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Al di fuori della fantascienza non abbiamo incontrato viaggiatori nel tempo (più sul cambiamento del passato). Ma diversi campi della scienza, dalla fisica alla matematica fino alla filosofia, esplorano questo argomento da decenni.
Il fondamento di molte teorie sul passaggio del tempo potrebbe risiedere nelle teorie della relatività speciale e generale di Albert Einstein, da lui pubblicate rispettivamente nel 1905 e nel 1915. Con queste teorie, ha capovolto la nostra comprensione del mondo. Secondo Einstein il tempo e lo spazio non sono dimensioni statiche ma possono essere espanse o compresse a seconda della situazione. In altre parole, una barra d’acciaio non ha sempre la stessa lunghezza ovunque e in ogni momento, e la seconda può passare a volte molto velocemente, a volte molto lentamente.
Quest’ultima cosa può sembrare familiare: un’ora a scuola o al lavoro può trascinarsi, mentre un’ora con gli amici vola via. Ma ad Einstein il concetto di tempo non interessava; stava parlando della sua lunghezza effettiva. Ad esempio, secondo la relatività, un secondo sulla superficie terrestre è diverso da un secondo su un satellite in orbita attorno ad essa.
Vai al futuro grazie al Rapid Movement
La teoria della relatività speciale di Einstein rende possibile il viaggio nel tempo, ma solo nel futuro. Come scoprì il fisico, gli orologi funzionano più lentamente se gli osservatori si muovono. Quindi, se sali a bordo di un’astronave per un viaggio di andata e ritorno di cinque anni nello spazio e la nave viaggia al 97% della velocità della luce, al tuo ritorno saranno passati ben 20 anni sulla Terra. Ecco perché, dopo 11 mesi trascorsi nella Stazione Spaziale Internazionale, l’astronauta della NASA Scott Kelly è 13 millisecondi più vecchio del suo gemello rimasto sulla Terra.
Tuttavia, non è solo il movimento che può far scorrere il tempo più lentamente o più velocemente; anche la gravità o l’accelerazione possono farlo. Ciò è dovuto alla comprensione di Einstein che la gravità è il risultato della geometria: massa e forza (uguali, diciamo E = mc²) la curva spazio-temporale, che controlla la direzione del movimento di oggetti di grandi dimensioni. Puoi immaginare che oggetti più pesanti come le stelle lascino stress nello spaziotempo, motivo per cui altri oggetti più grandi come i pianeti ne sono attratti.
La teoria della relatività generale di Einstein sviluppa un’immagine geometrica della gravità: la massa piega lo spazio-tempo, fornendo così una forza conosciuta.
E poiché gli oggetti massicci deformano lo spaziotempo in modo così drammatico, il tempo si muove molto lentamente nel loro ambiente. Questa idea è esplorata nel film di Christopher Nolan Una stella. Nel film, uno dei personaggi principali si reca in uno spazio vicino a un buco nero alla ricerca di un pianeta abitato dall’umanità. Mentre passano alcuni mesi mentre esplora la zona, sua figlia, ancora sulla Terra, ha diversi decenni.
Un viaggio passato
Tecnicamente, i coefficienti di correlazione standard consentono anche il viaggio nel tempo all’indietro attraverso l’esistenza delle cosiddette curve di tipo tempo chiuse. Percorrendo queste curve si parte da un certo punto dello spazio-tempo, si torna indietro nel passato e infine si ritorna al punto di partenza nello spazio e nel tempo. Il matematico olandese Willem Jacob van Stockum fu il primo a scoprire questa possibilità nel 1937.
Perché sono trascorsi più di 20 anni tra lo sviluppo della relatività generale e questa comprensione? La teoria di Einstein consente molte soluzioni e ognuna descrive un universo diverso.
Quando Einstein pubblicò i suoi risultati nel 1915, i ricercatori si affrettarono a trovare una soluzione che corrispondesse il più fedelmente possibile al nostro universo. Ma questo non è un compito facile. La matematica è spesso molto complessa e molti aspetti dell’universo rimangono incerti. Che forma ha, ad esempio? E come è distribuita la massa al suo interno?
Le equazioni di campo relativistiche generali di Einstein sono equazioni differenziali. Ciò significa che descrivono come cambiano determinate funzioni in base a diverse quantità: ad esempio, come varia la curvatura dello spazio nel tempo e nello spazio. In sintesi, le statistiche possono essere espresse in forma quasi pura: Guna nota +LGuna nota = 8πG/C4X Tuna nota.
Il lato sinistro di questa equazione riguarda la geometria dello spazio, dove Λ rappresenta la costante cosmologica (che spiega l’espansione accelerata dell’universo). La parte destra, invece, comprende la parte che contiene la materia e spiega come gli oggetti di grandi dimensioni si muovono nello spazio e lo influenzano. Dietro tutte queste variabili ci sono espressioni complesse, inclusi diversi operatori come i derivati.
Un’equazione con molteplici soluzioni
L’obiettivo è trovare un po’ di geometria (in modo metrico come Guna notail tensore che descrive la geometria dello spaziotempo) e la distribuzione di massa (Tuna nota) che soddisferà l’equazione di cui sopra. L’astronomo Karl Schwarzschild fu uno dei primi a trovare la soluzione nel 1916. La usò per descrivere lo spazio vuoto attorno a un oggetto stazionario, rotondo e di grandi dimensioni. Ciò consente, ad esempio, il calcolo della gravità vicino a un pianeta, una stella o anche un buco nero.
Nel 1963 il matematico Roy Kerr perseguì un approccio simile a quello di Schwarzschild ma con quantità rotanti. La sua soluzione, tuttavia, ha caratteristiche sorprendenti: questa soluzione consente di tracciare un percorso lungo una curva chiusa, simile al tempo. Ciò significa che, in teoria, in questo programma è consentito tornare indietro nel tempo. Tuttavia, ciò può accadere solo in uno spaziotempo di Kerr instabile e piccoli cambiamenti causano il collasso della regione.
Quindi, sebbene la soluzione di Kerr descriva probabilmente lo spaziotempo senza buchi neri ben ruotanti, fallisce nella loro regione ed è in quella regione che possono verificarsi curve di tipo temporale.
Nello “spazio interiore” il viaggio nel passato è almeno teoricamente possibile.
© Yukterez / Kerr Universe / CC BY-SA 4.0 (attribuzione)
Ma a quanto pare, l’universo di Kerr non è l’unica soluzione alle equazioni di Einstein che consentono il viaggio nel tempo. La prossima settimana approfondiremo alcune soluzioni alla relatività speciale e generale e discuteremo di come offrono diverse visioni dell’universo, del tempo e dello spazio.
Questo articolo è apparso originariamente lo spettro scientifico e riprodotto con permesso. Tradotto dalla versione originale tedesca con l’aiuto dell’intelligenza artificiale e rivisto dai nostri redattori.