I concetti di spazio e tempo

I concetti di spazio e tempo sono molto importanti in astronomia; sarà pertanto opportuno soffermarvisi. Se chiediamo a qualcuno, anche sprovvisto di qualsiasi cultura, di spiegare questi concetti, dirà: lo spazio, e quindi le distanze spaziali, si misura col metro o qualsiasi altra unità lineare; il tempo, invece, con l'orologio. La risposta è semplice, ma nel suo contenuto essa si riferisce ad una scena fissa, per cui diventa logico pensare che spazio e tempo siano immutabili. Ma vediamo un po' da vicino il problema, che viene affrontato da Einstein nella teoria generale della relatività. Lo spazio sembra la cosa più semplice da definire, poiché è attorno a noi e lo si può guardare. Tuttavia alcuni popoli, di differente formazione culturale, vivono in mondi dove lo spazio appare diverso, tanto che Harrison (1989) disse che «vivono in diversi mondi mentali e quindi in diversi mondi spaziali». Come postulato dalla teoria della relatività, un corpo in movimento si contrae tanto più quanto maggiore è la sua velocità; se viene raggiunta la velocità della luce, che è la massima possibile, esso riduce a nulla la sua lunghezza. Perciò le misure di distanze spaziali non sono soltanto relative alla posizione del corpo in movimento rispetto al sistema di riferimento, ma sono anche relative alla velocità del sistema. Nella trasformazione classica si giunge al risultato per somme e differenze di distanze; per passare invece alle misure relative bisogna tener conto che ciò avviene tra un sistema e un altro. E evidente che quanto si dice riguarda sistemi ad alta velocità, come il caso dell'universo. Definire il tempo è molto più difficile, in quanto esso non si vede ed è dentro di noi. Comunemente si parla di passato, presente e futuro. Il tempo può essere scandito da un orologio, ma in effetti gli intervalli che si misurano non sono altro che intervalli di spazio. Altre culture possono avere un concetto diverso e molte comunità del passato hanno codificato la Ruota del Tempo, cioè il continuo ritorno di eventi, un ritorno ciclico che fu alla base della dottrina stoica. Già S. Agostino nelle sue Confessioni alla domanda «che cosa è il tempo?» rispondeva: «Se nessuno mi interroga in proposito, so che cosa è. Se però desidero spiegare che COsa il tempo sia e mi si pone la domanda mi accorgo di non saperlo». Ogni evento, come il battito d'occhi o l'accendersi di una luce, può essere osservato nello stesso identico luogo in tempi successivi, mentre non è possibile osservarlo contemporaneamente in due luoghi diversi. Eddington (1927) parla di «una freccia del tempo» la cui direzione può essere data dall'entropia, cioè dalla capacità di cambiamento. In un diagramma spazio-tempo una successione di eventi, come nascita, vita e morte di un individuo, può essere tracciata con una linea, detta «linea d'universo» o «linea di mondo» che indica la posizione dell'evento nel corso del tempo. Tutto ciò che colpisce i nostri occhi, dall'oggetto più semplice alle stelle, ha una linea d'universo. Se prendiamo due oggetti fermi nello stesso luogo, essi producono linee parallele, mentre quelli che sono in moto relativo avranno linee più o meno inclinate. Secondo la teoria della relatività un orologio rallenta il suo ritmo con la velocità. A quella della luce esso si ferma. Ne deriva che, come per lo spazio, il tempo non è assoluto ma relativo. La relatività dà molta importanza quindi alla luce, la cui velocità è indipendente dalle distanze e dal mezzo e la pone in stretta relazione con l'energia che appare in funzione della frequenza, cioè del numero di onde di luce che si hanno nell'unità di tempo, nella fattispecie ilsecondo. Più grande è la frequenza e più grande è l'energia. La luce che sfugge dal campo gravitazionale terrestre perde energia e diminuisce quindi di frequenza. La conseguenza è piuttosto forte nel concetto tempo, poiché se un osservatore si trovasse in posizione elevata sulla Terra vedrebbe i fenomeni avvenire sulla superficie con tempi molto lunghi. Con la teoria della relatività spazio e tempo sono fusi in un mondo che viene indicato come «cronotopo» da Minkowski, che vede tra due

eventi la linea di universo ad andamento retto come la più breve. Perché il tempo scorre dal passato al futuro? In realtà il diagramma spazio-tempo può anche essere considerato al contrario. La «freccia del tempo» di Eddington, nel mondo dell'assolutamente piccolo, non permette di conoscere la sua direzione. Un esempio convincente è quello del quadro che, se posto molto vicino agli occhi, mostra soltanto alcuni particolari e rende impossibile capire se è capovolto oppure dritto. La «freccia del tempo» si comporta nello stesso modo: a scala più grande è identificabile chiaramente. I nostri sensi, quindi, si possono ingannare e la teoria della relatività di Einstein ci ha insegnato che tutti i concetti, per quanto naturali possano apparire, sono costruzioni mentali adattate alla descrizione di un certo insieme di fenomeni e che, come tali, sono soggettivi. Pascal affermò che l'universo' «è una sfera infinita il cui centro è in ogni luogo, la circonferenza in nessun posto».