di Lisa Zyga , Phys.org
(Phys.org) — I filosofi hanno discusso la natura del tempo molto prima di Einstein e della fisica moderna. Ma nei 106 anni trascorsi da Einstein, l’opinione prevalente in fisica è stata che il tempo serva come quarta dimensione dello spazio, un’arena rappresentata matematicamente come spaziotempo 4D Minkowski. Tuttavia, alcuni scienziati, tra cui Amrit Sorli e Davide Fiscaletti, fondatori dello Space Life Institute in Slovenia, sostengono che il tempo esiste completamente indipendente dallo spazio. In un nuovo studio, Sorli e Fiscaletti hanno dimostrato che due fenomeni della relatività speciale – la dilatazione del tempo e la contrazione della lunghezza – possono essere meglio descritti nel quadro di uno spazio 3D con il tempo come quantità usata per misurare il cambiamento (cioè il movimento dei fotoni) in questo spazio.
Gli scienziati hanno pubblicato il loro articolo in un recente numero di Physics Essays. Il lavoro si basa sui loro articoli precedenti, in cui hanno studiato la definizione del tempo come ordine numerico del cambiamento materiale.
I principali concetti della relatività speciale – che la velocità della luce è la stessa in tutti i quadri di riferimento inerziali e che non esiste un quadro di riferimento assoluto – sono tradizionalmente formulati nel quadro dello spaziotempo di Minkowski. In questo quadro, le tre dimensioni spaziali sono visualizzate intuitivamente, mentre la dimensione temporale è rappresentata matematicamente da una coordinata immaginaria, e non può essere visualizzata in modo concreto.
Nel loro articolo, Sorli e Fiscaletti sostengono che, mentre i concetti della relatività speciale sono validi, l’introduzione del tempo di Minkowski 4D ha creato un malinteso secolare del tempo come quarta dimensione dello spazio che manca di qualsiasi supporto sperimentale. Essi sostengono che i ben noti esperimenti di dilatazione del tempo, come quelli che dimostrano che gli orologi girano più lentamente negli aerei ad alta velocità che a riposo, supportano la relatività speciale e la dilatazione del tempo, ma non necessariamente lo spaziotempo di Minkowski o la contrazione della lunghezza. Secondo la visione convenzionale, gli orologi girano più lentamente ad alta velocità a causa della natura dello stesso spaziotempo di Minkowski, come risultato sia della dilatazione del tempo che della contrazione delle lunghezze. Ma Sorli e Fiscaletti sostengono che gli orologi lenti possono essere meglio descritti dalla velocità relativa tra i due quadri di riferimento, che gli orologi misurano, non di cui gli orologi fanno parte. In questa visione, lo spazio e il tempo sono due entità separate.
Con gli orologi misuriamo l’ordine numerico del movimento nello spazio 3D, ha detto Sorli a Phys.org. Il tempo è “separato” dallo spazio, nel senso che il tempo non è una quarta dimensione dello spazio. Invece, il tempo come ordine numerico del cambiamento esiste in uno spazio 3D. Il nostro modello di spazio e tempo si basa sulla misurazione e corrisponde meglio alla realtà fisica.
Per illustrare la differenza tra le due visioni del tempo, Sorli e Fiscaletti considerano un esperimento con due orologi luminosi. Il ticchettio di ogni orologio consiste in un fotone riflesso avanti e indietro tra due specchi, in modo che il percorso di un fotone da uno specchio all’altro rappresenti un ticchettio dell’orologio. Gli orologi sono disposti perpendicolarmente l’uno all’altro su una piattaforma, con l’orologio A orientato orizzontalmente e l’orologio B verticalmente. Quando la piattaforma viene spostata orizzontalmente ad alta velocità, allora secondo il fenomeno della contrazione della lunghezza nello spaziotempo 4D, l’orologio A dovrebbe ridursi in modo che il suo fotone abbia un percorso più breve da percorrere, facendolo ticchettare più velocemente dell’orologio B.
Ma Sorli e Fiscaletti sostengono che la contrazione della lunghezza dell’orologio A e la conseguente differenza nei ticchettii degli orologi A e B non sono in accordo con la relatività speciale, che postula che la velocità della luce sia costante in tutti i quadri di riferimento inerziali. Essi affermano che, mantenendo la velocità dei fotoni la stessa per entrambi gli orologi, entrambi gli orologi dovrebbero ticchettare alla stessa velocità senza contrazione di lunghezza per l’orologio A. Essi dimostrano matematicamente come risolvere il problema in questo modo, sostituendo il tempo spaziale 4D di Minkowski con uno spazio 3D che coinvolge trasformazioni galileiane per tre coordinate spaziali X, Y e Z, e un’equazione matematica (formalismo di Selleri) per la trasformazione della velocità di cambiamento materiale, che è completamente indipendente dalle coordinate spaziali.
Sorli ha spiegato che questa idea che entrambi gli orologi fotonici ticchettino alla stessa velocità non è in contrasto con gli esperimenti con orologi volanti e altri test che hanno misurato la dilatazione del tempo. Questa differenza, dice, è dovuta a una differenza tra gli orologi a fotoni e gli orologi a atomo.
Il tasso degli orologi a fotoni in sistemi inerziali più veloci non rallenterà rispetto agli orologi a fotoni in un sistema inerziale a riposo perché la velocità della luce è costante in tutti i sistemi inerziali, ha detto. La velocità degli orologi atomici rallenterà perché la ‘relatività’ dei fenomeni fisici inizia alla scala dei mesoni pi.
Ha anche spiegato che, senza contrazione della lunghezza, la dilatazione del tempo esiste ma in un modo diverso da quello che si pensa di solito.
La dilatazione del tempo esiste non nel senso che il tempo come quarta dimensione dello spazio si dilata e di conseguenza la velocità dell’orologio è più lenta, ha spiegato. La dilatazione del tempo significa semplicemente che, in un sistema inerziale più veloce, la velocità del cambiamento rallenta e questo è valido per tutti gli osservatori. Il GPS conferma che gli orologi nelle stazioni in orbita hanno tassi diversi dagli orologi sulla superficie del pianeta, e questa differenza è valida per gli osservatori che si trovano sulla stazione in orbita e sulla superficie del pianeta. Così interpretata, la ‘dilatazione del tempo’ non richiede la ‘contrazione della lunghezza’, che come mostriamo nel nostro articolo porta a una contraddizione da parte degli orologi luminosi posizionati diversamente in un sistema inerziale in movimento.
Ha aggiunto che la definizione alternativa del tempo concorda anche con la nozione di tempo tenuta dal matematico e filosofo Kurt Gödel.
La definizione di tempo come ordine numerico del cambiamento nello spazio sta sostituendo il concetto di 106 anni del tempo come una dimensione fisica in cui il cambiamento corre, ha detto Sorli. Noi consideriamo il tempo come una quantità matematica di cambiamento che misuriamo con gli orologi. Questo è in accordo con la visione di Gödel del tempo. Nel 1949, Gödel aveva prodotto una prova notevole: ‘In qualsiasi universo descritto dalla teoria della relatività, il tempo non può esistere’. La nostra ricerca conferma la visione di Gödel: il tempo non è una dimensione fisica dello spazio attraverso la quale si potrebbe viaggiare nel passato o nel futuro.
In futuro, Sorli e Fiscaletti progettano di indagare come questa visione del tempo si adatta all’ambiente più ampio. Notano che altri ricercatori hanno studiato l’abolizione dell’idea di spazio-tempo in favore di entità separate di spazio e tempo, ma spesso suggeriscono che questa prospettiva è meglio formulata nel quadro di un etere, un mezzo fisico che permea tutto lo spazio. Al contrario, Sorli e Fiscaletti pensano che l’idea possa essere meglio modellata nel quadro di un vuoto quantistico 3D. Piuttosto che vedere lo spazio come un mezzo che trasporta la luce, la propagazione della luce è governata dalle proprietà elettromagnetiche (la permeabilità e la permittività) del vuoto quantico.
Stiamo sviluppando un modello matematico in cui la gravità è il risultato della diminuzione della densità di energia di un vuoto quantico 3D causata dalla presenza di un dato oggetto stellare o corpo materiale, ha detto Sorli. La massa inerziale e la massa gravitazionale hanno la stessa origine: la diminuzione della densità di energia di un vuoto quantico. Questo modello fornisce calcoli esatti per la precessione del perielio di Mercurio come i calcoli della teoria generale della relatività.