Dal tempo al non-tempo! Un percorso tra Fisica ed Astronomia

1. 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

2. 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.”

3. 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 tempoe 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?

4. 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).

5. Il problema della misura del tempo Soggettivo sensazione personale tempo psicologico (senza strumento) Oggettivo misura tramite uno strumento (valore uguale per tutti) MISURA Valore di riferimento unità campione (quale????)

6. Scelta unità di misura Fenomeno periodico naturale: • Giorno(alternanza luce/buio) • Mese(alternanza luna piena/nuova) • Anno(alternanza stagioni) = intervallo di tempo tra due equinozi di primavera Problema:VALORI non COSTANTI! Rimedio: ricorso a valori ‘medi’…

7. Giorno medio 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 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.

8. Il tempo sulla Terra

9. Il Calendarioo 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!

10. Cambiamenti di riferimento L’orologio più preciso del mondoè 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 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. orologio al cesio: errore di 1 µsecondo ogni 12 giorni (Il Cs133 ha un nucleo formato da 55 protoni e 78 neutroni)

11. Tempo ‘universale’ ? Contemporaneamente esistono tutte le 24 ore! 0°= meridiano di Greenwich longitudine Ovest /Est + confini nazionali Linea di cambiamento di data Linea di cambiamento di data

12. Fusi orari e ‘jet lag’ • Il tempo è…relativo al luogo in cui ci si trova! TUTTO RUOTA! 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… Viaggiando in aereo… si cambia fuso!

13. Immagine di ‘stacco’

14. 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”

15. 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= 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! t = t0 / (1- v²/c²)

16. 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!

17. 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 B A dopo B dopo

18. 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: 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) (1- v²/c²) TEMPO E SPAZIO SPAZIO - TEMPO

19. 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

21. 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…

22. 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 T = 4 anni GABICCE Distanza = 4 anni-luce E le altre stelle fino a quanto sono più lontane?

23. Il tempo: misura dello spazio! Dai chilomentri…alle unità astrronomiche (UA)… agli anni-luce! 1011 km 1 anno-luce 30 UA oppure 4500 milioni di km

24. Un viaggio all’indietro nel tempo • Quando è cominciato tutto ciò?

25. BIG BANG !!!!

26. 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…

27. 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)

28. 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!

29. 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…

30. 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

31. L’entanglement nell’Universo • L’Universo può essere un tutto intrinsecamente entangled e coerente con se stesso, senza perdita di informazione. • 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!!!! Possiamo vedere i profili senza il vaso? Il gatto di Schroedinger è vivo o morto?

32. 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’ ;-)

33. 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!

34. 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

35. Buon Tempo a tutti! Grazie per l’ascolto Gloria Nobili Anche noi siamo ‘figli’ delle stelle… O, meglio, siamo ‘polvere di stelle’!

36. 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