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IL TEMPO NELLA SCIENZA
Marco Cambiaghi
Roberto Weitnauer
www.kalidoxa.com
Novembre 2006
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IL TEMPO NELLA SCIENZA
1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività
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IL TEMPO NELLA SCIENZA
1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività
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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
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Il tempo ha una duplice natura
1 - Le interpretazioni storiche
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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
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* 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
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Riduzione all’assurdo
Achille e la Tartaruga
* Zenone di Elea (490-425 a.C.) *
T = t1 + t2 + … + tn
1 - Le interpretazioni storiche
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FILOSOFIA
IL TEMPO È ILLUSORIO
IL TEMPO È UN FENOMENO
FILOSOFIA NATURALE
METAFISICA
SCIENZA
1 - Le interpretazioni storiche
DAL CAOS AL COSMO
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* Eraclito di Efeso (535-475 a.C.) *
“Tutto fluisce”
Lógos
Tensione degli oppostiFuoco
Mondo sensoriale
Termodinamica
1 - Le interpretazioni storiche
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* 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
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Universo pulsante
1 - Le interpretazioni storiche
Universo fluente
Filosofia naturale
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* 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
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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
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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
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Nella scienza il tempo è universale e oggettivo
1 - Le interpretazioni storiche
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IL TEMPO NELLA SCIENZA
1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività
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* 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
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* Riferimento *
La misura del tempo deve essere “scandita”, ovvero occorre un moto ripetitivo
Ciclo
2 – I cicli astronomici
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* Demone della periodicità *
2 – I cicli astronomici
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* 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
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Il tempo della vita è scandito dal Sole
2 – I cicli astronomici
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* 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
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* Equinozi e solstizi *
2 – I cicli astronomici
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* Velocità orbitale *
2 – I cicli astronomici
Seconda legge di Keplero
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* 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
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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 *
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* 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
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“Entra polvere nell’orologio astronomico”
•Cicli complessi e numerosi•Non vale la sovrapposizione degli
effetti•Alcuni fenomeni aperiodici
(rallentamento)
2 – I cicli astronomici
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Il ciclo astrale perfetto è solo un’astrazione
2 – I cicli astronomici
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* 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
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IL TEMPO NELLA SCIENZA
1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività
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* Tempo lineare *
Evoluzione termodinamica
Evoluzione biologica
Evoluzione cosmica
3 – L’irreversibilità della natura
Il passato non torna
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* 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
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* 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
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* Termodinamica *
3 – L’irreversibilità della natura
Lo squilibrio viene compensato
Paradigma dei vasi comunicanti(energia come fluido)
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* 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
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3 – L’irreversibilità della natura
Il tempo scorre, perché l’universo è
squilibrato
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3 – L’irreversibilità della natura
Il tempo inizia con uno squilibrio
* Big Bang *
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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
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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)
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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
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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
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3 – L’irreversibilità della natura
La dissipazione forma il tempo della vita
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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”
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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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IL TEMPO NELLA SCIENZA
1. Le interpretazioni storiche2. I cicli astronomici3. L’irreversibilità della natura4. Cenni sulla relatività
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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
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• 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
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4 – Cenni sulla relatività
Nessuna interazione è istantanea
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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 *
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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
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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!
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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.
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4 – Cenni sulla relatività
Il tempo rallenta con il movimento
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Fine presentazione
Il tempo è nella scienza:
• Universale• Oggettivo• Lineare e ciclico• Legato al Caos• Relativo
Grazie dell’attenzione