Alla ricerca di una simmetria universale

L’osservazione di alcune particelle subatomiche, chiamate mesoni K e B, potrebbe fornire nuovi indizi per comprendere la natura fondamentale del tempo. È la conclusione di uno studio recente, pubblicato su Proceedings of the Royal Society A, che tenta di dimostrare l’esistenza di una possibile simmetria tra lo spazio e il tempo. Il commento dell’autrice Joan Vaccaro

Uno studio recente condotto da una ricercatrice del Centre for Quantum Dynamics dell’Università di Griffith sta aprendo nuove prospettive sui concetti di spazio e tempo. Nel suo articolo, pubblicato su Proceedings of the Royal Society A, Joan Vaccaro lancia una sfida all’ormai assodata assunzione secondo cui l’evoluzione del tempo è in definitiva un elemento che fa parte della natura.

L’autrice del presente studio Joan Vaccaro, professoressa associata presso il Centre for Quantum Dynamics dell’Università di Griffith. Credit: Griffith University

Più di un secolo fa, Einstein introdusse nuove e rivoluzionarie argomentazioni sullo spazio e il tempo. Se noi pensiamo che essi siano due entità assolute, distinte e separate, come lo erano di fatto per Newton, spazio e tempo diventano con la teoria della relatività speciale un’unica entità: stiamo parlando dello spaziotempo quadridimensionale, nel quale esiste l’Universo e dove noi viviamo e ci muoviamo. Più tardi, Einstein estese questi concetti nella sua teoria della relatività generale includendo gli effetti della gravità, un lavoro durato circa dieci anni che venne pubblicato nel 1916: qui la gravità viene descritta come la curvatura, o la distorsione, della geometria dello spaziotempo in presenza di corpi dotati di grande massa, un’idea considerata folle per quell’epoca ma che più tardi fu dimostrata vera.

Oggi, però, occorre ancora rispondere ad alcune domande: che cos’è il tempo e qual è la sua origine al livello più fondamentale? Media INAF lo ha chiesto direttamente a Joan Vaccaro: “Il tempo è una dimensione analoga alle tre dimensioni spaziali. Così come esistono due direzioni in ciascuna dimensione dello spazio, allo stesso modo abbiamo due direzioni per il tempo. Ma la cosa strana è che la natura sembra trattare tutte le direzioni nello spazio senza alcuna preferenza mentre è alquanto diverso nel caso delle due direzioni del tempo, cioè passato e futuro. In altre parole, possiamo considerare a parte le due direzioni del tempo”.

Nel suo lavoro, che ha per titolo Quantum asymmetry between time and space, Vaccaro suggerisce che potrebbe esistere un’origine ancora più profonda dovuta ad una differenza tra le due direzioni del tempo: passato e futuro. “Se vogliamo sapere da dove si è originato il nostro Universo e dove sta andando, abbiamo bisogno di conoscere il tempo”, spiega Vaccaro. “Nel corso degli ultimi 50 anni, gli esperimenti di fisica delle particelle hanno mostrato che la natura non tratta allo stesso modo le due direzioni del tempo”.

“Lo scopo della mia ricerca”, continua l’autrice, “è quello di cercare alcuni particolari indizi che siano riconducibili ad uno strano fenomeno, chiamato violazione T, ossia la simmetria delle leggi fisiche sotto una trasformazione per inversione temporale, che si osserva nei processi di decadimento di alcune particelle subatomiche, cioè i mesoni K e B. Queste particelle si comportano in maniera leggermente diversa rispetto alla direzione del tempo. Se introduciamo questo sottile comportamento in un modello, ciò che vediamo è che dal momento in cui ha origine l’universo, fissato ad un certo istante, esso poi procede continuamente la sua evoluzione. In altre parole, è questo piccolissimo comportamento che fa evolvere l’universo in avanti nel corso del tempo. Comprendere perciò in che modo avviene l’evoluzione temporale ci permette di aprire una nuova finestra sulla natura fondamentale del tempo stesso. Forse, potremmo capire ancora meglio alcune idee bizzarre, come ad esempio i viaggi nel tempo”.

Secondo l’autrice, esisterebbe una asimmetria tra lo spazio e il tempo nel senso che i sistemi fisici inevitabilmente evolvono nel corso del tempo mentre non c’è alcuna corrispondente traslazione nello spazio. “Oltre al processo di violazione T, tutte le leggi della dinamica sono simmetriche rispetto all’inversione della direzione del tempo”, fa notare Vaccaro. Questa asimmetria, che è stata assunta per lungo tempo come elemento fondamentale, è rappresentata dalle equazioni del moto e dalle leggi di conservazione che operano in modo differente nel tempo e nello spazio. Tuttavia, Vaccaro ha utilizzato nel suo studio un particolare formalismo che tiene conto di tutte le possibili storie evolutive per dimostrare l’esistenza di una eventuale simmetria tra lo spazio e il tempo, un risultato che implicherebbe una revisione dell’attuale concetto di evoluzione del tempo.

“Se pensiamo alla connessione tra lo spazio e il tempo, è molto più facile comprendere lo spazio perché è semplicemente là. Ma il tempo ci forza per sempre a muoverci verso il futuro”, dice Vaccaro. “E ancora, mentre ci muoviamo davvero verso il futuro, c’è sempre qualche movimento all’indietro, come una sorta di oscillazione avanti e indietro, ed è proprio questo movimento che voglio misurare mediante lo studio dei mesoni K e B”. Secondo l’autrice, questo lavoro fornisce infine una soluzione all’origine della dinamica, un tema che ha lasciato perplessi gli scienziati per lungo tempo.”I miei risultati”, conclude Vaccaro, “suggeriscono che la violazione T è responsabile della dinamica e del fatto che la natura preferisca una direzione del tempo verso il futuro”.

Per saperne di più:

Articolo originale disponibile su Media INAF.

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21 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Enrico, pensando allo spazio-tempo di Einstein mi ero annotato:" Le dimensioni spazio sono gradi di libertà, cosa che non si può dire della dimensione tempo, che rimane indipendente dall'evento". Quest'articolo spero che porti sviluppi che diano qualche risposta.

  2. Si, tempo fa avevamo anche discusso qui sul forum proprio in merito all'argomento freccia del tempo. Si era detto che questo è legato all'entropia, anche se di fatto non spiega la natura più profonda di questa condizione. Si può reindirizzare la domanda chiedendosi: cosa dà questa direzionalità alla stessa entropia?

  3. Boltzmann aveva dato una risposta di tipo statistico all'Entropia, e, quindi, alla freccia del tempo. Però non dà tutte le risposte, speriamo ci sia di più! Per esempio, una conferma al fatto che l'antimateria potrebbe avere una freccia al contrario, come diceva Feynman.

  4. "Ci sarà un giorno in cui l'Universo smetterà di espandersi, e sarà allora che entrerà in gioco l'Antimateria
    e la freccia del Tempo si capovolgerà
    ...e tutto ciò che oggi è Materia sarà Antimateria
    le leggi della fisica si invertiranno
    e così torneremo agli albori
    e Tutto avrà nuovamente inizio"

    Stefano S.

  5. @Enrico Corsaro
    Colgo al balzo quanto dice Gaetano per farti una domanda a cui stavo pensando proprio in questi giorni.

    Tempo fa Red Hanuman (che ancora ringrazio!) mi ha fatto scoprire questa GENIALE interpretazione di Feynman dell antimateria secondo cui un positrone potrebbe essere pensato come un elettrone che viaggia a ritroso nel tempo.
    Volevo sapere cosa ne pensavate voi fisici di questa cosa.
    Solo un giochetto matematico... oppure c'è qualcosa di più profondo?

    Ovviamente so che la mia opinione conta meno di zero... ma sinceramente mi piace pensare che l interpretazione di Feynman sia corretta e che abbia un reale riscontro nella fisica!

    Tu cosa ne dici?

  6. Citazione Originariamente Scritto da kyughs Visualizza Messaggio
    "Ci sarà un giorno in cui l'Universo smetterà di espandersi, e sarà allora che entrerà in gioco l'Antimateria
    e la freccia del Tempo si capovolgerà
    ...e tutto ciò che oggi è Materia sarà Antimateria
    le leggi della fisica si invertiranno
    e così torneremo agli albori
    e Tutto avrà nuovamente inizio"

    Stefano S.
    Dove l hai presa questa citazione? La trovo carina! L hai pensata tu? Sinceramente sono leggermente d accordo... tranne sul fatto che da quello che vediamo oggi è l espansione accelerata a dominare il cosmo...

  7. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    Boltzmann aveva dato una risposta di tipo statistico all'Entropia, e, quindi, alla freccia del tempo. Però non dà tutte le risposte, speriamo ci sia di più! Per esempio, una conferma al fatto che l'antimateria potrebbe avere una freccia al contrario, come diceva Feynman.
    Bolzmann è un GENIO!!!! Secondo me più di Einstein!

    Ovviamente nessuno lo capiva e si è suicidato! Tipico dei geni ribelli!

  8. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Dove l hai presa questa citazione? La trovo carina! L hai pensata tu? Sinceramente sono leggermente d accordo... tranne sul fatto che da quello che vediamo oggi è l espansione accelerata a dominare il cosmo...
    Sono d'accordo con te sull'espansione accelerata.
    La citazione è mia

  9. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    @Enrico Corsaro
    Colgo al balzo quanto dice Gaetano per farti una domanda a cui stavo pensando proprio in questi giorni.

    Tempo fa Red Hanuman (che ancora ringrazio!) mi ha fatto scoprire questa GENIALE interpretazione di Feynman dell antimateria secondo cui un positrone potrebbe essere pensato come un elettrone che viaggia a ritroso nel tempo.
    Volevo sapere cosa ne pensavate voi fisici di questa cosa.
    Solo un giochetto matematico... oppure c'è qualcosa di più profondo?

    Ovviamente so che la mia opinione conta meno di zero... ma sinceramente mi piace pensare che l interpretazione di Feynman sia corretta e che abbia un reale riscontro nella fisica!

    Tu cosa ne dici?
    Purtroppo è una questione molto delicata e complessa. Di base la rappresentazione di Feynman è una rappresentazione di tipo matematico che consente di avere questo tipo di meccanismo perchè le particelle vengono espresse in termini delle loro interazioni schematiche in funzione del solo tempo proprio (che dunque può scorrere sia in avanti che indietro, senza un limite in particolare). Le particelle le puoi dunque anche visualizzare in modo invertito (sostituendo la particella con l'antiparticella, invertendo la direzione spaziale e quella temporale), e trovando che il tipo di schema ricavato è equivalente al primo caso.

    In pratica esiste in natura una simmetria discreta fondamentale, detta CPT, per cui ad oggi non è possibile trovare alcuna violazione. Questa simmetria ti dice che un ipotetico universo che sia costituito da antimateria, con direzioni spaziali speculari rispetto alle nostre, e con un tempo che scorre all'indietro, evolverebbe in modo identico al nostro, cioè sarebbe perfettamente equivalente (da cui la simmetria).

    Quello che succede nel caso specifico di una inversione temporale è da inquadrare nella conservazione della CPT. Ovvero, se invertendo temporalmente un dato fenomeno troviamo che la simmetria si rompe, simmetria T in questo caso (cioè che il fenomeno preso a scorrere indietro nel tempo è diverso dal fenomeno con il tempo che scorre in avanti), allora deve verificarsi in parallelo anche una asimmetria in carica e parità, simmetria CP, in modo che il prodotto delle 3 porti sempre alla conservazione della simmetria CPT.

    Il problema di fondo è che non abbiamo ad oggi un modo per testare un fenomeno fisico che va all'indietro nel tempo, semplicemente perchè per noi il tempo scorre solo in avanti. E' anche questo il motivo per cui non possiamo ad oggi testare realmente la CPT.

    Se un domani si dovesse trovare che la CPT è violata, allora cadrebbero anche le trasformazioni di Lorentz, secondo le quali il verso del moto di un sistema di riferimento in traslazione rispetto ad un altro non gioca alcun ruolo in termini analitici (il fattore di correzione relativistico è identico sia che la velocità è negativa, sia che è positiva).