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La curiosità del mese

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Perchè il tempo va sempre in avanti?

La curiosità del mese di aprile 2016 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - L'orologio scandisce il passare del tempo.
Fig. 1 - L’orologio scandisce il passare del tempo.

Vi sembra che il tempo scorra troppo veloce? Vi piacerebbe che la giornata durasse 30 ore, invece delle inesorabili solite 24? Vi piacerebbe schioccare le dita e tornare indietro di 10 minuti, per correggere il vostro comportamento e modificare il presente?
Non potete! Il tempo scorre verso il futuro, inesorabile, e non torna indietro.
Non ci pensiamo mai, perchè ci sembra ovvio, ma il tempo è proprio strano.
Viviamo in tre dimensioni spaziali e una temporale. Ed è normale per noi muoverci nello spazio in avanti e indietro, a sinistra e a destra, in basso e in alto.
E perchè mai non possiamo farlo anche con il tempo?

Fig. 2 - . Facciamo un film sul moto dei pianeti attorno al Sole e poi mostriamolo al contrario (in tempo). Ce ne accorgeremmo? No.
Fig. 2 - Facciamo un film sul moto dei pianeti attorno al Sole e poi mostriamolo al contrario (in tempo). Ce ne accorgeremmo? No.

Considerate una legge fisica, per esempio la legge di gravitazione universale. Immaginate una sua maestosa applicazione, il moto dei pianeti attorno al Sole.
Immaginate di fare un film che ritrae il sistema solare, con tutti i pianeti che si muovono.
Adesso immaginate di vedere il film al contrario.
Vi accorgereste della differenza? Avete bisogno di una legge diversa per descrivere il moto dei pianeti?
No.
Altro esempio: guardate un biliardo dall’alto, con una sola palla che si muove e che rimbalza contro i bordi del biliardo. Fate il film e guardatelo al contrario: sapete distinguere qual è il verso giusto del tempo?
Adesso prendete tante palle, raggruppatele tutte vicine, all’interno di un triangolo, sullo stesso biliardo. Poi prendete un’altra palla e con la stecca lanciatela verso il triangolo di palle, e filmate il tutto. Dopo l’urto, tutte le palle andranno in direzioni diverse, apparentemente quasi a caso.
Adesso guardate il film al contrario. Sapete dire qual è la direzione temporale "giusta"? Scommetto di sì, perchè non succede mai che tante palle che arrivano da direzioni diverse si fermino scontrandosi tra di loro, e vadano a formare un triangolo perfetto.
Lo stesso quando fate un uovo strapazzato, o quando vi cadeun bicchiere. Eppure anche in questo caso le leggi della fisica non dicono che sia impossibile che un uovo strapazzato, mentre viene mescolato dalla vostra forchetta, si raggruppi e rientri nel suo guscio ... È solo molto molto molto improbabile.
Torniamo a bomba: perchè il tempo va in avanti?

Fig. 3 - Apriamo una boccettina di profumo in una stanza piccolissima. Le molecole del profumo si mescoleranno alle molecole dell'aria, che in questo caso sono poche. L'entropia (il disordine) aumenta, ma di poco. Adesso allarghiamo la stanza. Le molecole di profumo riempiranno tutto il volume, e si mescoleranno con sempre piu' molecole di aria. Il disordine (entropia) aumenta di molto.
Fig. 3 - Apriamo una boccettina di profumo in una stanza piccolissima. Le molecole del profumo si mescoleranno alle molecole dell’aria, che in questo caso sono poche. L’entropia (il disordine) aumenta, ma di poco. Adesso allarghiamo la stanza. Le molecole di profumo riempiranno tutto il volume, e si mescoleranno con sempre più molecole di aria. Il disordine (entropia) aumenta di molto.

Per lo stesso motivo per cui un bicchiere si rompe se cade, perchè l’uovo, se lo mescolate, mischia tutte le sue parti, e non ritorna nel suo guscio. Per dirla con una parolona, la freccia del tempo indica l’aumento dell’entropia.
Frase difficile, enigmatica. Contiene una parola chiave - entropia - che è oscura. Vediamo di capirla meglio.
Prendete due barattoli pieni di biglie. Sono tutte rosse nel primo, e tutte verdi nel secondo. Tutto è molto ordinato, no?
Adesso rovesciate i barattoli, e lasciate che le biglie si mescolino.
Biglie rosse a fianco di biglie verdi, a caso. Rifate l’esperimento. Il risultato sarà simile, vero?
Fatelo tante volte. Le biglie rosse e verdi saranno sempre mescolate, e sarà difficile trovare delle differenze macroscopiche, che so, tutte le biglie verdi a destra e tutte le rosse a sinistra.
Prima, quando erano tutte nel loro barattolo, la situazione era ordinata. Poi, quando le avete mescolate, la situazione è diventata disordinata.
Dato che l’entropia misura il disordine, mescolare le biglie ha fatto aumentare l’entropia. E, tristemente, l’entropia non diminuisce mai perchè i sistemi disordinati sono molto più probabili dei sistemi ordinati.
Vostro figlio o figlia adolescente ha una camera inguardabile? Sembra una discarica? È una legge di natura ...
La natura "va" verso il disordine. Ed è questo che comanda il senso del tempo.

Fig. 4 - L'entropia massima dell'Universo aumenta perche' l'Universo si espande. Le stelle, le galassie e tutto il contenuto dell'Universo produce entropia di continuo, e cosi' anche l'entropia dell'intero l'Universo aumenta sempre, ma questa si mantiene sempre ben al di sotto del valore massimo che l'entropia potrebbe avere.
Fig. 4 - L’entropia massima dell’Universo aumenta perchè l’Universo si espande. Le stelle, le galassie e tutto il contenuto dell’Universo produce entropia di continuo, e così anche l’entropia dell’intero l’Universo aumenta sempre, ma questa si mantiene sempre ben al di sotto del valore massimo che l’entropia potrebbe avere.

Certo, quando fate ordine nella vostra stanza o in quella dei vostri figli diminuite l’entropia della stanza, ma per farlo avete aumentato l’entropia da qualche altra parte: avete scaldato e quindi "mescolato" le molecole d’aria con il vostro aspirapolvere, avete usato l’energia dei vostri muscoli e traspirato sudore, e quindi anche il vostro corpo ha aumentato l’entropia dell’ambiente.
E l’aumento è molto, molto più grande della diminuzione che avete ottenuto mettendo in ordine la stanza. In totale, l’entropia è amentata.
Prendetela come legge inesorabile: volete fare ordine qui? Allora inesorabilmente aumenterete il disordine là. L’entropia dell’Universo aumenta sempre!
Questo semplice pensiero ha però una conseguenza grandissima.
Se l’entropia (disordine) dell’Universo aumenta sempre, allora una volta l’Universo doveva essere più ordinato.
Alla sua nascita, quindi, l’Universo doveva avere un bassissimo livello di entropia.
Eppure sappiamo tutti che ai primordi del tempo, quando l’Universo aveva pochi istanti di vita, era molto caldo, e tutte le particelle - elettroni, neutrini, fotoni, quark - erano come le nostre biglie mescolate a caso.
Uno non poteva certo dire: mi trovo nel barattolo delle biglie verdi! perchè attorno a lui vedeva biglie sia verdi che rosse, a caso .... E questa è una situazione di disordine. Alta entropia. E quindi?
Il tempo scorre in avanti perchè l’entropia aumenta, e quindi all’inizio del tempo l’entropia dell’Universo doveva essere poca, e adesso invece scopriamo che l’entropia, all’inizio, era tanta. Come si risolve il paradosso?
Prendiamo una boccettina di profumo (vedi Fig. 3). Se è chiusa, tutto il profumo è dentro la boccettina.

Fig. 5 - La prossima volta che  usate l'aspiravolvere, pensate che potete mettere in ordine perche' l'Universo si espande.
Fig. 5 - La prossima volta che usate l’aspiravolvere, pensate che potete mettere in ordine perchè l’Universo si espande!

L’entropia è bassa, c»è tanto ordine. Ma appena la apro, le molecole del profumo escono e si mescolano con le molecole dell’aria, fino a riempire tutta la stanza. Disordine! Grande entropia.
Se la stanza è chiusa, una volta che le molecole di profumo si sono mescolate bene, non possono fare altro. Raggiungono un disordine massimo e poi lo mantengono. Quindi l’entropia cresce all’inizio, e poi si ferma.
Ma se adesso allargo la stanza, cioè magicamente sposto le pareti, cosa succede?
Le molecole possono mescolarsi un po’ di più con l’aria nuova! L’entropia può aumentare di nuovo!
Questo è quello che è successo dopo il big bang: l’Universo si è espanso, permettendo all’entropia (che era già grande) di crescere tantissimo.
È per questo che adesso l’entropia può crescere senza problemi.
È come se nascessero, ogni secondo, delle isole ecologiche vuote, dove noi possiamo portare la nostra spazzatura. E per un’isola ecologica che si riempie, ne nascono migliaia di nuove, e vuote.
Pensateci, la prossima volta che usate il vostro aspirapolvere. Potete mettere in ordine perchè l’Universo si espande!

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