IL TEMPO NELLA SCIENZA Marco Cambiaghi marco.cambiaghi@hsr.it Novembre 2006 IL TEMPO NELLA SCIENZA Marco Cambiaghi marco.cambiaghi@hsr.it Roberto Weitnauer roberto.weitnauer@tele2.it www.kalidoxa.com info@kalidoxa.com

IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

L’esistenza del tempo implica che la realtà sia coerente 1 - Le interpretazioni storiche L’esistenza del tempo implica che la realtà sia coerente 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 trascorra e ricorra

Il tempo ha una duplice natura 1 - Le interpretazioni storiche Il tempo ha una duplice natura

Tempo ciclico Tempo lineare Periodi astronomici e cosmici 1 - Le interpretazioni storiche Tempo ciclico Tempo lineare Pensiero 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

* Parmenide di Elea (515-450 a.C.) * 1 - Le interpretazioni storiche * Parmenide di Elea (515-450 a.C.) * Platone: “Venerando e terribile” “Tutto è Uno” (Scuola eleatica) Il non-Essere è inconcepibile

Riduzione all’assurdo 1 - Le interpretazioni storiche * Zenone di Elea (490-425 a.C.) * Riduzione all’assurdo Achille e la Tartaruga T = t1 + t2 + … + tn

FILOSOFIA IL TEMPO È UN FENOMENO IL TEMPO È ILLUSORIO 1 - Le interpretazioni storiche FILOSOFIA IL TEMPO È UN FENOMENO IL TEMPO È ILLUSORIO FILOSOFIA NATURALE DAL CAOS AL COSMO METAFISICA SCIENZA

* Eraclito di Efeso (535-475 a.C.) * 1 - Le interpretazioni storiche * Eraclito di Efeso (535-475 a.C.) * Mondo sensoriale Lógos Fuoco Tensione degli opposti “Tutto fluisce” Termodinamica

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

Filosofia naturale Universo pulsante Universo fluente 1 - Le interpretazioni storiche Filosofia naturale Universo pulsante Universo fluente

Morte della filosofia naturale 1 - Le interpretazioni storiche * Aristotele (384-322 a.C.) * Cielo perfetto e Terra corruttibile Priorità delle forze finali Universo strutturalmente statico Fenomeni temporali = Imperfezione locale Morte della filosofia naturale

* XVI-XVII secolo * Galileo Cartesio Newton Principio d’inerzia 1 - Le interpretazioni storiche * XVI-XVII secolo * Galileo Cartesio Newton Principio d’inerzia Scienza moderna Principio causalità Il tempo è una successione di cause ed effetti La causa è l’invariabile antecedente Il tempo ha una nuova direzione logica

* Dualismo (cartesiano) * 1 - Le interpretazioni storiche * Dualismo (cartesiano) * Tempo oggettivo Tempo soggettivo Tempo dei fenomeni Tempo delle convenzioni Calendario, orologio Tempo nella percezione Tempo individuale Tempo dei ricordi

Nella scienza il tempo è universale e oggettivo 1 - Le interpretazioni storiche Nella scienza il tempo è universale e oggettivo

IL TEMPO NELLA SCIENZA Le interpretazioni storiche I cicli astronomici L’irreversibilità della natura Cenni sulla relatività

Tito Lucrezio Caro (99-55 a.C.) in “De rerum natura”: 2 – I cicli astronomici * 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

* Demone della periodicità * 2 – I cicli astronomici * Demone della periodicità *

* Ritmi naturali * Giorno (deus, dies, diurnus - cielo, tempo luce) 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

Il tempo della vita è scandito dal Sole 2 – I cicli astronomici Il tempo della vita è scandito dal Sole

* Scelta di un sistema orario * 2 – I cicli astronomici * Scelta di un sistema orario * Tempo diurno della luce Il periodo di luce varia con la stagione Il percorso del Sole varia con la stagione Ciclo solare completo Il tempo di ritorno del Sole nella stessa posizione varia con la stagione Difficoltà di frazionamento e di cadenzamento

2 – I cicli astronomici * Equinozi e solstizi *

2 – I cicli astronomici * Velocità orbitale * Seconda legge di Keplero

* Riferimento uniforme * 2 – I cicli astronomici * Riferimento uniforme * Giorno solare Variabile durante l’anno Giorno sidereo Non è una cadenza solare Giorno solare medio Sole virtuale costante Coincide col Sole reale solo quattro volte all’anno Orario civile uniforme

Perturbazioni sul riferimento naturale assunto come periodico 2 – I cicli astronomici * Disuniformità * 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 Perturbazioni sul riferimento naturale assunto come periodico Perfettamente indeformabile Perfettamente isolato

* Alcune perturbazioni * 2 – I cicli astronomici * Alcune perturbazioni * Precessione degli equinozi (movimento a trottola) Sole e Luna nel piano Luna e pianeti fuori dal piano Nutazione (annuire) Precessione degli absidi (Hoola hop) Pianeti Eccentricità variabile (rigonfiamento) Pianeti Correnti oceaniche e atmosferiche Oscillazione chandleriana (vacilla) Dissipazione energetica (rallenta) Maree

“Entra polvere nell’orologio astronomico” 2 – I cicli astronomici Cicli complessi e numerosi Non vale la sovrapposizione degli effetti Alcuni fenomeni aperiodici (rallentamento) “Entra polvere nell’orologio astronomico”

Il ciclo astrale perfetto è solo un’astrazione 2 – I cicli astronomici Il ciclo astrale perfetto è solo un’astrazione

* Secondo standard * Saltuarie correzioni 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 oscillazioni dell’atomo cesio-133 L’orologio atomico si allontana lentamente da quello astronomico Saltuarie correzioni

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Evoluzione termodinamica 3 – L’irreversibilità della natura * Tempo lineare * Il passato non torna Evoluzione termodinamica Evoluzione biologica Evoluzione cosmica

Tito Lucrezio Caro (99-55 a.C.) in “De rerum natura”: 3 – L’irreversibilità della natura * Mutamento * 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 * Sistemi conservativi 3 – L’irreversibilità della natura * Meccanica classica * Sistemi conservativi Ogni cambiamento corrisponde a uno scambio di energia potenziale e cinetica I moti sono reversibili Il tempo è un parametro che descrive condizioni di equilibrio dinamico

Paradigma dei vasi comunicanti 3 – L’irreversibilità della natura * Termodinamica * Paradigma dei vasi comunicanti (energia come fluido) Lo squilibrio viene compensato

* Secondo principio * Lo squilibrio viene compensato 3 – L’irreversibilità della natura * Secondo principio * Lo squilibrio viene compensato I potenziali diminuiscono Il disordine cresce L’entropia dell’universo aumenta Il tempo scorre

Il tempo scorre, perché l’universo è squilibrato 3 – L’irreversibilità della natura Il tempo scorre, perché l’universo è squilibrato

Il tempo inizia con uno squilibrio 3 – L’irreversibilità della natura * Big Bang * Il tempo inizia con uno squilibrio

* Cosmo pulsante * Big bang Espansione Morte termica Contrazione 3 – L’irreversibilità della natura * Cosmo pulsante * Tempo effettivo avanti (verso il disordine) Big bang Espansione Morte termica Siamo qui Tempo ipotetico indietro (verso l’ordine) Contrazione Espansione

* Durante lo squilibrio * 3 – L’irreversibilità della natura * Durante lo squilibrio * Alta energia (prima) Può innescarsi una “struttura dissipativa” che facilita il flusso energetico L’entropia locale diminuisce L’entropia totale aumenta Bassa energia (dopo)

* Tra prima e dopo: Retroazione * 3 – L’irreversibilità della natura * Tra prima e dopo: Retroazione * Flusso di energia Prima Dopo Flusso delle interazioni Stimolo (input) Risposta (output) Sistema dissipativo Feedback

* Strutture dissipative * 3 – L’irreversibilità della natura * Strutture dissipative * Non sono eccezionali e sono un riflesso inequivocabile del tempo che scorre, generando un ordine locale che contribuisce al disordine globale Tornado/mulinelli Celle convettive Reazione di Belousov-Zhabotinsky Effetto Larsen Retroazione video Sistemi meccanici non-lineari Biosfera Importante

La dissipazione forma il tempo della vita 3 – L’irreversibilità della natura La dissipazione forma il tempo della vita

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

* Ilya Prigogine (1917-2003) * Tempo interno 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

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* Approccio all’elettromagnetismo * 4 – Cenni sulla relatività * Approccio all’elettromagnetismo * Londra, 1864: Equazioni di Maxwell Velocità di propagazione fissa Cleveland, 1887: Esperimento di Michelson e Morley L’etere non esiste

4 – Cenni sulla relatività * Costante di natura * 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

Nessuna interazione è istantanea 4 – Cenni sulla relatività Nessuna interazione è istantanea

* Simultaneità * Eventi rilevati come simultanei 4 – Cenni sulla relatività * Simultaneità * Sorgente A Sorgente B Osservatore 2 Osservatore 1 Eventi rilevati come simultanei Eventi rilevati come non simultanei Il concetto di simultaneità dipende da chi osserva, ossia è relativo

* Velocità (spazio/tempo) * 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

Le velocità non si sommano! 4 – Cenni sulla relatività * Composizione dei moti uniformi * VU (rispetto tram) VT (rispetto suolo) 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!

* Principio di relatività * 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.

Il tempo rallenta con il movimento 4 – Cenni sulla relatività Il tempo rallenta con il movimento

Il tempo è nella scienza: Fine presentazione Il tempo è nella scienza: Universale Oggettivo Lineare e ciclico Legato al Caos Relativo Grazie dell’attenzione