Dal tempo al non-tempo. Un percorso tra Fisica e

Gruppo astrofili “N. Copernico”
Comune di Gabicce Mare
Gabicce Mare, 7 agosto 2009
Dal tempo al non-tempo!
Un percorso tra Fisica ed Astronomia
Gloria Nobili
Ricercatrice in biofisica
Divulgatrice scientifica
Presidente ass.ne culturale “Salto Quantico”
l’Universo, a te scoprirlo
Il tempo secondo S. Agostino
Tratto da:
“Le Confessioni”

(fine IV secolo)
“Cos’è dunque il tempo? Se
nessuno m’interroga, lo so;
se volessi spiegarlo a chi
m’interroga, non lo so.”
Il tempo secondo Gibran

Tratto da “Il profeta” ( inizi del 1900)
E un astronomo disse:
Maestro, parlaci del Tempo.
E lui rispose:
Vorreste misurare il tempo, l'incommensurabile e
l'immenso.
Vorreste regolare il vostro comportamento e dirigere
il corso del vostro spirito secondo le ore e le
stagioni.
Del tempo vorreste fare un fiume per sostare presso
la sua riva e guardarlo fluire.
Ma l'eterno che è in voi sa che la vita è senza tempo
e sa che l'oggi non è che il ricordo di ieri, e il
domani il sogno di oggi.
E ciò che in voi è canto e contemplazione dimora
quieto entro i confini di quel primo attimo in cui le
stelle furono disseminate nello spazio.
Chi di voi non sente che la sua forza d'amore è
sconfinata?
E chi non sente che questo autentico amore, benché
sconfinato, è racchiuso nel centro del proprio
essere?
E non è forse il tempo, così come l'amore, indiviso e
immoto?
TEMPO…???
Definizione derivata dalla Fisica:
Concetto primitivo in base al quale gli eventi e i
fenomeni fisici sono distinti in presenti, passati e
futuri.
Il concetto di tempo è strettamente legato ai
mutamenti negli eventi fisici,
tra i quali risulta possibile
stabilire una relazione di
prima/dopo (causa/effetto).
Il problema della misura del tempo
Soggettivo
Oggettivo
MISURA
sensazione personale
tempo psicologico
(senza strumento)
misura tramite uno strumento
(valore uguale per tutti)
Valore di riferimento
unità campione
(quale????)
Scelta unità di misura
Fenomeno periodico naturale:
1. Giorno (alternanza luce/buio)
2. Mese (alternanza luna piena/nuova)
3. Anno (alternanza stagioni)
= intervallo di tempo tra due equinozi
di primavera
Problema: VALORI
non COSTANTI!
Rimedio:
ricorso a valori ‘medi’…
Giorno medio
Il giorno sidèreo o siderale
è l'intervallo di tempo
compreso fra due passaggi
consecutivi di una stella sullo
stesso meridiano; la sua
durata, pressoché invariabile,
è di 23 ore e 56 minuti, e
corrisponde al tempo
impiegato dalla Terra per
compiere un'intera rotazione.
Infatti si può considerare
trascurabile lo spostamento
che la Terra effettua, nel
contempo, lungo la sua orbita
intorno al Sole, data l'enorme
distanza, dal sistema solare,
della stella presa come
punto di riferimento.
Il giorno siderale è più corto del giorno
solare vero di quasi 4 minuti
(corrispondenti all'incirca ad 1°).
Tale differenza è dovuta al fatto che la
Terra, mentre ruota attorno a se stessa,
percorre anche un tratto di orbita
attorno al Sole e quindi il Sole transita
al meridiano con 4 minuti di ritardo al
giorno rispetto alle altre stelle.
1 secondo
Il giorno solare medio, che
rappresenta la media aritmetica
di tutti i giorni solari di un anno,
è invece una misura costante,
adatto quindi alle esigenze della
vita civile, ed è preso come
unità-base per la misurazione
del tempo. La sua durata risulta
così di 24 ore esatte, ognuna
delle quali (ora solare media)
viene suddivisa a sua volta in 60
minuti primi, suddivisi anche
questi in 60 minuti secondi.
24 x 60 x 60 =
86400 secondi
Il moto rotatorio della Terra subisce
un rallentamento regolare: la durata
del giorno si allunga perciò di 0.002
sec ogni 100 anni.
Il tempo sulla Terra
Il Calendario
o dell’importanza della precisione della misura
del tempo

Calendario giuliano (Giulio Cesare, 46 a.C.)
1 anno = 365 giorni, a cui ogni 4 anni andava aggiunto 1 giorno (anno bisestile)
(errore di 1 giorno in meno ogni 128 anni; infatti la sua durata effettiva è di 365 giorni,
5 ore, 48 minuti e 46 secondi. L’errore di 11 minuti primi e 14 secondi portò a
discrepanze che si resero evidenti nel corso del XVI secolo.
Ad esempio: la Pasqua, che avrebbe dovuto cadere la prima domenica dopo il plenilunio
di primavera, veniva spesso a cadere nella data sbagliata.

Calendario gregoriano (papa Gregorio XIII, 1582)
dal 4 ottobre si passò al 15 ottobre per mettersi ‘al passo’ con il Sole!
(Riforma degli anni bisestili)
Il calendario è legato
alla storia e alla cultura
dei popoli!
Cambiamenti di riferimento
Definizione macroscopica:
1 secondo =
1/86400 del giorno solare medio
Definizione microscopica (moderna):
1 secondo = 9.192.631.770 vibrazioni complete
dell’onda em (= 3cm; =1010 Hz) emessa dal Cesio133 nella
transizione tra due livelli iperfini (F=4, M=0) e (F=3, M=0)
dello stato fondamentale.
L’orologio più preciso
del mondo è stato
costruito dai fisici sia
dell’università del Colorado
che di quella di Copenaghen.
L’orologio (allo stronzio!)
perde 1 secondo in 300
milioni di anni: è due volte
più puntuale del precedente e
infinitamente più puntuale
dei nostri orologi al quarzo,
che perdono 1 secondo ogni
3 mesi.
News del 17.04. 2009
orologio al cesio: errore di 1 µsecondo
ogni 12 giorni
(Il Cs133 ha un nucleo formato da 55 protoni e 78 neutroni)
Tempo ‘universale’ ?
Contemporaneamente esistono tutte le 24 ore!
0°= meridiano di Greenwich
Linea di cambiamento di data longitudine Ovest /Est + confini nazionali Linea di cambiamento di data
Fusi orari e ‘jet lag’

Il tempo è…relativo al luogo in cui ci si trova!
Est
Ovest
Se a Londra sono le 12,
a Roma sono le 13
e a Helsinki sono le 14!
Nelle zone a est il Sole sorge prima
che nelle zone a Ovest…
T
U
T
T
O
R
U
O
T
A!
Viaggiando
in aereo…
si cambia
fuso!

Immagine di ‘stacco’
Tempo… nel tempo della fisica
TEMPO ASSOLUTO
(Newton, Philophiae naturalis principia mathematica, 1686)
“Il tempo assoluto, vero e matematico, per sua natura, scorre allo stesso
modo, senza alcun RELAZIONE CON L’ESTERNO”
Ciò implica l’esistenza di un sistema assoluto per la misura del tempo
(orologi sincronizzati che indichino tutti un tempo universale campione)
TEMPO RELATIVO
(Einstein, Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento, 1905)
“Gli orologi sincronizzati in un sistema di riferimento non appariranno
tali in un sistema in moto rispetto ad essi e viceversa”
“Eventi che si verificano in un sistema nello stesso tempo, ma in luoghi
diversi, si verificano in tempi diversi per un osservatore in movimento
rispetto al primo”
Dilatazione dei tempi
Conseguenze della teoria della relatività:
 Un intervallo di tempo di durata nulla in un sistema di
riferimento diventa >0 se osservato da un altro sistema in
movimento!!!!
 La ‘dilatazione dei tempi’ o ‘rallentamento’ degli orologi è
espressa matematicamente da:
t = t0 / (1- v²/c²)
t= tempo segnato dall’orologio del sistema in moto
t0 = tempo segnato dall’orologio nel sistema in quiete
v = velocità relativa
c= velocità della luce (300000 Km/s)
N.B. questa distorsione temporale
è applicabile anche ai processi biologici!
Paradossi & C.

PARADOSSI SPAZIALI (in 3D)
Ciò che sembra non è…
e ciò che è non appare!
OSSERVATE LA SCALA!
Se provate a seguire le persone sugli scalini,
la vedrete o sempre discendente
o sempre discendente!
Ciò è paradossale, eppure esiste!
particolare tratto da “Il castello” di M.C. Escher
Il trucco c’è,
ma non si vede!
Il paradosso ‘apparente’ dei gemelli




Ci sono due gemelli, Antonio e Bartolo. Mentre Antonio rimane sulla
Terra, Bartolo sale su una navicella che parte per una stella lontana
con una velocità prossima a quelle della luce. Per fissare le idee,
supponiamo v = 200.000Km/s
(equivale a 2/3 della velocità della luce c).
Supponiamo che dopo aver viaggiato per 15 anni, Bartolo inverta la
rotta e torni a trovare il gemello Antonio che l’aspetta sulla Terra.
Si verificherà per effetti relativistici, che Antonio è invecchiato di 30 anni
come normalmente accade a tutti noi , mentre Bartolo non è invecchiato
altrettanto, in quanto il suo tempo è trascorso in modo più lento rispetto
a quello di Antonio.
In sostanza Bartolo si ritrova più giovane di Antonio!
(A conti fatti, di circa 8 anni!)
Se poi si ipotizza che Bartolo riesca a viaggiare alla velocità della luce,
il tempo per lui si dilaterebbe a tal punto (in quanto tutto andrebbe più a
rilento, sia il suo cuore che l’orologio al suo polso!) da
divenire…INFINITO!
Ovvero, per quanto lungo potrà essere il suo viaggio, tornerà sulla Terra
con circa la stessa età che aveva quando è partito! E intanto Antonio che
fine avrà fatto?
Gemelli Kelly
astronauti
Gemelle
A
A dopo
B
B dopo
Non solo tempo!
Teoria della Relatività
trasformazioni di Lorentz
Simmetria rispetto alle coordinate spazio (x) e tempo (t)
(novità rispetto alle trasformazioni di Galileo, valide in fisica classica)
Il termine che compare a denominatore di entrambe le formule
che esprimono le relazioni tra x e x’ e t e t’ è:
(1- v²/c²)
Esso diventa significativo solo se v si approssima a c, altrimenti nei casi
comuni dell’esperienza quotidiana assume un valore prossimo a 1…
e quindi influente! (e di conseguenza valgono le trasformazioni di Galileo)
TEMPO
E
SPAZIO
SPAZIO - TEMPO
La meridiana
Saggezza degli antichi:
“Lo spazio misura il tempo”
Meridiana della basilica di S. Petronio, a Bologna,
costruita da G.D. Cassini nel 1665 e tuttora funzionante
La velocità della luce

c = 300 000 Km/s
(299.792. 460 metri/s per la precisione!)
Sia la luce emessa dal Sole,
che un fascio di luce emesso
dall’astronave Enterprise (di
Startrekkiana memoria)
viaggiano
alla stessa velocità… anche se
l’Enterprise può muoversi a
velocità ben superiori di quella del
Sole!
In gergo ‘tecnico’, la velocità della
luce non si somma a
quella della sorgente!
E’ un’invariante ‘universale’
N.B. Un qualsiasi segnale elettromagnetico lanciato in una direzione viaggia alla velocità c, come anche gli
infrarossi emessi dai nostri telecomandi o il fascio di luce monocromatica emessa da un laser…
La misura dello spazio-tempo
in astronomia


1 anno = 365 x 24 x 3 600 s = 31.536.000 s
1 anno-luce = 31.536.000 s * 3* 108 m/s
= 9 460 800 000 000 Km
(circa 10 milioni di milioni o 1013 chilometri)
La stella più vicina è Alpha Centauri che dista circa 4 anni-luce…
Detto in altre parole, la luce delle stelle ci arriva ‘in differita’ e non
in ‘tempo reale’. La sfera celeste ci racconta il passato dell’Universo!
T=0
Distanza = 4 anni-luce
E le altre stelle fino a quanto sono più lontane?
T = 4 anni
GABICCE
Il tempo: misura dello spazio!
Dai chilomentri…alle unità astrronomiche (UA)…
agli anni-luce!
30 UA oppure
4500 milioni di km
1011 km
1 anno-luce
Un viaggio all’indietro nel tempo

Quando è cominciato tutto ciò?
BIG BANG !!!!
Cronologia
Le equazioni della
Fisica riescono a
spiegare cosa sia
potuto succedere
solo dopo1 µs,
mentre tra 10-43 e
10-6 s sono solo
ipotesi e dal tempo
0 a 10-43s (detto
tempo di Planck)
sono solo
speculazioni…
L’inizio dello SPAZIO - TEMPO
BIG BANG
creazione di Spazio e Tempo !
(esplosione di un punto ‘singolare’ dalle dimensioni piccolissime, ad
elevata densità, in condizioni termodinamiche ‘estreme’)
Ma cosa esisteva prima del Big Bang ?
Una delle ipotesi più plausibili è che
tutto fosse fuso nell’Unità/Uno,
in uno stato di ‘Entanglement’ totale.
L’entanglement è un concetto che nasce
all’interno della Fisica Quantistica che è
quella parte della Fisica, nata negli anni ’20,
in cui gli scienziati si scontrarono con una lunga
serie di paradossi! ( e che pure presentavano
delle evidenze sperimentali)
Non-località
Nel mondo dell’infinitamente piccolo, le
nostre concezioni della realtà sono
completamente inadeguate. Qui le
particelle diventano entità sfuggenti; infatti
vengono definite tramite una funzione
matematica detta funzione d’onda, che
stabilisce la probabilità che una particella si
trovi in un posto piuttosto che in un altro.
Questo principio vale anche per gli orbitali
( e non ‘orbite’!) degli elettroni che si
trovano in un atomo.
Ciò implica che la particella possa essere
potenzialmente presente in luoghi diversi
simultaneamente!
Stato di ‘entanglement’ quantistico

Lancio di 1 solo fotone contro la doppia
fenditura: che accadrà?

SI FORMA UGUALMENTE UNA
FIGURA D’INTERFERENZA!




Il fotone interferisce con se stesso!
Come fa? Sembra essere in 2 posti
diversi simultaneamente! (in effetti
l’osservatore non sa dov’è esattamente) e
sa come comportarsi…
Questa è la base
dell’entanglement
quantistico
N.B. il fenomeno scompare
se si mette un rivelatore
dietro una delle fenditure!
La misura ‘distrugge’ la
sovrapposizione quantistica…
L’informazione viaggia? o è?




Esperimento EPR
(Einstein, Podolsky, Rosen)
Se 2 particelle hanno interagito strettamente tra loro e poi vengono separate, nel momento in cui
effettuiamo una misura su una di esse (collasso della funzione d’onda o ‘riduzione’) istantaneamente
anche l’altra, se sottoposta alla stessa misura, indipendentemente dalla distanza che le separa,
collasserà rendendo manifesta quella stessa proprietà. Es: spin
Due particelle entangled = 1 sola funzione d’onda
(Limbo degli stati di sovrapposizione)
che collassa in simultanea.
Propagazione istantanea di informazioni!
Conferme sperimentali:
1949: Chien-Shiung-Wu e Irving Shaknow: produzione di fotoni entangled
1959: effetto Aharonov – Bohm: gli elettroni sono sensibili a campi magnetici
anche in zone dove l’intensità del campo è zero.
1972: Clauser e Freedman: produzione di fotoni entangled per ‘cascata atomica’
1982: Alain Aspect: fotoni entangled separati; se viene deviato uno, devia anche
l’altro istantaneamente
1997: Nichola Gisin: verifica su distanze di circa 11 km e riduzione della decoerenza
L’entanglement nell’Universo




L’Universo può essere un tutto
intrinsecamente entangled e coerente con
se stesso, senza perdita
Possiamo vedere
di informazione.
i profili
senza il vaso?
Punto di unione: Big Bang
Conseguenza:
tutte le particelle dell’Universo
mantengono una specie di ‘memoria’
(informazione) di ogni altra particella
esistente al di là dello spazio e del tempo
Conclusione: la separazione che si
presenta nel quotidiano è un’illusione!!!!
Il gatto di Schroedinger è vivo o morto?
Nebulosa dell’Aquila nella costellazione del Serpente (in coda) distante circa 5700 anni-luce
E’ una ‘culla’ di stelle. Le lunghe colonne di gas oscuro sono dette ‘pilastri della Creazione’ ;-)
Il tempo non esiste!
La Fisica ci dà quindi alcuni input sul concetto di
tempo che sembrano paradossali
se valutati con il senso comune.
Infatti il tempo non esiste:
1) se mi muovo alla velocità della luce
(Eterno Presente)
2) nella situazione precedente il Big Bang
(doveva ancora…nascere!)
La verità è che…il tempo ci serve
E’ una dimensione del quotidiano!
Il tempo del…non-tempo!


Se ci si accosta a questi principi della fisica quantistica, ci si apre ad una
dimensione a 360° dell’Universo e della Vita in esso, alla dimensione
dell’Uno, in cui tutto è interconnesso o in entanglement con il tutto.
Anche l’uomo!
Solo entrando nella dimensione del
non-tempo potremo avvicinarci al
Grande Mistero!
“Per potere immortal sono legate da vicino
o lontan, nascostamente, tutte le cose, sì che
far tremare non puoi un fior senza turbare
un astro”
Francis Thompson (1859-1907)
“Non si può cogliere un fiore senza turbare
una stella”
Albert Einstein (1879 – 1955)
Bond of union, M.C. Escher, 1956
Buon Tempo a tutti!
Anche noi siamo ‘figli’ delle stelle…
O, meglio, siamo ‘polvere di stelle’!
Grazie per l’ascolto
Gloria Nobili
Bibliografia






George Gamow (1976), Biografia della Fisica, EST, Mondadori
Arborio Mella Federico (1990), La misura del tempo nel tempo,
Hoepli, collana Saggistica
Igor D. Novikov (2000), Il fiume del tempo – Possiamo cambiare il passato?- , Ed
Longanesi & C.
Franco Selleri (2002), La natura del tempo- Propagazioni super-luminali - Paradosso dei
gemelli – Teletrasporto, Edizioni Dedalo, Bari
John Gribbin (2004), Q come quanto, Macro Edizioni, Cesena
Massimo Teodorani (2007), L’atomo e le particelle elementari -Dalla scienza degli
antichi alle superstringhe di oggi-, Macro Edizioni, Cesena
Siti web:




http://www.fisicamente.net/index-157.htm
http://www.scienzapertutti.lnf.infn.it
http://www.theintentionexperiment.com
http://www.fmboschetto.it/tde/lettura_5.htm