Che cos'è il tempo per noi, esseri umani?

L'altro giorno, fumando una sigaretta, pensavo alla freccia del tempo. Da dove emerge la sensazione di andare dal passato verso il futuro? e perchè non è possibile andare dal futuro verso il passato? Mentre fumavo quella sigaretta non ho potuto fare a meno di riflettere sul fatto che generando combustione stavo convertendo il tabacco e la cartina in energia calore, scorie solide (cenere), ed emissioni di carbonio (fumo). La conversione in energia calore è un processo irreversibile. Significa che anche se recuperassi tutto il fumo e le ceneri non potrei ricombinarle per ricreare la sigaretta. Non potrei in alcun modo tornare indietro nel tempo e ricomporre la sigaretta, una volta fumata. Il legame tra tempo e calore mi appare allora chiaro. Ogni qual volta che in un processo si sviluppa calore emerge la freccia del tempo, l'eterna corrente che dal passato ci porta verso il futuro. 

"Se guardo un film che mostra una palla che rotola, non so dire se il film è proiettato giusto o all'indietro. Ma se nel film la palla rallenta e si ferma, vedo che il film è giusto, perchè proiettato al contrario mostrerebbe avvenimenti implausibili: una palla che si mette in moto da sola. Il rallentare e il fermarsi della palla sono dovuti all'attrito, che produce calore. Solo dove c'è calore c'è differenza fra passato e futuro. I pensieri si dipanano dal passato verso il futuro, non viceversa, e infatti pensare produce calore nella testa..."

Carlo Rovelli - L'ordine del tempo - pagina 30 capitolo 2

Ma che cos'è il calore? Il calore è l'agitazione microscopica delle molecole. Un the caldo è caldo perchè le molecole che lo compongono si agitano molto. In un the freddo le molecole si agitano meno e in un pezzo di ghiaccio ancora meno. Le cose fredde si scaldano a contatto con quelle calde perchè le loro molecole vengono urtate da quelle più agitate (calde) e si agitano a loro volta, cioè si scaldano. Ecco come il calore passa dalle cose calde alle cose fredde, per il disordinarsi e il mescolarsi di tutto. Questo mescolarsi di tutte le cose è il motivo per il quale andiamo dal passato verso il futuro.

L'ENTROPIA

Il secondo principio della termodinamica è una legge fisica con la quale si afferma che le cose calde vanno dalle cose fredde e che, per farlo, nel processo aumenta inevitabilmente il "disordine" microscopico. Qui entra in gioco l'entropia!

L'entropia emerge sia dalla termodinamica che dalla fisica statistica. Essa è la misura dei possibili microstati di un macrostato, rappresenta cioè la sfocatura che noi uomini abbiamo nell'osservare il mondo. Osservando un the caldo, ad esempio, non riusciamo a vedere la posizione e la velocità di ciascuna molecola. La posizione e la velocità delle molecole che compongono il the caldo sono i microstati associati al the, che è il macrostato. Il calore appare quindi come una media statistica macroscopica di tantissimi stati microscopici.

Riassumendo:

• Lo stato macroscopico, o macrostato, è quello caratterizzato dal valore globale (medio, statistico) del sistema. 
• Lo stato microscopico, o microstato, è la configurazione di tutte le parti che compongo il sistema, cioè di tutte le molecole e particelle che compongo il sistema.

In natura, noi esseri umani, possiamo osservare solo macrostati. La fisica ci dice, però, che un macrostato è dovuto all'effetto medio di tutti i microstati con esso compatibili. Noi osserviamo una statistica dell'insieme. Sarebbe impossibile, per noi umani, osservare tutto l'insieme! L'aumento dell'entropia è associato, quindi, ad un aumento del disordine, ad un numero maggiore, cioè, di configurazioni microscopiche possibili di un macrostato. Il numero di configurazioni possibili delle particelle che componevano la sigaretta prima che la fumassi è minore rispetto alle configurazioni delle particelle dopo averla fumata. Il perchè è semplice: mentre inizialmente le particelle sono tutte "ordinate" nel comporre tabacco e cartina, successivamente le loro configurazioni aumentano in quanto la combustione crea energia che le sparpaglia un po nella cenere, un po nel fumo e altre diventano energia calore. Le configurazioni finali delle particelle che compongono il sistema "sigaretta" sono maggiori di quelle inziali. L'entropia è aumentata. Ecco da dove emerge la freccia del tempo: dall'aumentare dell'entropia. Fumando quella sigaretta sto aumentando l'entropia, sto producendo calore, che è un processo irreversibile e quindi va inesorabilmente dal passato verso il futuro.

L'entropia è una quantità misurabile e calcolabile che si indica con la lettera S. In un processo isolato può rimanere uguale o aumentare ma non può mai diminuire. La formulazione matematica di questa legge fisica è la seguente: 

 

ΔS ≥ 0

Si legge: delta S è sempre maggiore o uguale a zero. Significa che l'entropia di un sistema può solo crescere e mai diminuire, il che equivale al fatto che il tempo può andare solo dal passato verso il futuro. Ciò che noi chiamiamo passato è semplicemente uno stato con minore entropia. L'entropia nel passato era più bassa.

"A far girare il mondo non sono le sorgenti di energia, sono le sorgenti di bassa entropia. [...] Vicino alla terra abbiamo una ricca sorgente di bassa entropia: il Sole. Il sole ci invia fotoni caldi. La terra irradia poi calore verso il cielo nero, emettendo fotoni più freddi. L'energia che entra è più o meno uguale a quella che esce, quindi nello scambio non guadagniamo energia. Ma per ogni fotone caldo arrivato, la Terra emette una decina di fotoni freddi, perchè un fotone caldo dal Sole ha la stessa energia di una decina di fotoni emessi dalla Terra. Il fotone caldo ha meno entropia dei dieci fotoni freddi, perchè il numero di configurazioni di un solo fotone (caldo) è più basso del numero di configurazioni di dieci fotoni (freddi). [...] Abbiamo a disposizione abbondanza di bassa entropia, ed è questa che permette alle piante e agli animali di crescere, a noi di costruire motori, città, pensieri, e scrivere libri come questo"

Carlo Rovelli - L'ordine del tempo - pagina 138 capitolo 11

 Gli esseri viventi sono costituiti da processi che fanno aumentare l'entropia. Mangiando, ad esempio, si aumenta l'entropia. Molecole funzionano da catalizzatori e permettono a processi di innescarsi, aumentando l'entropia. La vita è un processo nutrito dalla bassa entropia, è un disordinarsi autostrutturato. L'intera storia dell'universo è costituita dall'aumento dell'entropia. Inizialmente, ad esempio, l'universo era sostanzialmente una distesa di idrogeno. Con il passare di milioni di anni la gravità ha contratto sempre più queste nuvole di idrogeno, aumentandone l'entropia (una nuvola di idrogeno contratta ha entropia maggiore di una nuvola di idrogeno dispersa). Una volta concentrate al punto giusto le nuvole si scaldano e diventano stelle, dando vita al processo di fusione nucleare che trasforma l'idrogeno in elio, aumentando l'entropia (l'elio ha entropia maggiore dell'idrogeno). L'intera storia dell'universo è costituita da processi che aumentano l'entropia e che ci portano, quindi, dal passato verso il futuro. 

La domanda che dovremo porci arrivati questo punto è: per quale motivo l'entropia nel passato era minore? L'entropia non è altro che l'interazione che noi uomini, intesi come sistema fisico, abbiamo con il resto del mondo. 

"[...]l'entropia è precisamente la quantità che conta quante sono le diverse configurazioni che la nostra visione sfuocata non distingue. Calore, entropia, bassa entropia del passato sono nozioni che fanno parte di una descrizione approssimata, statistica, della natura."

Carlo Rovelli - l'ordine del tempo - pagina 35 capitolo 2

Quindi la differenza tra passato e futuro, in ultima analisi, è legata a questa sfocatura? Al fatto che il nostro sistema fisico interagisce approssimativamente con il mondo? Se potessimo tenere conto di ogni variabile, di ogni singolo microstato, quindi, gli effetti del fluire del tempo sparirebbero? 

La risposta, secondo il fisico teorico Carlo Rovelli e molti altri scienziati, è si. Se osservo lo stato microscopico delle cose la differenza fra passato e futuro scompare. Nelle equazioni della fisica quantistica, che descrivono un sistema quanto-meccanico (particelle sub-atomiche), in effetti,  non compare la variabile tempo.    

"Il punto non è che quello che succede ad un cucchiano freddo dentro una tazza di the caldo dipenda dal fatto che io abbia una visione sfocata o no. Quello che succede al cucchiaino e alle sue molecole, ovviamente, non dipende da come le vedo io. Succede e basta. Il punto è che la descrizione in termini di calore, temperatura, passaggio di calore dal the al cucchiaino, è una visione sfocata di quanto succede, ed è solo in questa visione sfocata che appare la vistosa differenza fra passato e futuro"

Carlo Rovelli - l'ordine del tempo - pagina 36 capitolo 2 

CONCLUSIONE

Il tempo, per noi umani, esiste. Il tempo non esiste a livello fondamentale e dipende dalla peculiarità che noi abbiamo interagendo con il mondo. Il tempo emerge dentro di noi, in base alle variabili con cui i nostri sensi possono interagire col resto dei sistemi fisici. Per noi umani il tempo è vita, ma non esiste un tempo fondamentale, oggettivo, che scorre in unica direzione. Non esiste, come ci ricorda il buon vecchio Albert Einstein, nemmeno un tempo che scorre alla stessa velocità in tutto l'universo. Per approfondire si veda il mio articolo Un breve riassunto sulla Teoria Della Relatività Generale.