Il tempo nella scienza e nella tecnica

Novembre 2006
IL TEMPO NELLA SCIENZA
Marco Cambiaghi
[email protected]
Roberto Weitnauer
[email protected]
www.kalidoxa.com
[email protected]
IL TEMPO NELLA SCIENZA
1.
2.
3.
4.
Le interpretazioni storiche
I cicli astronomici
L’irreversibilità della natura
Cenni sulla relatività
IL TEMPO NELLA SCIENZA
1.
2.
3.
4.
Le interpretazioni storiche
I cicli astronomici
L’irreversibilità della natura
Cenni sulla relatività
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
1 - Le interpretazioni storiche
Il tempo ha una duplice natura
1 - Le interpretazioni storiche
Tempo ciclico
Tempo lineare
Pensiero classico pagano
Bibbia (Dio creò il Cielo e la Terra)
Mito greco
Cristianesimo (Apocalisse)
Orfismo – Metempsicosi - Pitagora
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”
“Tutto è Uno”
(Scuola eleatica)
Il non-Essere è
inconcepibile
1 - Le interpretazioni storiche
* Zenone di Elea (490-425 a.C.) *
Riduzione all’assurdo
Achille e la Tartaruga
T = t1 + t2 + … + tn
1 - Le interpretazioni storiche
FILOSOFIA
IL TEMPO È
ILLUSORIO
IL TEMPO È UN
FENOMENO
FILOSOFIA NATURALE
DAL CAOS AL COSMO
METAFISICA
SCIENZA
1 - Le interpretazioni storiche
* Eraclito di Efeso (535-475 a.C.) *
Mondo sensoriale
Fuoco
“Tutto fluisce”
Lógos
Tensione degli opposti
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
Filosofia naturale
Universo pulsante
Universo fluente
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
1 - Le interpretazioni storiche
* XVI-XVII secolo *
Galileo
Cartesio
Newton
Principio
d’inerzia
Scienza
moderna
• Il tempo è una successione di cause ed
effetti
• La causa è l’invariabile antecedente
• Il tempo ha una nuova direzione logica
Principio
causalità
1 - Le interpretazioni storiche
* Dualismo (cartesiano) *
Tempo oggettivo
Tempo soggettivo
Tempo dei fenomeni
Tempo nella percezione
Tempo delle convenzioni
Tempo individuale
Calendario, orologio
Tempo dei ricordi
1 - Le interpretazioni storiche
Nella scienza il tempo è
universale e oggettivo
IL TEMPO NELLA SCIENZA
1.
2.
3.
4.
Le interpretazioni storiche
I cicli astronomici
L’irreversibilità della natura
Cenni sulla relatività
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
2 – I cicli astronomici
* Demone della periodicità *
2 – I cicli astronomici
* Ritmi naturali *
• Giorno (deus, dies, diurnus - cielo, tempo luce)
Unità temporale: frazione del giorno
• Stagione (statio - stare / hora - ora)
• Anno (an, anulus - anello)
• Ritmi biologici (cronobiologia)
2 – I cicli astronomici
Il tempo della vita è scandito dal Sole
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
2 – I cicli astronomici
* Riferimento uniforme *
Giorno solare
Giorno sidereo
Giorno solare medio
Coincide col Sole reale
solo quattro volte all’anno
Variabile durante l’anno
Non è una cadenza solare
Sole virtuale costante
Orario civile uniforme
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
Perfettamente indeformabile
Perfettamente isolato
Perturbazioni sul
riferimento naturale
assunto come periodico
2 – I cicli astronomici
* Alcune perturbazioni *
Sole e Luna nel piano
Luna e pianeti fuori dal
piano
Precessione degli equinozi
(movimento a trottola)
Nutazione
(annuire)
Pianeti
Precessione degli absidi
(Hoola hop)
Pianeti
Eccentricità variabile
(rigonfiamento)
Correnti oceaniche e
atmosferiche
Maree
Oscillazione chandleriana
(vacilla)
Dissipazione energetica
(rallenta)
2 – I cicli astronomici
• Cicli complessi e numerosi
• Non vale la sovrapposizione degli effetti
• Alcuni fenomeni aperiodici (rallentamento)
“Entra polvere nell’orologio astronomico”
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 oscillazioni
dell’atomo cesio-133
L’orologio atomico si allontana lentamente da quello astronomico
Saltuarie correzioni
IL TEMPO NELLA SCIENZA
1.
2.
3.
4.
Le interpretazioni storiche
I cicli astronomici
L’irreversibilità della natura
Cenni sulla relatività
3 – L’irreversibilità della natura
* Tempo lineare *
Il passato non torna
Evoluzione termodinamica
Evoluzione biologica
Evoluzione cosmica
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
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
3 – L’irreversibilità della natura
* Termodinamica *
Paradigma dei vasi comunicanti
(energia come fluido)
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
3 – L’irreversibilità della natura
Il tempo scorre, perché
l’universo è squilibrato
3 – L’irreversibilità della natura
* Big Bang *
Il tempo inizia con uno squilibrio
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
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)
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
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
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.
2.
3.
4.
Le interpretazioni storiche
I cicli astronomici
L’irreversibilità della natura
Cenni sulla relatività
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
4 – Cenni sulla relatività
Nessuna interazione è istantanea
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
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 *
VU
VT
(rispetto tram)
(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!
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:
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•
•
Universale
Oggettivo
Lineare e ciclico
Legato al Caos
Relativo
Grazie dell’attenzione