IL TEMPO NELLA SCIENZA

Marco Cambiaghi

marco.cambiaghi@hsr.it

Roberto Weitnauer

roberto.weitnauer@tele2.it

www.kalidoxa.com

info@kalidoxa.com

Novembre 2006

IL TEMPO NELLA SCIENZA

1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività

IL TEMPO NELLA SCIENZA

1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività

1 - Le interpretazioni storiche

Concepire il tempo significa postulare una successione di eventi

La rilevazione degli eventi richiede una ripetizione di altri eventi

L’esistenza del tempo implica che la realtà sia coerente

L’esistenza del tempo implica che la realtà trascorra e ricorra

Il tempo ha una duplice natura

1 - Le interpretazioni storiche

Tempo ciclico Tempo linearePensiero classico pagano

Mito greco

Orfismo – Metempsicosi - Pitagora

Bibbia (Dio creò il Cielo e la Terra)

Cristianesimo (Apocalisse)

Civiltà occidentale moderna

Periodi astronomici e cosmici

Irreversibilità in fisica e biologia

1 - Le interpretazioni storiche

* Parmenide di Elea (515-450 a.C.) *

Platone:“Venerando e

terribile”

Il non-Essere è

inconcepibile

“Tutto è Uno”

(Scuola eleatica)

1 - Le interpretazioni storiche

Riduzione all’assurdo

Achille e la Tartaruga

* Zenone di Elea (490-425 a.C.) *

T = t1 + t2 + … + tn

1 - Le interpretazioni storiche

FILOSOFIA

IL TEMPO È ILLUSORIO

IL TEMPO È UN FENOMENO

FILOSOFIA NATURALE

METAFISICA

SCIENZA

1 - Le interpretazioni storiche

DAL CAOS AL COSMO

* Eraclito di Efeso (535-475 a.C.) *

“Tutto fluisce”

Lógos

Tensione degli oppostiFuoco

Mondo sensoriale

Termodinamica

1 - Le interpretazioni storiche

* Empedocle di Agrigento (490-430 a.C.) *

Mondo diveniente

Eleatismo/Religione

Amore e Odio

Agenti fisici (uniscono e separano)

Universo pulsante

1 - Le interpretazioni storiche

Universo pulsante

1 - Le interpretazioni storiche

Universo fluente

Filosofia naturale

* Aristotele (384-322 a.C.) *

Cielo perfetto e Terra corruttibilePriorità delle forze finali

Universo strutturalmente statico

Morte della filosofia naturale

Fenomeni temporali = Imperfezione locale

1 - Le interpretazioni storiche

GalileoCartesi

oNewton

Scienza modern

a

* XVI-XVII secolo *

Principio

d’inerzia

•Il tempo è una successione di cause ed effetti

•La causa è l’invariabile antecedente

•Il tempo ha una nuova direzione logica

1 - Le interpretazioni storiche

Principio

causalità

Tempo oggettivo Tempo soggettivo

Tempo dei fenomeni

Tempo delle convenzioni

Calendario, orologio

Tempo nella percezione

Tempo individuale

Tempo dei ricordi

* Dualismo (cartesiano) *

1 - Le interpretazioni storiche

Nella scienza il tempo è universale e oggettivo

1 - Le interpretazioni storiche

IL TEMPO NELLA SCIENZA

1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività

* Movimento e tempo *

Tito Lucrezio Caro (99-55 a.C.) in “De rerum natura”:

“Nemmeno il tempo sussiste come entità: son le cose stesse che creano il senso di ciò che è scorso negli anni, di ciò che dura nel presente, di ciò che poi seguirà: nessuno può avvertire il tempo di per sé, avulso dal moto e dalla placida quiete delle cose.”

2 – I cicli astronomici

* Riferimento *

La misura del tempo deve essere “scandita”, ovvero occorre un moto ripetitivo

Ciclo

2 – I cicli astronomici

* Demone della periodicità *

2 – I cicli astronomici

* Ritmi naturali *

•Giorno (deus, dies, diurnus - cielo, tempo luce)

•Stagione (statio - stare / hora - ora)

•Anno (an, anulus - anello)

•Ritmi biologici (cronobiologia)

Unità temporale: frazione del giorno

2 – I cicli astronomici

Il tempo della vita è scandito dal Sole

2 – I cicli astronomici

* Scelta di un sistema orario *

Tempo diurnodella luce

Ciclo solare completo

2 – I cicli astronomici

•Il periodo di luce varia con la stagione

•Il percorso del Sole varia con la stagione

•Il tempo di ritorno del Sole nella stessa posizione varia con la stagione

Difficoltà di frazionamento e di cadenzamento

* Equinozi e solstizi *

2 – I cicli astronomici

* Velocità orbitale *

2 – I cicli astronomici

Seconda legge di Keplero

* Riferimento uniforme *

Giorno solare medio

Giorno sidereo

Giorno solare Variabile durante l’anno

Non è una cadenza solare

Sole virtuale costante

Orario civile uniformeCoincide col Sole reale solo quattro volte

all’anno

2 – I cicli astronomici

Il giorno sidereo è un riferimento per la taratura del giorno solare medio che non risente delle variabilità Sole-Terra.

Ma la rotazione del globo su sé stesso sarebbe rigorosamente uniforme solo se lo stesso fosse:

Perfettamente sferico

Perfettamente omogeneo

Perfettamente indeformabile

Perfettamente isolato

Perturbazioni sul riferimento naturale

assunto come periodico

2 – I cicli astronomici

* Disuniformità *

* Alcune perturbazioni *

2 – I cicli astronomici

Precessione degli equinozi(movimento a trottola)Sole e Luna nel piano

Luna e pianeti fuori dal piano

Nutazione(annuire)

Correnti oceaniche e atmosferiche

Oscillazione chandleriana(vacilla)

PianetiPrecessione degli absidi

(Hoola hop)

Eccentricità variabile(rigonfiamento)

MareeDissipazione energetica

(rallenta)

Pianeti

“Entra polvere nell’orologio astronomico”

•Cicli complessi e numerosi•Non vale la sovrapposizione degli

effetti•Alcuni fenomeni aperiodici

(rallentamento)

2 – I cicli astronomici

Il ciclo astrale perfetto è solo un’astrazione

2 – I cicli astronomici

* Secondo standard *

•1820: 86’400-esima parte del giorno solare medio

•1960: T.E.: 31'556'925,9747-esima parte dell’anno tropico

del giorno 1 gennaio1900 h 12:00

•1967: Controllo: 9'192'631'770 oscillazionidell’atomo cesio-133

L’orologio atomico si allontana lentamente da quello astronomico

Saltuarie correzioni

2 – I cicli astronomici

IL TEMPO NELLA SCIENZA

1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività

* Tempo lineare *

Evoluzione termodinamica

Evoluzione biologica

Evoluzione cosmica

3 – L’irreversibilità della natura

Il passato non torna

* Mutamento *

3 – L’irreversibilità della natura

Tito Lucrezio Caro (99-55 a.C.) in “De rerum natura”:

Nessuno può avvertire il tempo di per sé, avulso dal moto e dalla placida quiete delle cose.

Ogni cambiamento corrisponde a un trasferimento di energia: il tempo si manifesta solo se l’energia si sposta

* Meccanica classica *

3 – L’irreversibilità della natura

Ogni cambiamento corrisponde a uno scambio di energia potenziale e

cinetica

Sistemi conservativi

I moti sono reversibili

Il tempo è un parametro che descrive condizioni di equilibrio

dinamico

* Termodinamica *

3 – L’irreversibilità della natura

Lo squilibrio viene compensato

Paradigma dei vasi comunicanti(energia come fluido)

* Secondo principio *

3 – L’irreversibilità della natura

Lo squilibrio viene compensato

I potenziali diminuiscono

L’entropia dell’universo aumenta

Il tempo scorre

Il disordine cresce

3 – L’irreversibilità della natura

Il tempo scorre, perché l’universo è

squilibrato

3 – L’irreversibilità della natura

Il tempo inizia con uno squilibrio

* Big Bang *

3 – L’irreversibilità della natura

Big bang Morte termica

Espansione

* Cosmo pulsante *

EspansioneContrazione

Tempo effettivo avanti (verso il disordine)

Tempo ipotetico indietro (verso l’ordine)

Siamo qui

3 – L’irreversibilità della natura

* Durante lo squilibrio *

L’entropia locale diminuisce

L’entropia totale aumenta

Alta energia (prima)

Può innescarsi una “struttura dissipativa”

che facilita il flusso energetico

Bassa energia (dopo)

3 – L’irreversibilità della natura

* Tra prima e dopo: Retroazione *

Stimolo(input)

Risposta(output)

Feedback

Flusso delle interazioni

Sistema dissipativ

o

PrimaFlusso di energia

Dopo

3 – L’irreversibilità della natura

* Strutture dissipative *

Tornado/mulinelli

Celle convettive

Reazione di Belousov-Zhabotinsky

Effetto Larsen

Retroazione video

Sistemi meccanici non-lineari

Biosfera

•Non sono eccezionali e sono un riflesso inequivocabile del tempo che scorre, generando un ordine locale che contribuisce al disordine globale

Importante

3 – L’irreversibilità della natura

La dissipazione forma il tempo della vita

3 – L’irreversibilità della natura

* Complessità *

• I sistemi regolari (ad es. periodici) possono interpretarsi come casi particolari di una condizione generale caotica del Cosmo.

• Così, il tempo delle scansioni uniformi può intendersi come il lato più semplice di un tempo complesso.

Lo “spazio delle fasi” è un “mostro geometrico”

3 – L’irreversibilità della natura

* Ilya Prigogine (1917-2003) *

Nei sistemi in equilibrio, tipici della fisica classica, il tempo è un parametro che (…) costituisce un riferimento rispetto al quale le altre grandezze variano. Nei sistemi lontani dall'equilibrio (…) le fluttuazioni del sistema si possono interpretare come i ticchettii di un orologio, e permettono di determinare un'altra nozione di tempo.

Tempo interno

IL TEMPO NELLA SCIENZA

1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività

4 – Cenni sulla relatività

* Approccio all’elettromagnetismo *

Londra, 1864:Equazioni di MaxwellVelocità di propagazione fissa

Cleveland, 1887:Esperimento di Michelson e MorleyL’etere non esiste

• La propagazione nel vuoto delle onde elettromagnetiche è l’effetto più veloce che si conosca

• La velocità in questione è un invariante assoluto, cioè non dipende dall’osservatore

• Nessuna velocità può eccedere c = 299’792,458 km/s

• La velocità c caratterizza/condiziona la realtà fisica

* Costante di natura *

4 – Cenni sulla relatività

4 – Cenni sulla relatività

Nessuna interazione è istantanea

4 – Cenni sulla relatività

Sorgente A Sorgente B

Osservatore 1

Osservatore 2

Eventi rilevati come non simultanei

Eventi rilevati come simultanei

Il concetto di simultaneità dipende da chi osserva, ossia è

relativo

* Simultaneità *

4 – Cenni sulla relatività

* Velocità (spazio/tempo) *

• La velocità è una grandezza relativa• c = 299’792 km/s è un invariante di Madre Natura

• Sussiste un vincolo su come si compongono le velocità

• Spazio e tempo dipendono dall’osservatore

4 – Cenni sulla relatività

* Composizione dei moti uniformi *

VT(rispetto suolo)

VU(rispetto

tram)

Velocità VP dell’uomo che corre rispetto un osservatore sotto la pensilina:

Caso classico (velocità ordinarie): VP = VT + VU

(circa)Caso relativistico (velocità enormi): VP < VT + VU

Le velocità non si sommano!

4 – Cenni sulla relatività

* Principio di relatività *

• La velocità dell’uomo che corre nel tram è inferiore se contemplata dalla pensilina.

• Il tempo a bordo del tram risulta dunque rallentato, qualora misurato dalla pensilina.

• Per gli stessi motivi, dal tram sono invece gli eventi esterni ad apparire rallentati.

• Ma le leggi di natura devono essere uguali per tutti gli osservatori inerziali.

• Lo spazio deve di conseguenza adeguarsi e si contrae nella direzione del moto.

4 – Cenni sulla relatività

Il tempo rallenta con il movimento

Fine presentazione

Il tempo è nella scienza:

• Universale• Oggettivo• Lineare e ciclico• Legato al Caos• Relativo

Grazie dell’attenzione