| introduzione | spazio tempo euclideo | spazio tempo relativistico |
| spazio tempo quantistico | lo spazio e il tempo non esistono |
INTRODUZIONE
La butto subito lì.
Il Modello Standard prevede uno spazio-tempo che alle scale più piccole ha una struttura granulare e discreta, e non più continua come ipotizzato nella fisica classica.
Ora la domanda è qual’è la influenza dello spazio-tempo quantizzato sulla nostra vita reale? Qual’è la importanza dello spazio-tempo alle lunghezze di Plank (10 elevato alla meno 33 centimetri)?
Ho letto che se passiamo una mano su uno specchio questo ci apparirà liscio e continuo. In realtà tutti gli elettroni al loro interno girano intorno al nucleo di un atomo solo in determinati livelli energetici quantizzati e non in altri. Anche lo spazio-tempo nel suo interno è quantizzato.
Ma in pratica cosa significa? Anche lo spazio-tempo dell’universo è quantizzato?
Cerchiamo di capirci qualcosa.
SPAZIO TEMPO EUCLIDEO
La struttura dello spazio-tempo è un concetto fondamentale della fisica, che si è evoluto nel corso della storia con il progredire delle conoscenze scientifiche.
Il tempo era concepito come assoluto e indipendente dagli osservatori. Il tempo, o meglio gli intervalli di tempo, erano una grandezza misurabile, esattamente come la lunghezza di un oggetto.
Lo spazio era regolato dalla geometria euclidea dove la lunghezza di un oggetto non cambia quando questo si sposta o ruota nello spazio.
Aristotele lo definiva come “la misura del movimento”. Questa visione era stata ripresa e sviluppata da Isaac Newton alla fine del seicento: lo spazio e il tempo erano grandezze “assolute”, indipendenti dalla natura e dal moto della materia.
Questa visione, che rimane accettabile ancora oggi se si considerano fenomeni in cui i corpi si muovono a velocità molto più piccole di quella della luce.
La relazione che li legava era praticamente questa: s = v * t.
dove s è lo spazio, v la velocità e t il tempo. Quindi per spostarsi da un punto all’altro era come camminare su un piano e il tempo era la misura per arrivare da un ponto all’altro.
SPAZIO TEMPO RELATIVISTICO
Poi arriva Einstein che con la sua teoria della relatività azzera ogni vecchia concezione.
Einstein ipotizzò che tutte le leggi fisiche dovessero essere le stesse in ogni sistema di riferimento inerziale, e che la velocità della luce fosse sempre la stessa, indipendentemente dalla velocità del sistema inerziale in cui la si osserva. Con ciò Einstein pose le basi della teoria della relatività ristretta. Naturalmente questo comportava una nuova definizione delle variabili spazio e tempo, non più assolute, ma relative all’osservatore che le misura, ed una rappresentazione dei fenomeni fisici in uno spazio non più tridimensionale ma quadridimensionale, in cui il tempo rappresenta la quarta dimensione.
Lo spazio e il tempo sono soggette alla legge della gravità. Lo spazio attorno ad un corpo si forma in ragione della sua massa e così anche il tempo formando delle increspature spazio-tempo nell’universo. In pratica lo spazio è inteso come le onde che increspano il mare. Con il mare calmo il tempo per percorrere due punti è data dalla formuletta sopra citata. Con amare ondoso per percorrere lo stesso percorso dovrai salire e scendere tra le onde, il risultato è che è aumentata la distanza e di conseguenza il tempo di percorrenza. Tanto maggiori saranno le increspature, lo onde, dovrai percorre più spazio e di conseguenza più tempo.
E’ quello che avviene nello spazio, una navicella spaziale deve seguire le increspature dello spazio-tempo.
L’idea della gravità come forza basata sull’azione a distanza, viene con Einstein rivista come l’effetto della curvatura dello spazio-tempo dovuta alla presenza di una massa.
La teoria di Einstein asserisce che i corpi dotati di massa (pensiamo ad esempio a grandi corpi come il Sole o i pianeti, ma vale per qualsiasi corpo) deformano lo spazio-tempo che li circonda condizionando in tal modo il moto di altri corpi vicini, che percorreranno, in tal modo, delle geodetiche nello spazio-tempo curvo.
SPAZIO TEMPO QUANTISTICO
Parlare di spazio tempo quantistico è parlare della gravità quantistica. Abbozzandone una definizione, si può dire che essa sia la teoria che affronta il problema di riconciliare la relatività generale di Einstein e la meccanica quantistica. In pratica è un’importantissima teoria in grado di spiegare lo spaziotempo mettendo d’accordo la gravità, come definita dalla relatività generale di Einstein, e la meccanica quantistica.
La meccanica quantistica che ci dice che nel mondo microscopico la realtà è un’altra. La materia ha una struttura granulare, caratterizzata da atomi e da particelle ancora più piccole degli atomi, e le grandezze fisiche sono quantizzate, cioè possono assumere solo valori discreti, saltando da un valore a un altro, e sulla visione probabilistica della dinamica.
La meccanica quantistica ci dice che anche il tempo è quantizzato secondo la gravità quantistica. Ma non possiamo dimostrarlo materialmente e sperimentalmente.
Così come il campo elettromagnetico è formato da fotoni, lo spaziotempo deve essere granulare e, poiché soggetto alle leggi quantistiche, deve essere probabilistico. Ogni punto è un quanto di volume o grano di spazio e ogni linea, o loop, esprime la relazione tra i quanti del campo gravitazionale che collega
Perché l’intervallo minimo possibile, il cosiddetto tempo di Planck, corrisponde a una durata inconcepibilmente piccola: 10⁻⁴⁴ secondi, un intervallo così breve da essere al di là (almeno per ora) di ogni possibilità sperimentale. Tuttavia, se potessimo scendere fino al tempo di Planck, scopriremmo che una durata più breve, per esempio 10⁻⁴⁵ secondi, è impossibile. A quella scala il tempo non fluisce più in modo continuo, ma a salti.
LO SPAZIO, IL TMPO NON ESISTONO:
La gravità quantistica ci insegna che lo spazio di Newton, quello della concezione comune, non esiste. Ciò che esiste è un campo gravitazionale fatto di probabilità di quanti di spazio collegati in reti. Se spazio e tempo sono la stessa cosa:
il tempo non è infinitamente divisibile.
Come lo spazio, allora anche il tempo non esiste.
Un altro concetto importato dalla meccanica quantistica è il principio di indeterminazione. Ogni particella esiste in uno stato indeterminato finché non entra in un’interazione con qualche altra entità. Per esempio, non è possibile localizzare un elettrone in quale punto esatto dello spazio si troverà nel momento (tempo) in cui ne misureremo la posizione.
Ciò significa che la medesima indeterminazione che caratterizza la posizione di un oggetto nello spazio influenza anche la sua posizione nel tempo.
Con questa concezione quantistica parlare di percorrenza tra due punti nel mondo subatomico non ha senso. Lo stesso spazio-tempo non ha senso.
La conseguenza di questo aspetto relazionale del mondo quantistico è che spazio e tempo sono quantità indefinibili e non riscontrabili che non hanno alcuna influenza sul mondo reale tranne che nella fisica quantistica.
I tentativi di trovare una matematica coerente che soddisfi la stranezza dello spazio-tempo quantistico con la gravità geometrica hanno incontrato e trovano formidabili ostacoli tecnici e concettuali.
Più difficile sono i tentativi di comprendere lo spazio-tempo quantistico ordinario.
La strada di unione tra quantistica e relatività è ancora molto lunga, nel frattempo noi continuiamo a misurare il tempo e le lunghezze come abbiamo fatto finora, fisica quantistica permettendo.
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