Einstein una volta descrisse il suo amico Michele Besso come “la migliore cassa di risonanza in Europa” per le idee scientifiche. Hanno frequentato insieme l’università a Zurigo; più tardi sono stati colleghi all’ufficio brevetti di Berna. Quando Besso morì nella primavera del 1955, Einstein – sapendo che anche il suo tempo stava finendo – scrisse una famosa lettera alla famiglia di Besso. “Ora ha lasciato questo strano mondo un po’ prima di me”, scrisse Einstein della morte del suo amico. “Questo non significa nulla. Per noi fisici credenti, la distinzione tra passato, presente e futuro è solo un’illusione ostinatamente persistente.”
La dichiarazione di Einstein non era solo un tentativo di consolazione. Molti fisici sostengono che la posizione di Einstein è implicita nei due pilastri della fisica moderna: Il capolavoro di Einstein, la teoria generale della relatività, e il Modello Standard della fisica delle particelle. Le leggi che stanno alla base di queste teorie sono tempo-simmetriche – cioè, la fisica che descrivono è la stessa, indipendentemente dal fatto che la variabile chiamata “tempo” aumenti o diminuisca. Inoltre, non dicono nulla sul punto che chiamiamo “ora” – un momento speciale (o così sembra) per noi, ma apparentemente indefinito quando si parla dell’universo in generale. Il cosmo senza tempo che ne risulta è talvolta chiamato “universo a blocchi” – un blocco statico di spazio-tempo in cui qualsiasi flusso di tempo, o passaggio attraverso di esso, deve presumibilmente essere un costrutto mentale o un’altra illusione.
Molti fisici hanno fatto pace con l’idea di un universo a blocchi, sostenendo che il compito del fisico è descrivere come l’universo appare dal punto di vista dei singoli osservatori. Per capire la distinzione tra passato, presente e futuro, bisogna “immergersi in questo universo a blocchi e chiedersi: ‘Come percepisce il tempo un osservatore?'” ha detto Andreas Albrecht, un fisico dell’Università della California, Davis, e uno dei fondatori della teoria dell’inflazione cosmica.
Altri dissentono con veemenza, sostenendo che il compito della fisica è spiegare non solo come il tempo sembra passare, ma perché. Per loro, l’universo non è statico. Il passaggio del tempo è fisico. “Sono stufo di questo universo a blocchi”, ha detto Avshalom Elitzur, un fisico e filosofo ex Bar-Ilan University. “Non credo che il prossimo giovedì abbia lo stesso valore di questo giovedì. Il futuro non esiste. Non esiste! Ontologicamente, non c’è.”
Il mese scorso, circa 60 fisici, insieme a una manciata di filosofi e ricercatori di altre branche della scienza, si sono riuniti al Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, per discutere questa questione alla conferenza Time in Cosmology. La conferenza è stata co-organizzata dal fisico Lee Smolin, uno schietto critico dell’idea dell’universo a blocchi (tra gli altri argomenti). La sua posizione è esposta per un pubblico laico in Time Reborn e in un lavoro più tecnico, The Singular Universe and the Reality of Time, scritto insieme al filosofo Roberto Mangabeira Unger, anche lui co-organizzatore della conferenza. In quest’ultimo lavoro, rispecchiando i sentimenti di Elitzur sulla mancanza di concretezza del futuro, Smolin scrisse: “Il futuro non è ora reale e non ci possono essere fatti certi sul futuro”. Ciò che è reale è “il processo attraverso il quale gli eventi futuri sono generati dagli eventi presenti”, ha detto alla conferenza.
I presenti hanno lottato con diverse domande: la distinzione tra passato, presente e futuro; perché il tempo sembra muoversi in una sola direzione; e se il tempo è fondamentale o emergente. La maggior parte di queste questioni, non sorprendentemente, è rimasta irrisolta. Ma per quattro giorni, i partecipanti hanno ascoltato con attenzione le ultime proposte per affrontare queste domande – e, soprattutto, i modi in cui potremmo conciliare la nostra percezione del passaggio del tempo con un universo statico e apparentemente senza tempo.
Il tempo spazzato sotto il tappeto
Ci sono alcune cose su cui tutti concordano. La direzionalità che osserviamo nel mondo macroscopico è molto reale: Le tazze da tè si frantumano ma non si riassemblano spontaneamente; le uova possono essere strapazzate ma non sbrogliate. L’entropia – una misura del disordine in un sistema – aumenta sempre, un fatto codificato nella seconda legge della termodinamica. Come il fisico austriaco Ludwig Boltzmann capì nel XIX secolo, la seconda legge spiega perché gli eventi hanno più probabilità di evolvere in una direzione piuttosto che in un’altra. Ma le cose si complicano quando facciamo un passo indietro e ci chiediamo perché ci capita di vivere in un universo in cui tale legge è valida. “Quello che Boltzmann ha veramente spiegato è perché l’entropia dell’universo sarà più grande domani che oggi”, ha detto Sean Carroll, un fisico del California Institute of Technology, mentre eravamo seduti al bar di un hotel dopo il secondo giorno di presentazioni. “Ma se questo fosse tutto ciò che sai, diresti anche che l’entropia dell’universo era probabilmente più grande ieri che oggi – perché tutte le dinamiche sottostanti sono completamente simmetriche rispetto al tempo”. Cioè, se l’entropia è in definitiva basata sulle leggi sottostanti dell’universo, e queste leggi sono le stesse andando avanti e indietro, allora è altrettanto probabile che l’entropia aumenti andando indietro nel tempo. Ma nessuno crede che l’entropia funzioni davvero così. Le uova strapazzate vengono sempre dopo le uova intere, mai il contrario.
Per dare un senso a questo, i fisici hanno proposto che l’universo sia iniziato in uno stato molto speciale a bassa entropia. In questa visione, che il filosofo della fisica della Columbia University David Albert ha chiamato “ipotesi del passato”, l’entropia aumenta perché il Big Bang ha prodotto un universo eccezionalmente a bassa entropia. Non c’era altro da fare che salire. L’ipotesi del passato implica che ogni volta che cuciniamo un uovo, stiamo approfittando di eventi accaduti quasi 14 miliardi di anni fa. “Quello che serve il Big Bang per spiegare è: “Perché ci sono mai state uova non rotte?”. ha detto Carroll.
Alcuni fisici sono più turbati di altri dall’ipotesi del passato. Prendere cose che non capiamo della fisica dell’universo di oggi e dire che la risposta può essere trovata nel Big Bang potrebbe essere visto, forse, come un passaggio di responsabilità – o come spazzare i nostri problemi sotto il tappeto. Ogni volta che invochiamo le condizioni iniziali, “il mucchio di cose sotto il tappeto diventa più grande”, ha detto Marina Cortes, una cosmologa del Royal Observatory di Edimburgo e una co-organizzatrice della conferenza.
A Smolin, l’ipotesi del passato sembra più un’ammissione di fallimento che un utile passo avanti. Come dice lui in The Singular Universe: “Il fatto da spiegare è perché l’universo, anche 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, non ha raggiunto l’equilibrio, che è per definizione lo stato più probabile, e difficilmente è sufficiente spiegare questo affermando che l’universo è iniziato in uno stato ancora meno probabile di quello attuale.”
Altri fisici, tuttavia, sottolineano che è normale sviluppare teorie che possono descrivere un sistema date certe condizioni iniziali. Una teoria non ha bisogno di sforzarsi di spiegare quelle condizioni.
Un altro gruppo di fisici pensa che l’ipotesi del passato, anche se meglio di niente, è più probabile che sia un segnaposto che una risposta finale. Forse, se siamo fortunati, ci indicherà la strada per qualcosa di più profondo. “Molte persone dicono che l’ipotesi del passato è solo un fatto, e non c’è nessun modo sottostante per spiegarlo. Non escludo questa possibilità”, ha detto Carroll. “Per me, l’ipotesi del passato è un indizio che ci aiuta a sviluppare una visione più completa dell’universo.”
Le origini alternative del tempo
La freccia del tempo può essere compresa senza invocare l’ipotesi del passato? Alcuni fisici sostengono che la gravità – non la termodinamica – mira alla freccia del tempo. In questa visione, la gravità fa sì che la materia si raggruppi, definendo una freccia del tempo che si allinea con la crescita della complessità, ha detto Tim Koslowski, un fisico dell’Università Nazionale Autonoma del Messico (ha descritto l’idea in un documento del 2014 di cui sono coautori il fisico britannico Julian Barbour e Flavio Mercati, un fisico del Perimetro). Koslowski e i suoi colleghi hanno sviluppato semplici modelli di universi composti da 1.000 particelle puntiformi, soggette solo alla legge di gravitazione di Newton, e hanno scoperto che ci sarà sempre un momento di massima densità e minima complessità. Man mano che ci si allontana da quel punto, in entrambe le direzioni, la complessità aumenta. Naturalmente, noi – creature complesse in grado di fare osservazioni – possiamo evolvere solo ad una certa distanza dal minimo. Tuttavia, ovunque ci troviamo nella storia dell’universo, possiamo indicare un’era di minore complessità e chiamarla passato, ha detto Koslowski. I modelli sono globalmente tempo-simmetrici, ma ogni osservatore sperimenterà una freccia locale del tempo. È significativo che il punto di partenza a bassa entropia non sia un’aggiunta al modello. Piuttosto, emerge naturalmente da esso. “La gravità elimina essenzialmente la necessità di un’ipotesi del passato”, ha detto Koslowski.
L’idea che il tempo si muova in più di una direzione, e che noi abitiamo solo una sezione del cosmo con una singola freccia del tempo definita localmente, non è nuova. Già nel 2004, Carroll, insieme al suo studente laureato Jennifer Chen, ha avanzato una proposta simile basata sull’inflazione eterna, un modello relativamente noto dell’inizio dell’universo. Carroll vede il lavoro di Koslowski e dei suoi colleghi come un passo utile, soprattutto perché hanno elaborato i dettagli matematici del loro modello (lui e Chen no). Tuttavia, ha alcune preoccupazioni. Per esempio, ha detto che non è chiaro che la gravità giochi un ruolo così importante come sostiene il loro documento. “Se si avessero solo particelle nello spazio vuoto, si otterrebbe esattamente lo stesso comportamento qualitativo”, ha detto.
L’aumento della complessità, ha detto Koslowski, ha un effetto collaterale cruciale: porta alla formazione di certe disposizioni di materia che mantengono la loro struttura nel tempo. Queste strutture possono immagazzinare informazioni; Koslowski le chiama “record”. La gravità è la prima e principale forza che rende possibile la formazione di record; altri processi danno poi origine a tutto, dai fossili agli anelli degli alberi ai documenti scritti. Ciò che tutte queste entità hanno in comune è che contengono informazioni su qualche stato precedente dell’universo. Ho chiesto a Koslowski se i ricordi immagazzinati nel cervello sono un altro tipo di record. Sì, ha detto. “Idealmente saremmo in grado di costruire modelli sempre più complessi, e arrivare alla fine alla memoria nel mio telefono, alla memoria nel mio cervello, nei libri di storia”. Un universo più complesso contiene più record di un universo meno complesso, e questo, ha detto Koslowski, è il motivo per cui ricordiamo il passato ma non il futuro.
Ma forse il tempo è ancora più fondamentale di questo. Per George Ellis, un cosmologo dell’Università di Città del Capo in Sudafrica, il tempo è un’entità più basilare, che può essere compresa immaginando l’universo a blocchi come se fosse in evoluzione. Nel suo modello di “universo a blocchi in evoluzione”, l’universo è un volume crescente di spazio-tempo. La superficie di questo volume può essere pensata come il momento presente. La superficie rappresenta l’istante in cui “l’indefinitezza del futuro si trasforma nella definitività del passato”, come lui lo descrisse. “Lo spazio-tempo stesso cresce con il passare del tempo”. Si può discernere la direzione del tempo guardando quale parte dell’universo è fissa (il passato) e quale sta cambiando (il futuro). Anche se alcuni colleghi non sono d’accordo, Ellis sottolinea che il modello è una modifica, non una revisione radicale, della visione standard. “Questo è un universo a blocchi con dinamiche coperte dalle equazioni di campo della relatività generale – assolutamente standard – ma con un confine futuro che è il presente in continuo cambiamento”, ha detto. In questa visione, mentre il passato è fisso e immutabile, il futuro è aperto. Il modello “ovviamente rappresenta il passare del tempo in un modo più soddisfacente del solito universo a blocchi”, ha detto.
A differenza della tradizionale visione a blocchi, l’immagine di Ellis sembra descrivere un universo con un futuro aperto – apparentemente in conflitto con un universo governato da leggi in cui gli stati fisici passati dettano gli stati futuri. (Anche se l’incertezza quantistica, come ha sottolineato Ellis, potrebbe essere sufficiente ad affondare una visione deterministica). Alla conferenza, qualcuno ha chiesto a Ellis se, date abbastanza informazioni sulla fisica di una sfera di un certo raggio centrata sulle Midlands britanniche all’inizio di giugno, si sarebbe potuto prevedere il risultato del voto della Brexit. “Non usando la fisica”, ha risposto Ellis. Per questo, ha detto, avremmo bisogno di una migliore comprensione di come funzionano le menti.
Un altro approccio che mira a conciliare l’apparente passaggio del tempo con l’universo in blocco va sotto il nome di teoria degli insiemi causali. Sviluppata per la prima volta negli anni ’80 come approccio alla gravità quantistica dal fisico Rafael Sorkin – anch’egli presente alla conferenza – la teoria si basa sull’idea che lo spazio-tempo sia discreto piuttosto che continuo. In questa visione, anche se l’universo appare continuo a livello macroscopico, se potessimo scrutare fino alla cosiddetta scala Planck (distanze di circa 10-35 metri) scopriremmo che l’universo è composto da unità elementari o “atomi” di spazio-tempo. Gli atomi formano quello che i matematici chiamano un “insieme parzialmente ordinato” – una matrice in cui ogni elemento è collegato a un elemento adiacente in una particolare sequenza. Il numero di questi atomi (stimato in ben 10240 nell’universo visibile) dà origine al volume dello spazio-tempo, mentre la loro sequenza dà origine al tempo. Secondo la teoria, nuovi atomi di spazio-tempo nascono continuamente. Fay Dowker, un fisico dell’Imperial College di Londra, si è riferito a questo alla conferenza come “tempo accrescitivo”. Ha invitato tutti a pensare allo spazio-tempo come all’accrescimento di nuovi atomi di spazio-tempo in modo approssimativamente analogo a un fondale marino che deposita nuovi strati di sedimenti nel tempo. La relatività generale produce solo un blocco, ma gli insiemi causali sembrano permettere un “divenire”, ha detto. “L’universo a blocchi è una cosa statica – un’immagine statica del mondo – mentre questo processo di divenire è dinamico”. In questa visione, il passaggio del tempo è una caratteristica fondamentale piuttosto che emergente del cosmo. (La teoria degli insiemi causali ha fatto almeno una previsione di successo sull’universo, ha sottolineato Dowker, essendo stata usata per stimare il valore della costante cosmologica basata solo sul volume spazio-temporale dell’universo.)
Il problema del futuro
Di fronte a questi modelli concorrenti, molti pensatori sembrano aver smesso di preoccuparsi e hanno imparato ad amare (o almeno a tollerare) l’universo a blocchi.
Forse la dichiarazione più forte fatta alla conferenza a favore della compatibilità dell’universo a blocchi con l’esperienza quotidiana è venuta dal filosofo Jenann Ismael dell’Università dell’Arizona. Per come la vede Ismael, l’universo a blocchi, correttamente inteso, contiene al suo interno la spiegazione della nostra esperienza del passaggio apparente del tempo. Uno sguardo attento alla fisica convenzionale, integrato da ciò che abbiamo imparato negli ultimi decenni dalla scienza cognitiva e dalla psicologia, può recuperare “il flusso, il whoosh, dell’esperienza”, ha detto. In questa visione, il tempo non è un’illusione – infatti, lo sperimentiamo direttamente. Ha citato studi che mostrano che ogni momento che sperimentiamo rappresenta un intervallo finito di tempo. In altre parole, non deduciamo il flusso del tempo; è parte dell’esperienza stessa. La sfida, ha detto, è quella di inquadrare questa esperienza in prima persona all’interno del blocco statico offerto dalla fisica – per esaminare “come il mondo appare dal quadro di riferimento in evoluzione di un percettore incorporato” la cui storia è rappresentata da una curva all’interno dello spazio-tempo dell’universo a blocchi.
La presentazione di Ismael ha avuto una risposta mista. Carroll ha detto che era d’accordo con tutto ciò che aveva detto; Elitzur ha detto che “voleva urlare” durante il suo discorso. (Più tardi ha chiarito: “Se sbatto la testa contro il muro, è perché odio il futuro”). Un’obiezione espressa molte volte durante la conferenza è stata che l’universo a blocchi sembra implicare, in qualche modo importante, che il futuro esiste già, eppure le dichiarazioni su, diciamo, il tempo di giovedì prossimo non sono né vere né false. Per alcuni, questo sembra un problema insormontabile con la visione dell’universo a blocchi. Ismael aveva già sentito queste obiezioni molte volte. Gli eventi futuri esistono, ha detto, solo che non esistono ora. “L’universo a blocchi non è un’immagine mutevole”, disse, “è un’immagine di cambiamento”. Le cose accadono quando accadono. “Questo è un momento – e so che tutti qui lo odieranno – ma la fisica potrebbe fare un po’ di filosofia”, ha detto. “C’è una lunga storia di discussioni sui valori di verità delle affermazioni future contingenti – e non ha davvero nulla a che fare con l’esperienza del tempo”. E per coloro che volevano leggere di più? “Consiglio Aristotele”, ha detto.
Correzione: Una didascalia della foto è stata rivista il 25 luglio 2016, per correggere l’ortografia del nome di Jenann Ismael.
Questo articolo è stato ristampato su TheAtlantic.com.