L’idea della macchina del tempo fa pensare subito a qualcuno che imposta una data, preme un pulsante e scompare. La fisica racconta una storia parecchio diversa, e per certi versi ancora più strana.
Sì, teoricamente è possibile viaggiare nel tempo, almeno verso il futuro. La relatività di Einstein prevede che il tempo trascorra a velocità diverse per osservatori che si muovono a velocità differenti o si trovano in campi gravitazionali diversi. Viaggiare nel passato, invece, è consentito solo da alcune soluzioni teoriche della relatività generale e non è mai stato osservato.
La distinzione fra queste due possibilità cambia tutto. Andare nel futuro non richiede di invertire il tempo e non viola le leggi fisiche conosciute. Tornare a ieri è un problema decisamente più complicato.
Viaggiare nel futuro è già previsto dalla fisica
Quando si parla di viaggio nel tempo si immagina spesso qualcosa di esotico. Per andare nel futuro, invece, basta prendere sul serio la relatività speciale.
Il tempo non scorre allo stesso ritmo per tutti gli osservatori.
Se una persona viaggiasse a una velocità prossima a quella della luce e poi tornasse sulla Terra, per lei sarebbe trascorso meno tempo rispetto alle persone rimaste sul pianeta. Non si tratta di un effetto psicologico o di un’illusione dovuta alla percezione: confrontando gli orologi, i due tempi risulterebbero realmente differenti.
Il fenomeno prende il nome di dilatazione temporale relativistica.
Il NIST, l’istituto statunitense che si occupa fra le altre cose degli standard di tempo, ricorda che questo comportamento degli orologi è stato verificato sperimentalmente e che gli effetti della relatività devono essere considerati persino nel funzionamento del GPS.
E qui c’è un dettaglio che spesso passa inosservato: non stiamo dicendo che forse il tempo rallenta alle alte velocità. La dilatazione temporale è un effetto fisico misurato.
Quanto dovremmo essere veloci per saltare nel futuro?
Alle velocità della vita quotidiana la differenza è minuscola. Avvicinandosi alla velocità della luce, però, cresce in maniera impressionante.
Facciamo un esempio puramente teorico.
A circa il 99,995% della velocità della luce, il fattore relativistico sarebbe vicino a 100. In condizioni idealizzate, trascurando accelerazione, frenata e altri problemi pratici, per ogni anno trascorso sull’astronave potrebbero trascorrere circa 100 anni per un osservatore terrestre.
L’astronauta non percepirebbe nulla di strano. Il suo orologio continuerebbe a segnare normalmente secondi, minuti e ore; biologicamente invecchierebbe secondo il proprio tempo.
La sorpresa arriverebbe al ritorno.
Per lui potrebbe essere passato un anno. Sulla Terra, un secolo.
È probabilmente la forma più concreta di “macchina del tempo” consentita dalla fisica conosciuta: non permette di scegliere una data sul calendario, ma consente in linea di principio di raggiungere un futuro molto più lontano di quello che si vivrebbe restando sulla Terra.
Einstein permette di modificare il tempo anche con la gravità
La velocità non è l’unico modo per alterare il ritmo del tempo.
Con la relatività generale entra in scena la gravità: più intenso è il campo gravitazionale, più lentamente scorre il tempo rispetto a regioni sottoposte a una gravità minore.
Anche questo effetto è stato misurato.
Esperimenti con orologi atomici hanno rilevato differenze nel ritmo del tempo fra orologi collocati ad altezze differenti. Nel 2022 un gruppo JILA/NIST ha misurato la dilatazione gravitazionale su una differenza di altezza dell’ordine del millimetro.
Sembra quasi assurdo: basta cambiare quota perché due orologi estremamente precisi non procedano esattamente allo stesso ritmo.
Nella vita normale la differenza è irrilevante. Vicino a oggetti estremamente compatti, come un buco nero, il fenomeno diventerebbe molto più marcato.
Qui bisogna stare attenti a un errore comune nella divulgazione. Dire che “vicino a un buco nero il tempo si ferma” senza specificare rispetto a quale osservatore porta rapidamente fuori strada. In relatività il tempo va sempre confrontato fra sistemi di riferimento differenti.
Il GPS deve correggere continuamente gli effetti relativistici
C’è un esempio molto meno spettacolare di un buco nero, ma decisamente più utile: lo smartphone.
Gli orologi atomici dei satelliti GPS non marciano esattamente allo stesso ritmo degli orologi sulla superficie terrestre.
Secondo i dati riportati dal NIST, il movimento dei satelliti produce attraverso la relatività speciale un rallentamento di circa 7 microsecondi al giorno rispetto agli orologi terrestri. La minore gravità alla loro quota produce invece un’accelerazione di circa 45 microsecondi al giorno.
Il risultato combinato è circa 38 microsecondi al giorno in più per gli orologi dei satelliti. Il sistema deve tenerne conto.
Trentotto milionesimi di secondo sembrano niente. Per un sistema che calcola una posizione usando segnali che viaggiano alla velocità della luce, però, ignorarli causerebbe errori rapidamente significativi.
È uno dei casi che preferisco quando si parla di viaggi nel tempo, perché toglie il discorso dal territorio della fantascienza: gli effetti relativistici sul tempo fanno già parte della tecnologia utilizzata ogni giorno.
Quindi possiamo costruire un’astronave e andare nel 2200?
Le equazioni non sono il problema principale. Lo è l’ingegneria.
Accelerare un veicolo dotato di massa a una frazione estrema della velocità della luce richiederebbe quantità enormi di energia. All’aumentare della velocità diventa sempre più difficile continuare ad accelerare, mentre la velocità della luce rimane irraggiungibile per un oggetto dotato di massa.
Poi arrivano problemi che nei film vengono liquidati rapidamente: energia necessaria, propulsione, radiazioni e collisioni con particelle o granelli di materia interstellare, frenata, protezione dell’equipaggio.
In pratica siamo lontanissimi da un viaggio relativistico capace di produrre un salto temporale macroscopico.
Ma “non sappiamo costruirlo” e “le leggi della fisica lo vietano” sono due affermazioni completamente diverse. Nel caso del viaggio relativistico verso il futuro siamo soprattutto davanti al primo problema.
E viaggiare nel passato?
Qui il terreno cambia.
La relatività generale ammette alcune geometrie dello spazio-tempo nelle quali possono comparire le cosiddette curve temporali chiuse, indicate spesso con la sigla inglese CTC, closed timelike curves.
Una CTC è, semplificando solo un po’, una traiettoria nello spazio-tempo che può riportare un osservatore in un punto del proprio passato pur mantenendo localmente una traiettoria compatibile con la relatività.
Non è un’invenzione narrativa. Modelli matematici di questo tipo esistono davvero all’interno della relatività generale. Una trattazione della Stanford Encyclopedia of Philosophy dedicata alla fisica dei viaggi temporali osserva che esistono differenti geometrie relativistiche contenenti curve temporali chiuse.
Il salto logico da evitare è questo:
“Le equazioni contengono una soluzione” non significa “quell’oggetto può esistere nell’Universo reale”.
È uno dei punti sui quali la divulgazione sul viaggio nel tempo tende a correre un po’ troppo.
I wormhole potrebbero diventare macchine del tempo?
Fra le ipotesi più conosciute ci sono i wormhole, o ponti di Einstein-Rosen nella terminologia spesso usata in divulgazione.
Un wormhole può essere immaginato come una connessione fra regioni differenti dello spazio-tempo. Alcuni modelli teorici mostrano che, qualora esistesse un wormhole attraversabile e fosse possibile creare una differenza temporale fra le sue due estremità, la configurazione potrebbe produrre una curva temporale chiusa.
In altre parole: si potrebbe entrare da un’estremità e uscire in un momento precedente rispetto a quello atteso nel normale spazio esterno.
Sulla carta è affascinante.
Il problema è tutto ciò che viene dopo.
Non abbiamo prove sperimentali dell’esistenza di wormhole attraversabili macroscopici, né sappiamo costruirne uno. Alcuni modelli richiedono condizioni sulla materia e sull’energia estremamente problematiche da realizzare fisicamente. La possibilità matematica, da sola, non ci dice se la natura consenta davvero una struttura simile.
La letteratura sulla relatività ha studiato a lungo proprio il rapporto fra wormhole, curve temporali chiuse e stabilità dello spazio-tempo.
Che cosa impedirebbe di tornare indietro nel tempo?
Una delle idee più famose viene da Stephen Hawking.
Nel 1992 formulò la chronology protection conjecture, l’ipotesi di protezione cronologica. In termini molto sintetici, Hawking esplorò la possibilità che gli effetti quantistici impediscano la formazione di curve temporali chiuse prima che una macchina del tempo possa diventare operativa.
L’idea è seducente: le leggi della natura potrebbero avere un meccanismo che protegge automaticamente la causalità.
Non è però un teorema definitivamente dimostrato.
Negli anni sono stati proposti modelli e controesempi, e il rapporto fra teoria quantistica e spazi-tempo contenenti CTC rimane un problema aperto. Alcuni lavori hanno studiato configurazioni nelle quali il meccanismo proposto da Hawking potrebbe non funzionare nel modo inizialmente previsto.
Qui le fonti non consentono quindi una risposta categorica del tipo “la meccanica quantistica vieta sicuramente i viaggi nel passato”.
Semplicemente non lo sappiamo.
E il paradosso del nonno?
È inevitabile.
Torniamo nel passato, impediamo a nostro nonno di incontrare nostra nonna e creiamo il classico problema: se non nasciamo, chi è tornato indietro per modificare gli eventi?
Il paradosso è utile per raccontare il problema della causalità, ma non costituisce di per sé una dimostrazione fisica dell’impossibilità del viaggio nel passato.
Esistono modelli teorici basati sull’idea di autoconsistenza: gli eventi lungo una curva temporale chiusa dovrebbero essere globalmente compatibili tra loro. Non potremmo quindi cambiare il passato in un modo che generi una contraddizione, perché la storia percorsa dovrebbe già comprendere la presenza del viaggiatore.
La fisica delle CTC viene studiata proprio imponendo vincoli di consistenza di questo genere. La Stanford Encyclopedia nota che i paradossi logici classici non sono il principale ostacolo affrontato dalla letteratura fisica sulle macchine del tempo.
La vera domanda è più concreta: può uno spazio-tempo con quelle caratteristiche esistere e rimanere stabile?
Per ora non abbiamo una risposta sperimentale.
Viaggiare più veloce della luce risolverebbe il problema?
No, almeno non nel senso semplice suggerito da molti racconti di fantascienza.
La relatività speciale assegna alla velocità della luce nel vuoto un ruolo limite: un oggetto dotato di massa non può essere accelerato attraverso quella soglia con un normale processo di accelerazione.
Alcune costruzioni teoriche cercano di aggirare il problema modificando la geometria dello spazio-tempo anziché facendo muovere localmente un veicolo più velocemente della luce. Wormhole e ipotetiche metriche di curvatura dello spazio appartengono a questo genere di ragionamenti.
Anche qui, però, una metrica scritta su un foglio non equivale a un progetto di ingegneria.
È una distinzione apparentemente banale, ma nella pratica è proprio quella che separa molta fisica seria sul viaggio temporale dalle versioni sensazionalistiche dello stesso argomento.
Esiste già qualcuno che ha viaggiato nel tempo?
Nel senso relativistico, sì: tutti lo facciamo.
Persone che seguono traiettorie diverse, viaggiano a velocità differenti o trascorrono tempo in campi gravitazionali leggermente diversi accumulano quantità di tempo proprio non perfettamente identiche.
Le differenze della vita quotidiana sono minuscole. Con orologi atomici, però, sono misurabili. Esperimenti hanno rilevato persino gli effetti della differenza di gravità su orologi posti a quote leggermente differenti.
Nessuno è invece mai arrivato dal futuro, almeno per quanto possa essere stabilito scientificamente, e non esiste alcuna osservazione verificata di una persona o di un oggetto macroscopico inviato nel passato.
Questo è il confine attuale: la dilatazione del tempo è fisica sperimentale; la macchina per tornare nel passato è fisica teorica altamente speculativa.
Domande frequenti
È davvero possibile viaggiare nel futuro?
Sì, secondo la relatività. Un osservatore che viaggia a velocità prossime a quella della luce può sperimentare meno tempo rispetto a chi rimane sulla Terra. La dilatazione temporale è stata misurata sperimentalmente, anche se oggi non possediamo astronavi capaci di sfruttarla su scala macroscopica.
È possibile tornare nel passato?
Alcune soluzioni della relatività generale ammettono curve temporali chiuse che, matematicamente, permetterebbero un ritorno nel passato. Non esiste però alcuna prova che tali configurazioni possano essere create o esistano realmente in una forma attraversabile.
Un buco nero permette di viaggiare nel tempo?
Un forte campo gravitazionale provoca una notevole dilatazione temporale rispetto a osservatori più lontani, quindi può produrre un viaggio relativo verso il futuro. Questo non significa che entrare in un normale buco nero permetta di uscire automaticamente nel passato o in un’altra epoca.
I wormhole esistono davvero?
I wormhole sono soluzioni o costruzioni teoriche studiate nell’ambito della relatività generale. Non abbiamo osservato un wormhole attraversabile né possediamo una tecnica per crearne uno. Usarli come macchine del tempo richiederebbe quindi diversi passaggi fisici ancora completamente ipotetici.
Perché non vediamo viaggiatori provenienti dal futuro?
L’assenza di visitatori non dimostra da sola che il viaggio nel passato sia impossibile. Potrebbe semplicemente non essere fisicamente realizzabile, oppure eventuali macchine temporali potrebbero avere limitazioni che ancora non conosciamo. Al momento, comunque, non esiste alcuna evidenza scientifica di visitatori temporali.
Una macchina del tempo è quindi possibile?
La parte curiosa è che la fisica ha già demolito l’idea intuitiva di un tempo identico per tutti. Due osservatori possono davvero invecchiare in quantità differenti fra gli stessi eventi, e gli orologi atomici ce lo mostrano senza bisogno di alcuna speculazione.
La grande incognita rimane l’altra direzione. Il futuro è raggiungibile più velocemente degli altri, almeno in linea di principio. Per tornare nel passato, invece, abbiamo per ora equazioni interessanti, parecchi problemi irrisolti e nessuna macchina.
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