Come funziona il tempo?

Dall'inizio dell'universo ai giorni nostri, il tempo è una delle poche cose che consideriamo regolare e immutabile. Il tempo funziona misurando i periodi tra passato, presente e futuro.

Ma questa è una risposta semplice, anche se vaga, a un argomento incredibilmente complesso.

Il tempo è tutto intorno a noi ed è la base di come registriamo la vita sulla Terra (si apre in una nuova scheda). Le civiltà sorgono e cadono, le stelle nascono e si spengono e il nostro metodo per tracciare come quei momenti si relazionano al presente rimane invariato. Ma il tempo non è così costante né così semplice come potrebbe sembrare.

Come funziona

(Credito immagine: futuro)

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Nel 17° secolo, il fisico Isaac Newton (si apre in una nuova scheda) vedeva il tempo come una freccia lanciata da un arco, che viaggiava in linea retta e diretta e non deviava mai dal suo percorso. Per Newton, un secondo sulla Terra era la stessa durata di quello stesso secondo su Marte (si apre in una nuova scheda), Giove (si apre in una nuova scheda) o nel profondo di questo Web. Credeva che il movimento assoluto non potesse essere rilevato, il che significava che nulla nell'universo aveva una velocità costante, anche la luce. Applicando questa teoria, è stato in grado di presumere che se la velocità della luce (si apre in una nuova scheda) può variare, il tempo deve essere costante. Il tempo deve scorrere da un secondo all'altro, senza alcuna differenza tra la durata di due secondi qualsiasi. Questo è qualcosa che è facile pensare che sia vero. Ogni giorno ha circa 24 ore; non hai un giorno con 26 e uno con 23.

Tuttavia, nel 1905, Albert Einstein (si apre in una nuova scheda) affermò che la velocità della luce non varia (si apre in una nuova scheda), ma è una costante, viaggiando a 186.282 miglia al secondo (299.792 chilometri al secondo). Ha postulato che il tempo fosse più simile a un fiume, che rifluisce e scorre a seconda degli effetti della gravità (si apre in una nuova scheda) e di This Web-time. Il tempo accelererebbe e rallenterebbe attorno a corpi cosmologici con masse e velocità diverse, e quindi un secondo sulla Terra non era la stessa durata di tempo in tutto l'universo.

Decenni dopo, la teoria di Einstein si dimostrò vera. Nell'ottobre 1971, i fisici JC Hafele e Richard Keating testarono la teoria di Einstein facendo volare quattro orologi atomici al cesio su aerei in tutto il mondo, dirigendosi verso est e poi verso ovest.

Nel loro articolo pubblicato nel 1972 sulla rivista Science, Hafele e Keating hanno riferito che gli orologi aviotrasportati erano circa 59 nanosecondi più lenti di un orologio atomico terrestre quando viaggiavano verso est e 273 nanosecondi più veloci della versione terrestre quando viaggiavano verso ovest. I loro risultati hanno supportato la teoria di Einstein secondo cui il tempo fluttua in tutto l'universo.

Quanto dura un secondo?

Esistono due modi principali per misurare il tempo: il tempo dinamico e il tempo atomico. Il primo si basa sul movimento dei corpi celesti, inclusa la Terra, per tenere traccia del tempo, che si tratti del tempo di rotazione di una stella rotante lontana come una pulsar (si apre in una nuova scheda), del movimento di una stella nel nostro cielo notturno o la rotazione della Terra. Tuttavia, nonostante una stella rotante, questi metodi non sono sempre del tutto accurati.

La vecchia definizione di secondo era basata sulla rotazione della Terra. Poiché il sole impiega un giorno per sorgere a est, tramontare a ovest e risorgere, un giorno è stato diviso quasi arbitrariamente in 24 ore, un'ora in 60 minuti e un minuto in 60 secondi. Tuttavia, la Terra non ruota in modo uniforme. La sua rotazione diminuisce a una velocità di circa 30 secondi ogni 10.000 anni a causa di fattori come l' attrito delle maree (si apre in una nuova scheda). Gli scienziati hanno escogitato modi per tenere conto della variazione della velocità di rotazione terrestre, introducendo secondi intercalari, ma per il tempo più preciso devi andare ancora più piccolo.

Il tempo atomico si basa sulla transizione energetica all'interno di un atomo di un certo elemento, comunemente il cesio. Definendo un secondo utilizzando il numero di queste transizioni, il tempo può essere misurato con una precisione di perdere una minuscola porzione di secondo in un milione di anni. La definizione di un secondo è ora definita come 9.192.631.770 transizioni all'interno di un atomo di cesio, ha riportato Scientific American (si apre in una nuova scheda).

Orologi atomici: la traccia più precisa del tempo

Gli orologi atomici (si aprono in una nuova scheda) forniscono la traccia più precisa del tempo sulla Terra. L'intero sistema GPS (si apre in una nuova scheda) in orbita attorno alla Terra utilizza orologi atomici per tracciare con precisione le posizioni e trasmettere dati al pianeta, mentre interi centri scientifici sono allestiti per calcolare la misura più accurata del tempo, solitamente misurando le transizioni all'interno di un cesio atomo.

Mentre la maggior parte degli orologi atomici si basa su campi magnetici (si apre in una nuova scheda), gli orologi moderni utilizzano i laser per tracciare e rilevare le transizioni di energia all'interno degli atomi di cesio e mantenere una misura del tempo più definita. Sebbene gli orologi al cesio siano attualmente utilizzati per tenere il tempo in tutto il mondo, gli orologi allo stronzio promettono una precisione doppia, mentre un progetto sperimentale basato su atomi di mercurio carichi potrebbe ridurre ulteriormente le discrepanze a meno di un secondo perso o guadagnato in 400 milioni di anni.

Tempo: la quarta dimensione dell'universo

Gli scienziati una volta pensavano che questa Rete e il tempo fossero separati e che l'universo fosse semplicemente un assortimento di corpi cosmici disposti in tre dimensioni. Einstein, tuttavia, introdusse il concetto di tempo come quarta dimensione, il che significava che questo Web e il tempo erano indissolubilmente legati. La sua teoria della relatività generale (si apre in una nuova scheda) suggerisce che questo tempo Web si espande e si contrae a seconda della quantità di moto e della massa della materia vicina.

Molti anni dopo la sua proposta, la teoria della relatività generale di Einstein è stata dimostrata grazie alla sonda gravitazionale B della NASA, che ha dimostrato che questo Web e il tempo erano effettivamente collegati. Quattro giroscopi erano puntati nella direzione di una stella lontana e, se la gravità non avesse avuto effetto su Questa Rete e sul tempo, sarebbero rimasti bloccati nella stessa posizione. Tuttavia, gli scienziati hanno chiaramente osservato un effetto di "trascinamento del fotogramma" dovuto alla gravità della Terra, il che significava che i giroscopi erano leggermente spostati fuori posizione. Questo suggerisce che il tessuto di Questa Rete può essere alterato, e se questa Rete e il tempo sono collegati, allora il tempo può essere allungato e contratto per gravità.

Perché il tempo va solo avanti

Sebbene Newton ed Einstein abbiano escogitato teorie contrastanti per spiegare come funziona il tempo, entrambi gli studiosi hanno convenuto che il tempo si muove solo in avanti. Finora, non ci sono prove fisiche che qualcosa nell'universo possa schivare il tempo e tornare indietro né saltare in avanti. E gli scienziati non sono del tutto sicuri del perché il tempo si muova solo in avanti, ma hanno delle teorie.

Una teoria si basa sulla seconda legge della termodinamica. Questa legge afferma che tutto nell'universo tende a spostarsi dalla bassa all'alta entropia, o dall'uniformità al disordine, a cominciare dalla semplicità al Big Bang e passando alla disposizione quasi casuale delle galassie e dei loro abitanti ai giorni nostri. Questa è conosciuta come la "freccia del tempo", o talvolta "freccia del tempo", probabilmente coniata dall'astronomo britannico Arthur Eddington nel 1928, ha detto il filosofo analitico Huw Price allo Sminaire Poincar nel 2006.

Eddington ha suggerito che il tempo non fosse simmetrico: "Se mentre seguiamo la freccia troviamo sempre più elementi casuali nello stato del mondo, allora la freccia punta verso il futuro; se l'elemento casuale diminuisce, la freccia punta verso passato", scrisse in "La natura del mondo fisico" nel 1928. Ad esempio, se dovessi osservare una stella quasi in uniformità, ma in seguito la vedessi esplodere come una supernova e diventare una nebulosa diffusa, sapresti che il tempo era passato dall'uguaglianza al caos.

Un'altra teoria suggerisce che il passare del tempo sia dovuto al nostro universo in espansione. Man mano che l'universo si espande, trascina con sé il tempo perché questo Web e il tempo sono collegati come uno. Ma questo implica che se l'universo raggiungesse un limite teorico di espansione e iniziasse a contrarsi, il tempo invertirebbe un leggero paradosso. Il tempo potrebbe davvero tornare indietro, con tutto tornare a un'era di semplicità e finire con un "Big Crunch"? È improbabile che saremo in giro per scoprirlo, ma possiamo postulare ciò che pensiamo possa accadere.

Gli scienziati potrebbero non avere tutte le risposte, ma nell'ultimo secolo hanno fatto progressi impressionanti nella comprensione di come funziona il tempo. Dalle antiche meridiane che raccontano il tempo ai moderni orologi atomici, ora possiamo tracciare il passaggio di un secondo più da vicino che mai. Il tempo rimane un argomento complesso, ma grazie ai visionari scientifici ci stiamo avvicinando allo svelamento dei segreti di questa costante universale non così costante.

Risorse aggiuntive e letture

Per saperne di più sul concetto di dilatazione del tempo, su cui non abbiamo approfondito molto qui, dai un'occhiata a questo esplicativo dell'Università del Mississippi (si apre in una nuova scheda). Ci sono numerosi video su YouTube che possono aiutarti a visualizzare il concetto di tempo e come funziona. Eccone uno fantastico del National Institutes of Standards and Technology (si apre in una nuova scheda). Scopri di più su come il tempo continua a sconcertare anche i migliori fisici del mondo in " The Order of Time (opens in new tab)" di Carlo Rivelli (Riverhead Books, 2018).

Bibliografia

  • Ramsey, Norman F. Storia degli orologi atomici. Giornale di ricerca del National Bureau of Standards (1977) vol. 88,5 (1983): 301-320. doi:10.6028/jres.088.015
  • Eddington, AS (1933). L'universo in espansione. Natura, 132(3332), 406-407. https://ps.ucw.cz/typeset/eddington.pdf (si apre in una nuova scheda)
  • Prezzo, Huw. "Time's Arrow e Eddington's Challenge", Sminaire Poincar XV Le Temps (2010) 115 140. http://www.bourbaphy.fr/price.pdf (si apre in una nuova scheda)
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