica, possiamo dire che agli inizi l’Universo era ordinato ed è diventato sempre più disordinato nel corso della sua evoluzione. In tal senso, l’asimmetria del tempo, nota anche come “freccia del tempo” che punta dal passato al futuro, rappresenta la caratteristica più bizzarra che i cosmologi non riescono ancora a spiegare del tutto.

Ma allora da dove cominciamo? Proviamo a partire dalle leggi fisiche a noi note e consideriamo una grandezza fisica che abbiamo imparato a studiare sin dal liceo: l’entropia. Di solito per esprimere il concetto della freccia del tempo, i fisici prendono in considerazione il secondo principio della termodinamica che afferma che in un sistema chiuso l’entropia non diminuisce mai. Di fatto, a scuola ci insegnano che l’entropia è la misura del disordine di un sistema fisico ma, per essere più precisi, dobbiamo ricordare che nel 19° secolo Ludwig Boltzmann spiegò l’entropia in termini di distinzione tra il microstato ed il macrostato di un oggetto. In altre parole, ad un particolare macrostato corrispondono tanti microstati diversi, dunque possiamo dire che l’entropia equivale al numero di microstati diversi che corrispondo allo stesso macrostato. Se, ad esempio, immaginiamo di versare latte nel caffè, avremo tantissimi modi di distribuire le molecole in modo tale che latte e caffè siano completamente mescolati e ce ne saranno relativamente pochi tali che il latte sia separato dal caffè. Questo vuol dire allora che la miscela, latte e caffè, avrà una entropia maggiore. Infatti, gli stati ad entropia maggiore risultano molti di più di quelli che hanno una entropia minore semplicemente perché sono più probabili ed è per questo motivo che il latte si mescola al caffè e non succede mai che se ne separi. Qualcuno di voi ha avuto questa seconda esperienza? Credo proprio di no! Ma se aspettassimo un tempo molto lungo tale per cui le molecole si separino spontaneamente dalla miscela forse dovremmo attendere un tempo maggiore rispetto all’età stessa dell’Universo proprio per il fatto che questo processo è statisticamente improbabile. Chi vuole provare? Questi ragionamenti ci portano a concludere che la freccia del tempo descrive la tendenza dei sistemi fisici ad evolvere verso uno dei numerosi stati naturali caratterizzati da una elevata entropia.

Un altro problema che non comprendiamo è il comportamento dell’entropia quando è presente la gravità. Secondo la teoria generale della relatività, la gravità viene spiegata come la distorsione dello spaziotempo che crea attorno a sé un corpo dotato di grande massa. Purtroppo non abbiamo ancora una teoria della gravità su scale atomiche che spieghi in maniera soddisfacente lo spaziotempo. Tuttavia, sappiamo, approssimativamente, come evolve l’entropia in presenza della gravità. Nell’esempio precedente della tazzina di caffè, dove la gravità si può considerare trascurabile, la distribuzione uniforme delle particelle ha una entropia elevata ed il sistema si trova in equilibrio. Anche se le particelle vengono rimescolate, esse sono già mescolate a sufficienza ed in maniera omogenea che da un punto di vista macroscopico non sembra accadere nulla. Se, invece, la gravità diventa importante allora una distribuzione omogenea avrà una entropia più bassa per un determinato volume fissato. In questo caso, il sistema non è in equilibrio. Dunque sappiamo che la gravità fa si che le particelle si aggreghino per formare strutture complesse come pianeti, stelle, galassie e l’entropia aumenta di conseguenza in accordo con il secondo principio della termodinamica. Oggi sappiamo che lo spazio si espande accelerando grazie all’azione esercitata dall’energia scura che se non diventerà meno densa porterà le galassie sempre più lontane le une dalle altre al punto che esse non saranno più visibili. Insomma, pare che l’Universo diventerà un posto desolato, sempre più vuoto e solo allora si potrà raggiungere lo stato di massima entropia. Solo allora l’Universo raggiungerà l’equilibrio e non succederà più nulla. Ma questo significa che lo spazio vuoto ha sorprendentemente il valore massimo di entropia, è un po’ come dire che la libreria più disordinata è quella più vuota.

Ma torniamo alla parte più strana e cioè alla netta differenza che esiste tra passato e futuro. Crediamo che l’entropia dell’Universo alle origini sia stata estremamente bassa, le particelle erano distribuite in maniera omogenea, poi essa ha acquisito un valore medio, man mano che lo spazio ha cominciato ad espandersi, mentre si formavano le strutture irregolari che osserviamo oggi come stelle, galassie e ammassi, per raggiungere alla fine uno stato di massima entropia, quando cioè lo spazio diventerà sempre più vuoto. Ma la domanda rimane: perché il passato deve essere così diverso dal futuro? In realtà non lo sappiamo. Ciò che possiamo dire è che o consideriamo l’asimmetria temporale come una proprietà intrinseca dell’Universo che è impossibile da spiegare oppure dobbiamo ancora capire più in profondità le proprietà dello spazio e del tempo. Alcuni cosmologi hanno tentato di spiegare l’asimmetria del tempo dovuta all’inflazione, il modello introdotto da Alan Guth in base al quale l’Universo appena nato subì improvvisamente una rapida espansione esponenziale che diede “forma”, per così dire, al volume dello spazio spiegando così alcune proprietà osservative come, ad esempio, l’eccezionale uniformità della densità di materia in regioni dello spazio lontane tra loro. Ma questo processo viene invocato come una sorta di trucco per spiegare l’asimmetria temporale.

Un’altra spiegazione dell’asimmetria del tempo è quella di considerare il passato non necessariamente diverso dal futuro. Forse, il passato più distante, come il futuro, è di fatto uno stato caratterizzato da un valore elevato di entropia. Ma se è così, lo stato caldo e denso, cioè l’Universo delle origini, non sarebbe il vero inizio bensì uno stato di transizione tra due fasi della sua storia. Alcuni modelli ipotizzano che l’Universo abbia subito una sorta di “rimbalzo”. Prima di questo evento, lo spazio si stava contraendo e anziché collassare in una singolarità sono intervenuti di proposito alcuni processi fisici, che coinvolgono la gravità quantistica, o la teoria delle stringhe, o le dimensioni extra, o ancora qualche fenomeno di natura esotica, che hanno “salvato” la situazione e l’Universo è riemerso attraverso il Big Bang in tutto ciò che vediamo oggi. Tuttavia, questi modelli cosmologici del rimbalzo non spiegano la freccia del tempo.

Un’altra soluzione all’enigma dell’asimmetria del tempo si basa sull’ipotesi secondo la quale oggi noi vediamo solo una piccola zona della situazione complessiva il cui paesaggio più vasto è completamente simmetrico rispetto al tempo. In questo modello, nello spazio vuoto le fluttuazioni quantistiche in entrambe le direzioni del tempo, passato e futuro, danno luogo a tanti universi neonati, ognuno dei quali è caratterizzato da una freccia del tempo, che a loro volta si svuotano e generano altri universi. Su scale cosmologiche estremamente grandi, un tale tipo di universo apparirebbe statisticamente simmetrico rispetto al tempo. Il concetto di un universo con una freccia del tempo invertita potrebbe sembrare bizzarro e preoccupante. Cosa accadrebbe se incontrassimo un viaggiatore del tempo che proviene da questo tipo di universo: ricorderebbe il futuro? In realtà questo tipo di incontri sono altamente improbabili, dato che stiamo parlando di universi infinitamente lontani, addirittura prima del Big Bang. Tra noi e questi universi, sembra esistere una sorta di “terra di nessuno” dove il tempo non scorre per niente, cioè non esiste la materia e l’entropia non si evolve. Un essere che vivrebbe in questo universo dove la freccia del tempo è diretta verso il passato, non nascerebbe vecchio né morirebbe giovane. Dal suo punto di vista il tempo scorrerebbe in modo convenzionale, il nostro passato sarebbe il suo futuro e viceversa. Comunque sia, possiamo stare tranquilli dato che un incontro di questo tipo è del tutto ipotetico, noi non possiamo certamente raggiungerli nè loro possono raggiungere noi.

Per concludere, forse l’idea della freccia del tempo come caratteristica osservabile del nostro Universo può fornirci degli indizi sulla natura dell’Universo non osservabile. Infatti, se l’Universo osservabile fosse tutto ciò che esiste allora sarebbe impossibile spiegare in maniera naturale la freccia del tempo. Se, però, l’Universo attorno a noi è solo una piccola porzione di un paesaggio più vasto, possiamo avere nuove possibilità di esplorare quello che non riusciamo a vedere oggi. In altre parole, possiamo considerare il nostro orizzonte come un pezzo di un puzzle di un sistema più grande la cui entropia aumenta senza limiti sia verso il passato che verso il futuro.

Sì certo, tutto molto bello, ma come facciamo ad osservare la freccia del tempo? Beh, basta versare del latte in una tazzina di caffè e mescolare, questa azione ci porterà direttamente alle origini dell’Universo e, forse, oltre i suoi confini.

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Gli ‘esclusivi’ ed ‘elusivi’ buchi neri del CERN

Tutti hanno sentito parlare, almeno una volta, di buchi neri, ma allo stesso tempo credo che non tutti sanno che sono in definitiva i buchi neri. I media, sia che si tratti della stampa o della TV, inclusi spesso anche i blog scientifici, rendono spettacolari le notizie che riguardano questi oggetti esotici, tralasciando di solito la parte che riguarda la Fisica.

La proprietà essenziale di un buco nero è la sua massa. In natura, abbiamo evidenze osservative, non dirette, in base alle quali sappiamo che i buchi neri possono avere masse che vanno da qualche decina a qualche centinaia, milioni o ancora alcuni miliardi di volte la massa del Sole. Di frequente si trovano nei sistemi stellari binari che emettono raggi-X, si parla di buchi neri di ‘taglia stellare’, oppure sono presenti nei nuclei delle galassie attive, in questo caso si parla di buchi neri di ‘taglia galattica’, noti anche come buchi neri supermassicci. Da sempre, essi incutono un timore reverenziale dato che essendo ‘oggetti super densi e collassati’ (in realtà si tratta di singolarità gravitazionale), l’ultimo stadio dell’evoluzione stellare, la loro gravità è così intensa che “piega” in maniera estrema lo spaziotempo attorno ad essi al punto tale che qualsiasi cosa superi l’orizzonte degli eventi, una sorta di “punto di non ritorno”, niente può tornare indietro, nemmeno la luce. Per questo, noi non siamo in grado di osservarli direttamente e quello che vediamo sono solamente gli effetti che la materia, sia che si tratti di gas, polvere o stelle, o la radiazione subiscono quando passano nelle loro vicinanze. C’è da dire, però, che esiste un aspetto positivo a favore dei buchi neri, perché grazie, in parte, ad essi l’Universo è in evoluzione, la materia viene di fatto plasmata e forgiata per formare nuova materia. Certamente è pericoloso vivere in prossimità di un buco nero ma per ora almeno noi possiamo stare tranquilli dato che il più vicino alla Terra si trova a soli 50 milioni di anni-luce, un pò lontano perchè la Terra possa subire in qualche modo i suoi effetti gravitazionali.

Un esempio di un evento registrato presso il rivelatore CMS dell’LHC, il cui numero di getti è previsto dal Modello Standard. Questi eventi stanno alla base della ricerca di buchi neri microscopici quando vengono fatti collidere fasci di protoni ad altissime energie. Risultato: non è stata trovata alcuna evidenza della loro produzione che è stata così esclusa da vari modelli considerando un intervallo di masse di 3,5-4,5 TeV (1 TeV = 1012 electronvolt).
Credit: CMS-LHC/CERN

Se dallo spazio siamo sicuri che non avremo alcuna minaccia da parte di questi “mostri del cielo”, tuttavia da quando recentemente i fisici del CERN hanno acceso l’LHC esiste una certa preoccupazione, che sottolineo non è giustificata, dato che gli esperimenti relativi alle collisioni di fasci di particelle ad altissima energia potrebbero dar luogo alla formazione di buchi neri: vero, ma si tratta di oggetti microscopici. Questa possibilità è stata diffusa dai media suscitando un certo panico e clamore in quanto la creazione di buchi neri, che ripeto sono microscopici, potrebbe avere implicazioni importanti sul destino del nostro pianeta, magari “inghiottendolo”: semplicemente assurdo! Ma allora come stanno le cose? La formazione di buchi neri microscopici è prevista da alcuni modelli che tentano di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica, postulando l’esistenza di ulteriori dimensioni extra spaziali che sono, però, “compattificate” rispetto alle tre dimensioni spaziali del mondo a noi familiare. Ad energie così elevate, come quelle che si realizzano presso l’LHC, questi modelli suggeriscono che le particelle possono collidere in maniera molto ravvicinata al punto da “percepire” le dimensioni spaziali extra. In questi casi, le particelle possono interagire gravitazionalmente con una intensità simile a quella delle altre tre forze della natura, l’interazione elettromagnetica e le interazioni forte e debole. Le due particelle che collidono possono formare un buco nero microscopico. L’esistenza di questi mini buchi neri fornirebbero dunque una prova dell’esistenza di altre dimensioni spaziali. Se questo si dimostrerà vero, allora alcuni gravitoni, le particelle che trasmettono la forza di gravità, dovrebbero “scomparire” in queste dimensioni extra, spiegando così il motivo per cui la forza di gravità è molto più debole rispetto alle altre tre forze. Tuttavia, nessun esperimento realizzato finora con CMS ha permesso di rivelare questi eventi esotici e ciò esclude la formazione di buchi neri microscopici  nell’intervallo di energie 3,5-4,5 TeV così come è previsto da tutta una serie di modelli che postulano l’esistenza di ulteriori dimensioni spaziali. Se, invece, si dimostrasse il contrario, il buco nero microscopico dovrebbe evaporare istantaneamente lasciandosi dietro una sorta di “scia distintiva” di particelle subatomiche che sarebbero rivelate dal CMS. Questi risultati non implicano che tali dimensioni extra non esistono, piuttosto potrebbe essere necessario realizzare esperimenti ad energie ancora più alte perciò ne consegue che se queste esistono sono più difficili da rilevare rispetto a quanto si ipotizzava.

Per concludere, godiamoci questo interessante video che mi è stato concesso in esclusiva da Paola Catapano, Science Communicator del CERN, che ha realizzato una intervista al fisico teorico Alvaro De Rujula il quale spiega come mai i buchi neri “fabbricati” al CERN sono in definitiva così divertenti [link al video].

L’Universo in un ‘buco di tarlo’

Una recente ipotesi teorica suggerisce che il nostro Universo risiedere all’interno di un “buco di tarlo”, o wormhole, che a sua volta sarebbe parte di un buco nero supermassiccio che si trova all’interno di un universo ancora più grande. Questo scenario in cui l’Universo è nato all’interno di un wormhole, altresì noto come ponte di Einstein-Rosen, è stato avanzato dal fisico teorico Nikodem Poplawski dell’Indiana University il quale, basandosi sulla geometria euclidea, ha costruito un modello per descrivere il moto geodetico di una particella nel campo gravitazionale di un buco nero.

Nello studiare il moto radiale attraverso l’orizzonte degli eventi relativo a due tipi di buchi neri, uno di tipo Schwarzschild e l’altro di tipo Einstein-Rosen, entrambi i quali rappresentano soluzioni matematiche della relatività generale, Poplawski ammette che solo un esperimento o una osservazione possono rivelare il moto di una particella che cade in un buco nero. Inoltre, egli afferma che dato che gli osservatori possono solamente vedere le regioni esterne di un buco nero, quelle più interne non possono essere osservate a meno che un osservatore non vi entri o non risieda all’interno di esso. “Questa condizione sarebbe soddisfatta se il nostro universo fosse all’interno di un buco nero che esista, a sua volta, all’interno di un universo più grande” afferma Poplawski. “Dato che la teoria della relatività generale di Einstein non sceglie una direzione preferenziale del tempo, se un buco nero si forma dal collasso gravitazionaledella materia attraverso l’orizzonte degli eventi nel futuro, allora il processo inverso è possibile. In altre parole, questo processo descriverebbe la formazione di un “buco bianco” con la materia che emerge dall’orizzonte degli eventi nel passato, come l’Universo in espansione”. Un buco bianco è connesso a un buco nero mediante il ponte di Einstein-Rosen, appunto il wormhole, e rappresenta ipoteticamente l’inversione temporale di un buco nero. L’idea di Poplawski vuole che tutti i buchi neri, non solo quelli del tipo Schwarzschild o del tipo Einstein-Rosen, abbiano i ponti di Einstein-Rosen, ognuno con un proprio universo che si è formato contemporaneamente con il buco nero. “Da ciò segue che il nostro Universo potrebbe essersi formato all’interno di un buco nero che esiste all’interno di un altro universo più grande” spiega Poplawski. Dunque, applicando il modello del collasso gravitazionale isotropo di una sfera e le attuali leggi della fisica agli altri buchi neri, l’ipotesi di assumere la nascita del nostro Universo all’interno di un buco di tarlo permetterebbe di risolvere i problemi che gli scienziati si trovano ad affrontare con il Big Bang e con il problema relativo alla perdita di informazione del buco nero che prevede, infatti, che tutta l’informazione contenuta nella materia sia persa quando essa attraversa l’orizzonte degli eventi, sfidando le leggi della meccanica quantistica. Infine, lo stesso Poplawski è convinto che il suo modello potrebbe spiegare l’origine dell’inflazione cosmica.

C’è da dire, però, che una delle proprietà note sui wormhole è che sono altamente instabili e dovrebbero collassare istantaneamente anche quando la più piccola quantità di materia, come un singolo fotone, provi ad attraversarlo. Ma come si fa a provare tutto ciò? Bene, per vedere se un oggetto può viaggiare attraverso un wormhole, l’osservatore dovrebbe stare all’interno dello stesso dato che le regioni interne non possono essere osservate dall’esterno. Una possibile soluzione è che un certo tipo di materia esotica potrebbe non fare collassare il wormhole perciò dovremmo creare o essere fatti di materia esotica per mantenerlo aperto. Ma, come afferma lo stesso Poplawski, se il wormhole fa parte di un buco nero che si trova all’interno di un universo ancora più grande allora il processo potrebbe funzionare.

[Abstract: Radial motion into an Einstein–Rosen bridge]