mercoledì 7 ottobre 2015

197. Tempo: 9.192.631.770

                                                                                  Noodles, cos'hai fatto in tutti questi anni?
                                                                                   Sono andato a letto presto.
                                                                                                       C’era una volta in America
 

Si racconta che in una delle loro passeggiate quotidiane verso il 112 di Mercer Street a Princeton, Albert Einstein abbia rivolto al matematico Kurt Gödel la seguente domanda: dove va il tempo che passa?
 




Einstein lo conosciamo tutti, ma forse Kurt Gödel (1906–1978) matematico, logico e filosofo austriaco, è sicuramente conosciuto negli ambienti scientifici ed esiste molta divulgazione sul suo conto, ma probabilmente non tutti hanno sentito parlare dei suoi fondamentali lavori.

 
Gödel ha pubblicato il suo più famoso risultato nel 1931, all'età di venticinque anni, quando lavorava presso l'Università di Vienna. Tale lavoro conteneva i famosi due Teoremi di incompletezza che da lui prendono il nome, secondo i quali:
 
ogni sistema assiomatico consistente in grado di descrivere l'aritmetica dei numeri interi è dotato di proposizioni che non possono essere dimostrate né confutate sulla base degli assiomi di partenza.
 
Vediamo se riesco a spiegarlo in parole più semplici.
 
All’inizio del secolo scorso l’insigne matematico tedesco David Hilbert era turbato dalla seguente questione: è possibile dimostrare rigorosamente che il sistema definito nei Principia Mathematica da Alfred North Whitehead e Bertrand Russell è coerente (non contraddittorio) e completo (tale cioè che ogni enunciato vero dell’aritmetica potesse essere derivato all’interno della struttura predisposta nei Principia Mathematica)?
Ebbene, l’articolo di Gödel demolì completamente il programma di Hilbert.
Quell’articolo non solo rivelò la presenza di “buchi” nel sistema assiomatico della matematica, ma mise in evidenza l’impossibilità che esistesse un qualunque sistema assiomatico in grado di produrre tutte le verità aritmetiche, a meno che il sistema in questione non fosse incoerente. Inoltre Gödel dimostrò che la coerenza di un sistema è tale proprio perché non può essere dimostrata.
 
Sono molti i lavori che meriterebbero di essere citati come quello sull'ipotesi del continuo, dove dimostrava che essa non può essere confutata dagli assiomi della teoria degli insiemi accettata, assumendo che tali assiomi siano consistenti, o una soluzione esatta delle equazioni di campo di Einstein che prevede l'esistenza di curve chiuse di tipo tempo, che permetterebbero una forma di viaggio nel tempo.
 

Per parlare di tempo (o spazio-tempo) credo sia utile riportare alcune considerazioni di Richard Feynman:

<< Consideriamo in primo luogo ciò che intendiamo per tempo. Che cos’è il tempo? Sarebbe bello se riuscissimo a trovare una buona definizione di tempo. Il dizionario Webster definisce "un intervallo di tempo" come "un periodo", e “un periodo” come "un intervallo di tempo", che non sembra essere molto utile.
Forse dovremmo dire: "Il tempo è ciò che accade quando non succede nient'altro."
Il che, inoltre, non ci porta molto lontano. Forse è un bene se ci troviamo di fronte al fatto che il tempo è una delle cose che probabilmente non si può definire (nel senso del dizionario), e basta dire che si tratta di ciò che già sappiamo è: quanto tempo aspettiamo!
Quello che conta in ogni caso non è il modo in cui definiamo il tempo, ma il modo in cui lo misuriamo. Un modo per misurare il tempo è di utilizzare qualcosa che avviene ripetutamente in modo regolare, qualcosa che sia periodico. Ad esempio, un giorno.
Un giorno sembra accadere più e più volte. Ma quando si inizia a pensare a questo proposito, ci si potrebbe anche chiedere: "I giorni sono periodici e sono regolari? Sono tutti della stessa lunghezza?" Si ha certamente l'impressione che i giorni in estate siano più lunghi di quelli in inverno. Naturalmente, alcuni dei giorni d'inverno sembrano terribilmente lunghi se uno è molto annoiato. Avrete certamente sentito qualcuno dire: "Oh, questa è stata una giornata incredibilmente lunga!"
Sembra tuttavia che i giorni siano circa della stessa durata media.
C'è un modo per verificare se i giorni sono della stessa durata, sia da un giorno all'altro, o almeno in media? Un modo è quello di fare un confronto con un altro fenomeno periodico.
Vediamo come tale confronto può essere fatto con una clessidra.
Con una clessidra, siamo in grado di "creare" un evento periodico se abbiamo qualcuno sveglio giorno e notte per capovolgerla ogni volta che l'ultimo granello di sabbia si esaurisce.

Quindi potremmo contare quante volte sia stata capovolta la clessidra da una mattina all'altra. Avremmo così trovato, che il numero di "ore" (cioè, di volte che dobbiamo capovolgere la clessidra) non era lo stesso ogni "giorno". Dobbiamo diffidare del Sole, della clessidra o di entrambi. Dopo qualche ragionamento, potremmo decidere di contare le "ore" da mezzogiorno a mezzogiorno. (Mezzogiorno è qui definito non come le 12:00, ma come l'istante in cui il Sole è al suo punto più alto). Questa volta, il numero di "ore" ogni giorno sarebbe lo stesso.

Ora siamo confidenti che sia la "ora" che il "giorno" hanno una periodicità regolare, vale a dire, segnano uguali intervalli di tempo successivi, anche se non abbiamo dimostrato che uno dei due è "realmente" periodico. Qualcuno potrebbe chiedersi se ci sia un essere onnipotente che rallenta il flusso di sabbia ogni sera, per poi accelerarlo durante il giorno. Il nostro esperimento, naturalmente, non dà una risposta a questo tipo di domanda. Tutto quello che possiamo dire è che troviamo che un certo tipo di regolarità combacia con una regolarità di un altro genere. Possiamo solo dire che noi basiamo la nostra definizione di tempo sulla ripetizione di un evento apparentemente periodica. >>
                                                          da La Fisica di Feynman, vol. I-1, cap. 5-2, 1994, p. 5-2


Con la frase: “Il tempo è ciò che accade quando non accade nient'altro”, Feynman fa quasi sicuramente riferimento alla Teoria della Relatività.



 

Agostino d’Ippona in merito al Tempo commentava: “Se non ci penso so cos'è, se qualcuno me lo chiede non lo so più”.

Va bene. Non sappiamo bene cosa sia il Tempo, ma, e questo è sorprendente, sappiamo come misurarlo in modo eccezionalmente preciso.
Hans Reichenbach affronta così le tematiche riguardanti l’argomento.
Tempo e Spazio possono essere considerati come schemi di ordinamento, ma il primo è più semplice perché ha una sola dimensione.
Inoltre il Tempo, considerato da solo, non presenta problemi analoghi alla geometria non-euclidea. In una dimensione è impossibile distinguere tra rettilineo e curvo.
Una linea curva può avere una curvatura esterna, ma mai una interna, in quanto può sempre venire “raddrizzata” senza una deformazione dei suoi elementi più piccoli.
Abbiamo due tipi fondamentali di misura del tempo: il primo consiste nel contare processi periodici, mentre il secondo nel misurare distanze spaziali.

Gli strumenti per la misura del tempo sono dotati di due meccanismi:

-       il primo che effettua un moto periodico;
-       l’altro che conta il numero dei periodi eseguiti dal primo.

L’orologio più importante per la misura del tempo è costituito dalla Terra (o se si vuole dal Sole, dalla Luna e dalle stelle). Come tutti gli orologi, richiede qualche correzione. Il disturbo principale deriva dagli effetti gravitazionali di Luna e Sole; questi agiscono come “freni”, con il risultato finale di una situazione come quella della Luna, per la quale il periodo di rotazione è uguale a quello della rivoluzione orbitale (in altre parole, dalla Terra, vediamo sempre la stessa faccia della Luna).

Che cosa costituisca una rotazione completa della Terra, è definibile solo in relazione a qualche punto di riferimento; di qui la differenza fra giorno stellare e giorno solare. Quest’ultimo è 4 minuti più lungo.
Se la Terra fosse sola nell’Universo, sarebbe inutile come orologio.

Oltre alla clessidra, altri orologi sono, ad esempio, il pendolo, l’orologio a bilanciere, quello al quarzo ed infine quello atomico.
Clessidra e pendolo necessitano dell’attrazione gravitazionale (o di qualcosa di simile, come un sistema in rotazione). Inoltre un orologio a pendolo varia il periodo delle sue oscillazioni al variare della latitudine.

Per gli altri orologi riportati sopra la gravitazione non ha alcun effetto e funzionano anche nello spazio interstellare. Le forze elastiche, e quindi gli orologi a bilanciere, presentano leggere fluttuazioni, ossia il sistema non è rigorosamente periodico. Questo li rende meno precisi degli orologi a pendolo.

Gli orologi atomici a maser utilizzano una cavità risonante contenente un gas ionizzato. Solitamente è usato il Cesio perché questo è alla base della definizione del secondo come 9.192.631.770 cicli della radiazione corrispondente alla transizione tra due specifici livelli energetici dello stato fondamentale dell'atomo di questo elemento.
Per contare il numero di periodi si possono usare lancette che al compimento di ogni giro indicano il passare dei minuti, delle ore o delle mezze giornate.

Questo scenario si complica ulteriormente se passiamo alla Teoria della Relatività, non solo per tutti gli effetti dovuti a sistemi di riferimento in moto reciproco, o al rallentamento degli orologi in presenza di campi gravitazionali, ma più semplicemente per il fatto che (come visto in un precedente post 143. Curvatura e Gravitazione) la punta della lancetta dei minuti di un orologio da polso, in 4 dimensioni, non descrive una semplice circonferenza, ma una spirale molto allungata; il passo di questa spirale è 300.000 x 60 x 60 = 1.080.000.000 km.
Per cui quello che sembra una ciclica monotona sequenza della rotazione delle lancette, è invece qualcosa di molto più “complesso” (in tutti i sensi).
Alla domanda su dove vada il tempo che passa, credo comunque che nessuno sia ancora in grado di fornire una risposta.

       Deborah:    Hai aspettato molto?
       Noodles:     Tutta la vita.
            C’era una volta in America


Note ed approfondimenti

C’era una volta in America (1984), regia di Sergio Leone, è il terzo capitolo della cosiddetta trilogia del tempo, preceduto da C'era una volta il West (1968) e Giù la testa (1971). A mio parere è un film che prima o poi si deve vedere, magari più volte, perché ogni volta si scopre qualche cosa di nuovo.
Tratta delle vicissitudini del criminale David "Noodles" Aaronson e dei suoi amici nell'ambiente della malavita organizzata di New York. Le tre fasi della vita del protagonista, adolescenza nel 1920, età adulta negli anni ‘30 e vecchiaia nel 1968, si alternano per una decina di volte. Oltre Noodles (interpretato da Robert De Niro) i personaggi citati sono: "Fat" Moe Gelly che Noodles ritrova dopo 35 anni e alla domanda di Moe: “cos'hai fatto in tutti questi anni”? Noodles risponde: “Sono andato a letto presto”, citando il famosissimo incipit di Alla Ricerca del Tempo Perduto di Marcel Proust: “Per molto tempo sono andato a letto presto”.
L’altra citazione riguarda una conversazione tra Noodles e Deborah (sorella di Moe), che per tutto il film hanno una mai finalizzata reciproca attrazione.
 

Ultimamente sono stati dedicati diversi libri a Kurt Gödel, uno che consiglio è:



 

I Principia Mathematica sono un'opera sui fondamenti logici della matematica scritta a quattro mani da Alfred North Whitehead e Bertrand Russell. Rappresentano un importante tentativo di sistematizzazione delle basi della matematica partendo da un insieme definito di assiomi e di regole logiche.
 

Hans Reichenbach è stato un filosofo della scienza tedesco, che ha dato importanti contributi all’interpretazione filosofica della teoria della relatività, della meccanica quantistica e della termodinamica. Nel post vengono riportate alcune considerazioni prese da:

 

 

Altri due libri consultati, che non necessitano di ulteriori spiegazioni, sono:

Richard Feynman, La fisica di Feynman, Zanichelli

Douglas Hofstadter, Gödel, Escher, Bach: un'eterna ghirlanda brillante, Adelphi

 

Riporto infine un chiarimento tratto da Wikipedia sulla Curvatura intrinseca ed estrinseca.

Si distinguono due tipi essenziali di curvatura:

  • curvatura estrinseca: è la curvatura posseduta dall'oggetto in relazione ad uno spazio piatto di dimensione superiore in cui è immerso e determinabile solo confrontando elementi dell'oggetto in relazione ad elementi dello spazio contenitore;
  • curvatura intrinseca: è la curvatura determinabile utilizzando solo operazioni eseguite su elementi dell'oggetto medesimo.
Un esempio di curvatura estrinseca è quella di una superficie cilindrica nello spazio tridimensionale: le linee tracciate sul cilindro sono curve se confrontate con le rette dello spazio in cui il cilindro è immerso. La geometria intrinseca del cilindro è invece piatta, in quanto su di essa valgono tutti gli assiomi del piano euclideo.

Una sfera ha invece una curvatura intrinseca, determinabile rimanendo all'interno della superficie stessa: sulla Terra, un percorso che parte dal polo nord scendendo lungo un meridiano, ruota ad angolo retto lungo un parallelo e nuovamente ad angolo retto lungo un altro meridiano, ritorna al punto di partenza. Un percorso analogo eseguito su un piano non ripassa mai per lo stesso punto.



http://zibalsc.blogspot.fr/2011/01/17-lipotesi-del-continuo.html
http://zibalsc.blogspot.it/2014/03/143-curvatura-e-gravitazione.html
http://zibalsc.blogspot.it/2014/11/166-la-formula-piu-bella.html
http://zibalsc.blogspot.it/2015/07/191-la-curvatura-degli-ombrelloni.html
 

 

2 commenti:

  1. Molto interessante. E poi il riferimento a Noodles è una vera chicca per un leoniano come me :-)

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    1. Grazie (anche perché il complimento arriva da un esperto del settore).

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