Caroline Purser/Getty Images

Cos’è la freccia del tempo, e perché ha lasciato perplessi i fisici per quasi un secolo? Abbiamo accesso ai libri di storia e a tutti gli altri tipi di documenti su ciò che è venuto prima di noi, ma nessuna informazione simile dall’altra parte.

Ora, questo può sembrare semplicistico, ma c’è un enigma qui. Le leggi della fisica sono simmetriche, il che significa che funzionano indipendentemente dal modo in cui ci si muove nel tempo. Per esempio, immagina di aver guardato un filmato di un uovo che cade da un tavolo e si frantuma sul pavimento. Se guardate lo stesso filmato al riavvolgimento con tutte le crepe e i pezzi dell’uovo rotto che si riorganizzano ordinatamente, e questa energia di riformazione che costringe l’uovo a saltare di nuovo sul tavolo, anche questo obbedisce alle leggi della fisica.

Quindi ora abbiamo una domanda. Perché ovunque guardiamo, vediamo sempre il primo scenario e mai il secondo?

Abbiamo qualche spiegazione plausibile?

Ci sono molte spiegazioni diverse, e la maggior parte di esse ruota intorno all’idea che la freccia del tempo sia fondamentalmente generata da un aumento dell’entropia. L’entropia, molto approssimativamente, è una misura di quanto un sistema sia confuso e disordinato. E l’entropia non è simmetrica. Questa è chiamata la seconda legge della termodinamica: Sappiamo che nel lungo periodo qualsiasi sistema abbastanza grande aumenterà sempre in entropia, si sposterà da uno stato ordinato ad uno meno ordinato.

Immaginate di versare una saliera piena per metà di sale e poi di riempirla di pepe. All’inizio sembrerebbe ordinata a strati; ma ogni volta che la muovete o la scuotete, il sale e il pepe diventano sempre più mescolati e disordinati. Questa è entropia. E poiché è un processo a senso unico, molti fisici hanno ipotizzato che in qualche modo detta la direzione in cui punta la freccia del tempo.

Ma queste spiegazioni hanno due seri problemi. Il primo è che l’entropia ha un limite superiore: la nostra saliera e pepiera può essere solo così randomizzata, finché scuoterla non la rende più disordinata. In secondo luogo, per vedere un aumento dell’entropia (e quindi generare questa freccia del tempo) avremmo bisogno di una speciale configurazione di partenza in cui il sale e il pepe fossero organizzati per cominciare. Se guardiamo il nostro universo, questo grida per una spiegazione: uno stato iniziale altamente organizzato è una configurazione casuale molto, molto improbabile.

Hai creato un modello che mostra che puoi effettivamente aggirare questi problemi guardando una proprietà chiamata complessità. Puoi spiegarlo?

Abbiamo creato un modello che è un’approssimazione dell’universo su larga scala, dove la gravità è la forza dominante e l’universo è pieno di particelle. Tenete presente che è un’approssimazione semplificata. Per esempio, non includiamo nessuna delle altre forze, o qualcosa come le onde gravitazionali o la materia oscura.

Ora, la ragione per cui non abbiamo bisogno di particolari condizioni di partenza per generare una freccia del tempo è complicata, ma è radicata nel fatto che la gravità, a differenza di tutte le altre forze, è universalmente attraente. (Mentre le forze forti e deboli e l’elettromagnetismo possono spingere o tirare diversi tipi di particelle, la gravità tira soltanto). Questo è importante. Perché mentre la combinazione di attrazione e repulsione creerà inevitabilmente una sorta di equilibrio caotico, l’attrazione costante della gravità farà crescere continuamente una sorta di struttura, dalla quale possiamo ricavare una freccia del tempo.

Ciò che significa dal punto di vista del nostro modello è che, data una qualsiasi dispersione iniziale casuale di particelle, quando la gravità inizia a tirare, l’universo si frammenta in ammassi che diventano sempre più densi; il nostro modello si è coagulato in questi piccoli sottosistemi. Se ti aiuta, puoi pensare a loro come ad ammassi globulari di stelle. Gli ammassi di tubi perché hanno sviluppato una loro rotazione definita, energia e quantità di moto, hanno raccolto informazioni sul resto del modello. Codificano dati su come appariva la struttura passata del modello attraverso le loro varie proprietà, in qualche modo analogamente a un libro di storia. In altre parole, indicavano una strada nel tempo.

Torniamo un attimo indietro. Se stiamo guardando solo la gravità, allora perché il tuo modello non è collassato su se stesso?

Questo è un punto interessante. Sappiamo che quando si guarda l’universo nel suo complesso, è in espansione. Abbiamo implementato questa espansione nel nostro modello dicendo che il rapporto tra la più grande e la più piccola distanza tra le particelle è in costante aumento.

Questo è stato fondamentale, perché in questo sistema in espansione in cui la gravità sta dominando, si vede immediatamente accadere qualcosa di molto interessante. La complessità dell’universo (e noi usiamo la complessità’ come una precisa quantità fisica per descrivere quanto sia raggruppato il nostro modello) cresce senza fine. Abbiamo scoperto che è possibile creare un modello in cui la complessità del sistema aumenta senza limiti, indipendentemente dalla posizione di partenza che si inserisce.

Ma che dire di tutti gli altri fenomeni fisici che non sono legati alla gravità? Perché li vediamo sempre muoversi in un modo nel tempo?

In realtà stiamo lavorando su questo in questo momento, e cercherò di semplificare le nostre prime conclusioni. Un grande esempio è che se si guarda un atomo che decade, si trova sempre che decade in un atomo più leggero, mai in uno più pesante. Questo segue una freccia del tempo, e apparentemente non ha nulla a che fare con la gravità, giusto? Non esattamente. Devi renderti conto che, per quell’atomo, qualcosa ha dovuto metterlo in uno stato di partenza speciale in cui era in grado di decadere.

Non abbiamo ancora descritto un tale atomo. Ma abbiamo un modello in cui il primo universo, quando la gravità era la forza dominante, genera stati di partenza molto atipici. E mentre l’universo si espandeva, e la gravità cessava di essere la forza dominante per piccoli sottosistemi come l’atomo, quei pali di partenza costringevano in qualche modo tutte le altre frecce del tempo a marciare al passo.

Quindi mi stai dicendo che è possibile che il primo universo avesse più frecce del tempo, che si muovevano in direzioni diverse?

Sì, è possibile. In realtà chiamiamo questo processo hylogenesist l’idea che ad un certo punto nell’universo primordiale le diverse frecce del tempo fossero tutte disordinate. Ma poiché la gravità era la forza dominante, alla fine le ha spinte tutte a puntare nella stessa direzione. Prima di quel punto, non c’era spazio-tempo nel senso in cui lo sperimentiamo attualmente.

.