Percorsi Strani

Immagine in luce infrarossa ed esposizione filtrata composita della galassia M104, presa dal telescopio spaziale Spitzer in giugno 2004. La galassia M104 (”galassia del Sombrero”) è situata nell’ammasso della Vergine a una distanza di circa 30 milioni di anni luce. Il suo gigantesco anello di polveri si estende su più di 50 000 anni luce. Si considera che un buco nero supermassiccio di un miliardo di masse solari si trova al suo centro.

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1. © NASA/JPL-Caltech/R. Kennicutt (University of Arizona), and the SINGS Team [↩]

Vi sono due modi di interpretare i paradossi di Zenone di Elea (c. 470 a.C.).¹

Il primo è che Zenone non nega il movimento, ma piuttosto ne contesta la continuità, che è ciò che produce un paradosso. In tal senso, si può considerare che si tratti di una forma di difficoltà tecnica, e che il problema può essere facilmente risolto con il calcolo infinitesimale o come somma convergente di una serie geometrica. Questa interpretazione è tuttavia reduttrice, in quanto postula arbitrariamente l’esistenza del movimento e si concentra sul solo argomento tecnico della coerenza della continuità, che è appunto un problema matematico e non fisico o filosofico. Bisogna notare qui che non si può veramente provare che Zenone abbia voluto contraddire che la somma di una serie infinita possa essere finita, la menzione “tempo finito” che appare nella trascrizione dei paradossi² potrebbe essere un’interpretazione di Aristotele.

La seconda interpretazione è che Zenone nega fondamentalmente il movimento, nel senso ultramoderno di Parmenide, per il quale ogni cambiamento è illusorio ed il mondo è statico ed eterno. Non nega l’apparenza del movimento, ma la sua realtà. I paradossi si manifestano dunque più profondamente, nel confronto fra il fenomeno del movimento e la sua scomparsa implicata dall’analisi approfondita del suo modello : che esso sia continuo (dicotomia) o discontinuo (freccia). La domanda posta diventa allora una domanda puramente fisica, la cui risposta si deve iscrivere in una teoria fisica : perché l’esperienza del movimento se il movimento appare logicamente impossibile?

Nel modello continuo classico, la freccia deve assumere un’infinità di stati per percorrere la distanza fra due punti. Se una tale separazione infinita fra ogni coppia di avvenimenti, modellizzata dall’assenza di successore di un numero reale, equivale o no al loro isolamento fisico, è una domanda fisica, su uno stesso piano di ragionamento che le idee sulla ‘catastrofe ultravioletta’ che portarono alla meccanica quantistica.³ Se la divisibilità infinita è matematicamente coerente, essa non è necessariamente fisicamente significativa (cfr anche il paradosso di Banach-Tarski).⁴ Questa immagine cambia con la meccanica quantistica in quanto, secondo il principio di Heisenberg, una particella con un movimento determinato non ha una posizione determinata. Si può anche notare con interesse che Zenone presta il suo nome a un effetto quantistico descritto dal teorema di Misra-Sudarshan :⁵ se si osserva continuamente se una “freccia quantistica” ha lasciato la regione di spazio che occupa, allora essa non lascerà effettivamente mai questa regione per effetto dell’osservazione stessa.

In un modello discreto (paradosso della freccia), l’argomento di Zenone è ancora più forte, e si ritrova riformulato in gravitazione quantistica a loop, dove il tempo è considerato una variabile di pura gauge, ciò che implica la sua inesistenza fondamentale.⁶

1. • DICOTOMIA: Il movimento è impossibile, in quanto prima di arrivare alla fine, ciò che si muove deve prima di tutto arrivare a metà, e cosi vià all’infinito.
   • ACHILLE : La tartaruga più lenta non può essere raggiunta dal più rapido Achille, in quanto lui deve prima di tutto raggiungere il punto dove era la tartaruga, ma nel frattempo essa avrà già lasciato questo punto, e così via all’infinito.
   • LA FRECCIA : Una freccia lanciata con un arco occupa quando è ferma uno spazio uguale a esso, e quando è in movimento occupa sempre un tale spazio a ogni istante, la freccia in volo è dunque immobile. [↩]
2. Aristotele, “Fisica”, VI:9 [↩]
3. A. Einstein, “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” (”On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light“), Annalen Der Physik, 1905. [↩]
4. S. Banach, A. Tarski, “Sur la décomposition des ensembles de points en parties respectivement congruentes”, Fundamenta Mathematicae, 6, 244-277 (1924) [↩]
5. B. Misra, E. C. G. Sudarshan, “The Zeno’s paradox in quantum theory“, Journal of Mathematical Physics, 18, 4, 756-763 (1977) [↩]
6. J. Barbour, “The end of time“, Oxford University Press (2001) [↩]

Carta tridimensionale della distribuzione a larga scala della materia oscura nell’universo osservabile, realizzato con i dati del telescopio spaziale Hubble (NASA, 7 Gennaio 2007). La carta, determinata secondo l’analisi delle distorsioni gravitazionali della luce proveniente dalle galassie lontane, rivela una rete di filamenti le cui intersezioni corrispondono alle posizioni della materia “normale” negli ammassi di galassie. La concentrazione di materia oscura in blocchi appare più pronunciata andando da destra (regioni lontane nello spazio e nel tempo) a sinistra (regioni più vicine e recenti).

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La materia oscura è una forma teorica di materia, attualmente osservata per i suoi soli effetti gravitazionali, e che rappresenta secondo il modello cosmologico standard più del 20% della densità di energia dell’universo. Fu postulata inizialmente per spiegare certi movimenti delle galassie ed altri dati cosmologici, e confermata da osservazioni di lente gravitazionale nell’ammasso di galassie Bullet in agosto 2006.

1. © NASA, ESA, R. Massey (Caltech) [↩]

Immagine del Sole presa attraverso la Terra, in “luce di neutrini”, all’osservatorio Super-Kamiokande (Giappone). L’immagine è stata ottenuta con una esposizione di 503 giorni, reegistrando i neutrini provenienti dal cuore del Sole e rivelati all’interno di una vasca di 45 milioni di litri di acqua situata a 1 km sottosuolo. Di notte, i neutrini hanno attraversato in trasparenza la terra intera prima di essere registrati in questa immagine.

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Il neutrino è una particella elementare di materia avente una massa quasi nulla, che interagisce solo secondo la forza nucleare debole e la gravità, ciò che permette il suo movimento senza difficoltà a quasi la velocità della luce attraverso i corpi solidi ordinari. Durante una rara interazione fra un neutrino ed un elettrone nell’acqua del rivelatore, quest’ultimo è accelerato a una velocità superiore alla velocità della luce nell’acqua, ciò che produce un impulso luminoso -detto radiazione di Cherenkov- analogo ad un boom supersonico. Gli impulsi sono registrati da migliaia di amplificatori di luce disposti ovunque sulla superficie della vasca.

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1. © R. Svoboda, K. Gordan [↩]
2. © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo [↩]

La maggior parte delle teorie prevedono che a un certo punto nel futuro, la materia, le strutture e/o l’universo avranno una fine. I protoni potrebbero disintegrerarsi fra circa 10⁵⁰ anni secondo le teorie di Grande Unificazione.¹ L’universo intero dovrebbe tendere a una temperatura uniforme dello zero assoluto in 10¹⁰⁰ anni, persino i buchi neri essendosi evaporati.² E il tempo stesso potrebbe avere una fine, in una singolarità implosiva di tipo “big-crunch”³ od un’espansione divergente che taglierebbe l’universo in pezzi sempre più piccoli fino a ciascuna particella.⁴ Se una forma di vita intelligente esistesse ancora in un tale futuro (certamente non basata sulla biologia attuale), come potrebbe adattarsi a questi limiti fondamentali?

I sistemi viventi potrebbero ottimizzare la loro ridondanza ed il loro consumo energetico, tuttavia, tali ottimizzazioni essendo finite, non risolverebbero il problema a meno che il tempo fosse infinito.⁵⁶

Negli scenari di singolarità di fine del tempo, la vita potrebbe tentare di rallentare il tempo fisico pensando più velocemente. Per esempio, la stessa quantità di pensiero e di esperienza di miliardi di anni di vita umana potrebbero accadere in un secondo. L’inconveniente è che l’energia necessaria aumenterebbe, ed il tempo fisico soggettivamente non farebbe che rallentare, ma non si arresterebbe. Per fare entrare l’eternità in un intervallo finito di tempo, delle durate infinitesimali dovrebbero esistere, ma il tempo sembra essere discreto alla scala di Planck, ed anche se non fosse, una quantità infinita di energia dovrebbe essere pompata nel processo “di eternità”, che dunque non potrebbe aver luogo “prima” della singolarità. Alcuni sostengono che potrebbe aver luogo “durante” la singolarità.⁷

Dunque, come si può uscire dal sistema? Logicamente ciò dovrebbe essere impossibile. Tuttavia, il sistema potrebbe risultare più profondo e ricco di ciò che ne percepiamo oggi.

Il mio sogno preferito è quello di un “tempo secondario”, perfettamente immobile in ogni istante di tempo, nel quale la vita potrebbe tradursi.

C’è inoltre l’idea di un universo ciclico,⁸ in cui le stesse combinazioni finite di esperienza si riprodurrebbero ancora e ancora, ciò che è simile, in quanto se l’universo intero fosse ciclico, tempo incluso, allora i cicli non avrebbero luogo nel tempo, ma in un’altra variabile, così che non vi sarebbe senso nello stabilire una differenza nel tempo fra un universo ciclico o non ciclico. Lo stesso si applica se vivessimo in un multiverso come quello modellizzato dalla teoria dell’inflazione caotica, dove le singolarità sono locali ed il multiverso è composto da un’infinità non numerabile di domini inflazionari.⁹

Così questo problema fondamentale sembra essere una domanda introduttiva circa la natura ed il significato del tempo.

1. H. Georgi, S. L. Glashow, “Unity of All Elementary-Particle Forces“, Phys. Rev. Lett. 32, 438-441 (1974) [↩]
2. S. W. Hawking, “Particle creation by black holes“, Comm. Math. Phys., 43, 3, 199-220 (1975) [↩]
3. Anche se i dati sperimentali indicano che l’universo è attualmente in espansione accelerata, l’energia oscura potrebbe essere un campo scalare in oscillazione, conducendo ad un collasso futuro [↩]
4. R. R. Caldwell, M. Kamionkowski, N. N. Weinberg, “Phantom Energy and Cosmic Doomsday“, Phys. Rev. Lett. 91 (2003). [↩]
5. F. J. Dyson, “Time without end: Physics and biology in an open universe“, Rev. Mod. Phys. 51, 447 - 460 (1979) [↩]
6. K. Freese, W. H. Kinney, “The Ultimate Fate of Life in an Accelerating Universe“, Phys. Lett. B 558, 1-8 (2003) [↩]
7. F. Tipler, “The Physics of Immortality“, Anchor, 1997 [↩]
8. P. J. Steinhardt, N. Turok, “A Cyclic Model of the Universe“, Science, 296, 5572, 1436 - 1439 (2002) [↩]
9. A. Linde, “Eternally Existing Self-Reproducing Chaotic Inflationary Universe“, Phys. Lett. B175, 395 (1986) [↩]

Le due galassie a spirale “Antenne” hanno cominciato a scontrarsi alcune centinaia di milioni di anni fa (un tempo corto in confronto alla durata di vita delle galassie). Durante lo scontro, le stelle passano accanto alle altre ma a causa della gravità, delle enormi forze di marea espellono dei flussi di stelle sui lati, causando la struttura a due code del sistema. Le nubi di gas all’interno di ogni galassia vengono compresse, dando luce a migliaia di nuovi ammassi stellari. I due nuclei infine si fonderanno in una galassia unica. Un evento simile accadrà alla nostra galassia, la Via Lattea, quando si scontrerà con Andromeda fra alcuni miliardi di anni.

1. © NASA, Hubble Space Telescope, 2006 [↩]

Vista dal cratere marziano Victoria presa dal robot Opportunity (2006)¹. La sabbia è ricca in ossidi di ferro rossastri, che inoltre sono sospesi come polvere nell’atmosfera di CO₂, conducendo alla dispersione di una luce rosa-rossa. Le nubi di ghiaccio si muovono a ~10 metri al secondo e dovrebbero condurre a delle cadute di neve in alcune zone.

1. Colore esagerato [↩]
2. © NASA [↩]

Scoperta della particella W al collisionatore protone-antiprotone del CERN (1982)¹. La collisione protone-antiprotone crea una particella W che si disintegra ed un elettrone ad alta energia, emesso ad un angolo importante rispetto al fascio (indicato dalla freccia in basso a destra) ed un neutrino invisibile, la cui presenza è dedotta dall’energia mancante dell’elettrone.

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1. C. Rubbia. Experimental observation of the intermediate vector bosons W⁺, W^- and Z⁰. Nobel lecture, 8 dicembre 1984 [↩]
2. © CERN [↩]

Osservazione della radiazione cosmica di fondo dal satellite COBE (1990-1993).¹ La radiazione cosmica di fondo è una luce nello spettro delle microonde (sotto l’infrarosso), presente in tutto il cielo, che fu emessa circa 14 miliardi di anni fa quando l’universo divenne trasparente poco dopo il big-bang. Le irregolarità mostrano la formazione delle strutture nell’universo embrionario.

1. Premio Nobel 2006 a John C Mather, George F Smoot [↩]
2. © NASA [↩]

Neurone della regione ippocampale del cervello. Il nucleo, l’assone e i dendriti sono visualizzati utilizzando il gene GFP, che esprime una proteina fluorescente nella celula.

1. © Paul De Koninck, Université Laval, Canada [↩]