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La scienza ridona centralità all'uomo

Le teorizzazioni di Newton su spazio e tempo assoluti rimasero dei capisaldi quasi dei dogmi fino alla metà dell'800. Grazie a Michael Faraday, James Clerk Maxwell e William Clifford è stato possibile compiere degli importanti passi avanti nella comprensione della realtà. Faraday introduce il fondamentale concetto di continuum ipotizzando che tra una particella e l'altra non vi sia uno spazio geometrico vuoto. La materia sarebbe invece costituita da punti geometrici che funzionano come sorgenti e pozzi delle forze elettriche, essi appaiono uniti da un groviglio di linee di forza che sono curve geometriche nello spazio. La materia è diventata un continuum geometrico completamente incurvato.

Questa induzione di Faraday viene formalizzata matematicamente da Maxwell nel 1864. Clifford invece, durante una conferenza scientifica, parla dello spazio curvo, cioè dello spazio come costruzione geometrica. Questi scienziati gettano le basi per la colossale rivoluzione del Novecento ad opera di uno dei più grandi e geniali personaggi di tutti i tempi: Einstein. Grazie alla relatività, egli asserisce che sia spazio sia tempo sono relativi e dipendono quindi dal soggetto che li osserva e li esperisce.

La rivoluzione della relatività

Proprio nel momento in cui tutti erano convinti che in ambito fisico si fosse risolto ogni dubbio, cominciò a prendere avvio una grande rivoluzione. Qui le tappe fondamentali sono le due teorie della relatività einsteiniana e la macchina quantistica.

La teoria della relatività speciale

La teoria della relatività speciale o ristretta del 1905 si basa su due postulati che Einstein cerca di conciliare:

• Il primo postulato - principio di relatività, scoperto da Galileo. Tutte le leggi fisiche sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
• Secondo postulato - invarianza della velocità della luce, fa parte delle equazioni di Maxwell governanti l'elettromagnetismo. La velocità della luce nel vuoto ha lo stesso valore in tutti i sistemi di riferimento inerziali, indipendentemente dalla velocità della sorgente di luce.

Per risolvere l'incompatibilità tra i due principi, Einstein sostituisce le trasformazioni galileiane con quelle di Lorenz. L'aspetto interessante riguarda il fatto che, mentre le trasformazioni galileiane mantenevano distinte le nozioni di spazio e di tempo, quelle di Lorenz considerano lo spazio-tempo come un'unica entità: spazio e tempo non si possono più considerare concetti assoluti e separati.

Simultaneità tra i due eventi

Due eventi che sono simultanei in un sistema di riferimento possono non esserlo in un altro: è l'osservatore a stabilire la sua simultaneità. La simultaneità è stabilita dall'osservatore e non dall'evento in sé. Già questa prima implicazione fa sì che si stravolga completamente la visione della realtà, ma soprattutto di una realtà soggettiva valida per tutti, che costituiva la base della concezione del primo motore immobile aristotelico.

Esempio: immaginiamo che Gaspare debba festeggiare il Capodanno. È stato invitato a due feste, ed entrambe prevedono uno spettacolo pirotecnico, una grande passione per lui. Non sapendo quale scegliere, decide che allo scoccare della mezzanotte si ritroverà proprio a metà strada tra i due luoghi in modo tale da vederli entrambi. A mezzanotte precisa, due fuochi d'artificio partiranno contemporaneamente alla festa A e alla festa B e scopriremo nel medesimo istante. Gaspare affermerà di aver assistito contemporaneamente allo scoppio dei fuochi.

Nello stesso momento, Biagio sta pilotando un elicottero muovendosi in moto rettilineo uniforme su una traiettoria che va dalla festa A alla festa B e sta pensando che lo spettacolo pirotecnico della festa B sia iniziato prima di quello della festa A. Hanno ragione entrambi: qualche secondo osservatore si troverà più vicino al fuoco d'artificio della festa B e, dato che la luce ha una velocità finita, dovendo percorrere una distanza minore, verrà percepita prima da Biagio.

Dilatazione del tempo

Il tempo è relativo in quanto, per un osservatore che viaggia a velocità prossime a quelle della luce, il tempo scorre più lentamente che per un osservatore fermo. Ciò deriva dal fatto che nella teoria della relatività ristretta la luce impiega tempo per collegare due punti dello spazio.

Gaspare ha chiesto di essere accompagnato alla stazione perché deve prendere il treno. Gaspare sale sul treno, il posto riservato è particolare perché si trova in un vagone completamente trasparente al cui interno è stato posizionato un orologio a luce, cioè un fotone che scandisce il tempo muovendosi tra due specchi piani e paralleli. Il treno inizia a muoversi e, nel medesimo istante, i due amici hanno la stessa idea: calcolare quanto tempo il fotone impiega a correre in un percorso completo. Gaspare cronometra 10 secondi, l'altro 15 secondi. Chi ha ragione? Anche in questo caso, hanno ragione entrambi!

Un osservatore interno al vagone vedrebbe il fotone andare dal punto X al punto Y e poi di nuovo all'inizio con velocità C in un determinato tempo. Un osservatore esterno al vagone, invece, vedrebbe il fotone con velocità C compiere un percorso XYX, dato dal movimento del treno, di lunghezza evidentemente maggiore rispetto al precedente percorso XYX dell'osservatore interno.

I muoni sono delle particelle fortemente instabili che, se create in laboratorio, si disintegrano in tempi brevissimi; invece, se formati spontaneamente nell'atmosfera, vivono considerevolmente di più perché si muovono a velocità elevate. Potrebbe essere l'alta velocità a dilatare il tempo e quindi la durata della vita dei muoni.

Contrazione delle lunghezze

Lo spazio è relativo, cioè una misura metrica situata in un sistema in moto varia la propria lunghezza secondo la velocità del sistema. In particolare, un osservatore in quiete stima più corto un oggetto che vede muoversi a velocità prossima a quella della luce, rispetto alla lunghezza che gli attribuirebbe se il medesimo oggetto fosse anch'esso in quiete.

Aumento della massa degli oggetti

La massa non è una lunghezza costante ma cresce in proporzione all'aumentare della velocità. Nel momento in cui la velocità del corpo si avvicina a quella della luce, non può più aumentare poiché è impossibile superare il valore C; quindi, la massa viene trasformata in energia. In definitiva, la massa è una forma di energia. La famosa equazione di Einstein indica proprio la possibilità della materia di trasformarsi in energia: E=mc², dove E rappresenta l'energia, m rappresenta la massa a riposo e c rappresenta la velocità della luce.

Non è possibile slegare il concetto di spazio da quello di tempo

Non essendo più un concetto assoluto, il tempo non può essere slegato dallo spazio: spazio e tempo appaiono intimamente connessi. Queste due entità, a differenza di ciò che afferma Newton, sono correlate e relative.

Il cono di luce di Minkowski

Minkowski, in una conferenza, dichiarò che grazie alla nuova teoria di Einstein, al posto dei classici concetti di spazio e di tempo, doveva subentrare una nuova entità: lo spazio-tempo, una struttura geometrica a quattro dimensioni in cui spazio e tempo sono fusi in un continuum quadridimensionale. Nasce così lo spazio-tempo quadridimensionale, detto anche cronotopo. Le linee di universo collegano i punti evento corrispondenti alle coordinate istantanee degli oggetti, così da rappresentarne il moto. Partendo da un osservatore, si dipanano due coni di luce che rappresentano il passato e il futuro.

Per l'osservatore O è impossibile tornare verso il passato delineato dal cono inferiore; però, è possibile muoversi all'interno del cono superiore che rappresenta il possibile futuro nello spazio-tempo in base alla velocità. O si sposterà in maniera diversa: in particolare, l'aumento della velocità produce una traiettoria sempre più vicina ai bordi del cono. Se fosse possibile raggiungere la velocità della luce, O si muoverebbe lungo i bordi del cono; invece, se restasse sempre fermo in un punto dello spazio, percorrerebbe una linea retta verso l'alto corrispondente a quella del tempo. Il percorso che noi compiamo nello spazio-tempo, cioè tutta la nostra vita, disegna una linea piena di curve chiamata verme quadridimensionale.

La teoria della relatività generale

Questa teoria si fonda essenzialmente su due principi:

• Il primo: le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento.
• Il secondo: il principio di equivalenza tra gravità e accelerazione.

Equivalenza tra forza di gravità e accelerazione

Postulare l'equivalenza tra un campo gravitazionale e la forza di gravità è ciò che permetterà a Einstein di includere nella teoria della relatività generale anche gli effetti dovuti alla forza gravitazionale, i quali non erano considerati nella relatività ristretta. Non possiamo distinguere un'accelerazione dalla presenza di un campo gravitazionale. Einstein intuisce che l'accelerazione può, in determinati casi, produrre un effetto del tutto simile a quello esercitato dalla forza di gravità.

Curvatura dello spazio-tempo

La teoria della relatività ristretta era in contraddizione con la teoria della gravitazione universale di Newton. Le previsioni newtoniane fossero sbagliate perché i pianeti dovrebbero cadere, invece ciò non accade. Einstein riesce a sciogliere l'enigma grazie alla teoria della relatività generale, secondo la quale la superficie dello spazio-temporale è un tessuto a quattro dimensioni costituito da spazio e tempo. Ovvero, il primo con tre dimensioni cartesiane e il secondo con una dimensione.

Le masse si spostano sulla superficie spazio-temporale creando delle curvature. Tale tessuto può essere paragonato a un tappeto elastico che si inarca sotto il peso delle masse, cioè pianeti e altri. La gravità non è altro che il risultato della curvatura del tessuto spazio-tempo da parte di una massa. Il Sole, come massa, deforma lo spazio-tempo, cioè provoca un percorso che la Terra deve seguire. Lo spazio e il tempo non sarebbero solo correlati e relativi, ma anche flessibili e dinamici. Come affermato da Brian Greene, le teorie newtoniane sono sicuramente anche oggi utili, ma una teoria utile non è necessariamente vera. Passato, presente e futuro non sarebbero quindi un susseguirsi di attimi, ma una compresenza nel continuum spazio-temporale.

Il prestigioso ruolo di osservatore

Un altro passaggio fondamentale fu grazie alla meccanica quantistica, nata nel XX secolo per dare una risposta ad alcuni fenomeni che non potevano essere spiegati utilizzando i principi fisici fino a quel momento conosciuti. Lo sviluppo della meccanica quantistica ebbe inizio grazie agli studi di Max Planck, il quale ipotizzò l'esistenza dei quanti, quantità discreta e indivisibile di una certa grandezza. Questa scoperta innovativa andò a minare una delle certezze della fisica: l'energia è una grandezza continua. Planck asserì che gli scambi di energia sono descritti, ovvero avvengono, mediante dei pacchetti di energia.

L'aspetto più interessante della meccanica quantistica è il suo essere contro intuitiva e non rispondere a una logica lineare di causa-effetto. La meccanica quantistica sottostà a una logica della complessità nella quale vari fattori influiscono su ciò che accade. Lo stesso Einstein aveva contribuito notevolmente alla nascita e alla diffusione della meccanica quantistica grazie agli studi sull'effetto fotoelettrico, grazie ai quali aveva scoperto il fotone, cioè il quanto di luce. I principi della meccanica quantistica più interessanti sono i seguenti:

• Principio di indeterminazione di Heisenberg: Non si possono conoscere contemporaneamente posizione e velocità di una particella poiché tali valori, prima della misurazione, sono intrinsecamente indeterminati. Il concetto di traiettoria continua, che è la base della meccanica classica, viene meno per questa ragione. È impossibile fare affermazioni deterministiche sul movimento dei corpi. Per l'uomo non è possibile conoscere la realtà fisica con la precisione che si desidera, essendo decaduto il principio di causa effetto. Si introduce il concetto di limite, che non dipende dall’inadeguatezza degli strumenti di misurazione, ma è insito nella realtà stessa e dipende dal suo modo di comportarsi.
• Principio di sovrapposizione: Un corpo si può trovare contemporaneamente in più stati. Con una misurazione è possibile ottenere diversi valori secondo determinate probabilità, e la misurazione stessa determina uno dei valori. Alcune nostre considerazioni sul mondo sono basate sul giudizio o sulla descrizione individuale, non su una distinzione oggettiva. Esse riguardano il mondo in cui si osserva la realtà: essendo la realtà multifaccettata, non esiste un giusto o sbagliato, ma solo un diverso modo di guardare le cose.
• Principio di complementarietà di Niels Bohr: I fenomeni a livello atomico e subatomico presentano un duplice aspetto corpuscolare e ondulatorio, pur risultando impossibile osservarli contemporaneamente. La natura corpuscolare degli elettroni si rivela esclusivamente nel momento in cui arrivano al bersaglio, cioè quando si sta effettuando un’osservazione. Precedentemente, si comportano come un’onda di probabilità e non possono essere localizzati con precisione nello spazio. Le particelle subatomiche non sono visualizzabili come delle palline ben definite, ma come delle nuvole di probabilità. È quindi necessario interpretare l'onda dell'elettrone in termini probabilistici, probabilità dipendente dall’ampiezza dell'onda. Nel senso che esiste una maggiore possibilità di trovare l'elettrone dove l'ampiezza dell'onda è più grande. Ciò significa che anche la materia deve essere descritta probabilisticamente.

Non localismo

Per la meccanica quantistica è possibile l'azione a distanza tra due sistemi, i quali si influenzano in tempo reale, evidentemente con una velocità maggiore di quella della luce, pur collocandosi a considerevole distanza. È stato sperimentalmente dimostrato che tale fenomeno è chiamato entanglement quantistico, dove due particelle generate dallo stesso processo o che hanno interagito per un lungo periodo rimangono unite al di là delle distanze spazio-temporali. Se si agisce su una di esse, infatti, anche l'altra ne risente istantaneamente. Alain Aspect creò in laboratorio una coppia di fotoni correlati, nati dal decadimento di un atomo di calcio, e lanciò queste particelle verso traiettorie diverse. Nel momento in cui, grazie a un cristallo birifrangente, si modificò la direzione di una particella, anche l'altra istantaneamente corresse la sua.

L'entanglement quantistico, oltre a mettere in crisi l'inviolabilità della velocità della luce, spiegherebbe dei fenomeni, per ora classificati come parapsicologici, come la telepatia e il voodoo.

Effetto tunnel

Pur non possedendo l'energia necessaria per uscire da un contenitore, esiste comunque la probabilità che una particella possa oltrepassare il limite apparentemente invalicabile. Non bisogna stupirsi, anche perché la materia può addirittura scaturire dal nulla.

Effetto osservatore

Lo stato indeterminato delle particelle si chiarisce nel momento in cui si effettua un’osservazione. In definitiva, le osservazioni determinano il sistema osservato: non esiste una realtà oggettiva della materia. Quanto finora esposto può essere ulteriormente compreso utilizzando come metafora le immagini gestaltiche. Cantalupi sottolinea come tali figure semplifichino alcuni aspetti della meccanica quantistica. Inoltre, esse riescono a riassumere e chiarire perfettamente il rapporto tra osservatore e osservato, nonché la complessità della realtà:

• Lo stato di sovrapposizione quantistico e la dualità onda-particella trovano un corrispettivo psicologico nelle figure gestaltiche, poiché esse contengono un aspetto di ambiguità. Infatti, a seconda di come si pone su di loro l'attenzione, è possibile vedere delle immagini diverse.
• Il ruolo dell'osservatore è fondamentale in quanto egli decide di porre l'attenzione su un aspetto o un altro delle immagini.
• Nel momento in cui viene percepita un'immagine, però, l'altra non scompare ma rimane comunque presente nella figura.
• Ogni persona può asserire di vedere aspetti diversi dell'immagine. Nessuno ha ragione o torto, poiché ogni interpretazione di tale realtà ha la medesima dignità.
• Secondo la meccanica quantistica, avvenimenti possono coesistere nello stesso tempo e in spazi diversi. Lo spazio multidimensionale. Inoltre, è utile specificare che lo spazio e il tempo non esistono in maniera assoluta ma sono modi di pensare. Anch'essi dipendono dall'osservatore. È l'uomo, con le sue osservazioni, a creare la realtà. In ottica quantistica, non esiste una realtà oggettiva ma una realtà creata dalla fusione tra osservato e osservatore cosciente.

La freccia temporale

Il tempo è asimmetrico, cioè si muove lungo una freccia temporale che va dal passato al futuro. Ecco perché riusciamo a ricordare degli eventi passati ma non quelli a venire.