Fisica del tempo, Cervello e Neuroscienza
di Paolo Di Sia
Cercare di definire cos’è il tempo, il tempo “fisico”, il tempo “percepito”, che sembra scorrere di momento in momento, è stato da sempre un enigma per l’uomo, in particolare per fisici e neuroscienziati. La scienza con le sue inter-relazioni cerca da sempre di capire e di inquadrare questa dimensione elastica e sfuggente.
1. Introduzione
Il cervello umano è un sistema complesso che non solo “racconta” il tempo, ma lo “crea”; costruisce il nostro senso di flusso cronologico e consente “viaggi mentali nel tempo”, simulazioni di eventi futuri e passati. Queste funzioni sono essenziali non solo per la nostra vita quotidiana, ma lo sono state e lo sono anche per l’evoluzione della razza umana; senza la capacità di anticipare il futuro, ad esempio, l’umanità non avrebbe mai realizzato strumenti o inventato attività umane come l’agricoltura. Il cervello sembra essere stato progettato per governare il nostro mondo in continuo cambiamento, prevedendo cosa accadrà e quando accadrà.
Recentemente sono state intraprese esplorazioni innovative su come funziona il tempo all’interno del cervello, attingendo dalla biologia evolutiva alla fisica teorica, dalla filosofia alla linguistica. Si cerca di comprendere il perché usiamo metafore spaziali, come ad esempio “una lunga giornata”, quando parliamo di tempo, perché il “presentismo” (la teoria che prevede che solo il presente sia reale) viene accolto nel campo delle neuroscienze, ma non altrettanto in fisica, come non solo la coscienza e il libero arbitrio, ma anche lo spazio-tempo e la relatività einsteiniana possono essere analizzate con le neuroscienze, che si collegano alle controversie tra filosofi del calibro di René Cartesio, Thomas Hobbes e John Locke.
Contemporaneamente si affrontano questioni profonde che hanno occupato a lungo scienziati e filosofi: che cos’è il tempo? Il nostro senso del passaggio del tempo è un’illusione? Il libero arbitrio esiste, o il futuro è predeterminato? Si è arrivati ad una realizzazione sorprendente: il nostro cervello è, al suo interno, una macchina del tempo, in cui la funzione fondamentale dei circuiti neuronali, è quella di generare processi le cui azioni “definiscono” il tempo.
2. La fisica e i viaggi nel tempo
In fisica si utilizza la matematica per definire formalmente il tempo, lo si indica come quantità che troviamo nelle equazioni, la variabile t. Questa variabile è una delle quattro dimensioni della varietà spazio-temporale, termine coniato dal matematico Hermann Minkowski dopo che la teoria della relatività di Albert Einstein ha mostrato che il tempo e lo spazio sono “intercambiabili”. Eppure possiamo muoverci liberamente indietro e avanti nello spazio ma non nel tempo. Perché?
La teoria della relatività generale di Einstein del 1915, ammette l’esistenza di “curve tipo-tempo chiuse”, ossia percorsi che iniziano in una posizione ad un determinato istante di tempo e terminano esattamente nella stessa posizione allo stesso tempo; si tratta di una “macchina del tempo”. Questa possibilità è stata contraddetta dalla “chronology protection conjecture” (congettura di protezione cronologica) formulata dal fisico Stephen Hawking. Essa ipotizza che le leggi della fisica siano tali da impedire la nascita di curve temporali chiuse, almeno su scale macroscopiche. A tale congettura è legato anche il cosiddetto “paradosso del nonno”, che rende non attendibile e non logica la possibilità di viaggi nel tempo, in particolare di viaggi nel tempo verso il passato (la possibilità di viaggi nel tempo verso il futuro è consentita dalla fisica einsteniana senza paradossi).
Queste “macchine del tempo impossibili da costruire” richiederebbero stati di materia fisicamente impossibili e la loro creazione potrebbe anche generare un buco nero intorno alla macchina, rendendo impossibile l’accesso. Ma anche rimanendo nella normalità quotidiana, il flusso percepito del tempo in una direzione risulta misterioso. La maggior parte delle equazioni microscopiche della fisica ha una simmetria fondamentale; le equazioni non possono dire se il tempo si muove in avanti o indietro (matematicamente, ciò significa che risultano “identiche in forma” se sostituiamo la variabile t con il suo opposto -t). Ma ciò di fatto non corrisponde a come noi facciamo esperienza quotidiana del tempo. Ci muoviamo inesorabilmente dal passato al futuro; ricordiamo il passato e non abbiamo nessuna conoscenza diretta del futuro.
3. La termodinamica e la fisica quantistica
Un’eccezione alla simmetria di inversione del tempo è data dalla termodinamica, la cui seconda legge dice che la funzione “entropia” (grandezza fisica che “misura” il disordine presente in un sistema fisico qualsiasi) aumenta sempre nel tempo. L’astronomo Arthur Eddington fu uno dei primi a far presente che questa legge era la responsabile della cosiddetta “freccia del tempo”.
La simmetria del tempo viene “rotta” anche in meccanica quantistica, che descrive i sistemi fisici attraverso la “funzione d’onda”, che rappresenta lo stato del sistema fisico e dà probabilità, non risultati definiti. Quando viene fatta una misurazione, si dice che la funzione d’onda “collassa” e questo processo ha solo una direzione, perde cioè tutte le possibilità che aveva prima di collassare (anche se nella cosiddetta “interpretazione a molti mondi” della meccanica quantistica ogni possibile risultato verrebbe preservato nel multiverso).
C’è anche la questione dell’”adesso”, l’attimo presente. Einstein ha mostrato che il flusso del tempo è influenzato sia dalla velocità che dalla gravità, ma non è riuscito a spiegare (come avrebbe voluto) il significato dell’”adesso”. Le equazioni della fisica descrivono un universo in cui il tempo non è solamente una delle quattro dimensioni spazio-temporali, ma è speciale, è l’attimo presente, il momento specifico. C’è chi sostiene che l’”adesso” è un non-problema; infatti, una volta che la meccanica quantistica e la termodinamica hanno dato una direzione al tempo, l’”adesso” è una combinazione della freccia del tempo con la psicologia e la fisiologia.
Esistono anche modelli e ipotesi più “audaci”, come l’idea di un’anima non fisica con poteri causali oltre la funzione d’onda quantistica o il fatto che l’espansione dell’universo sta creando continuamente nuovo spazio e nuovo tempo.
4. Mente, coscienza e neuroscienza
Il tempo e la sua fisica sono legati alla natura della mente. L’attuale incapacità a spiegare correttamente la coscienza o cosa succede quando una malattia mentale colpisce una persona, lascia l’uomo in una situazione definita “ibrido moderno di anima e macchina”. Ciò ci riporta alle origini della modernità, periodo in cui la crisi dell’autorità religiosa e la rivoluzione scientifica condussero l’uomo ad inevitabili domande e alla ricerca di risposte sulla natura della vita interiore umana. Un nuovo concetto, quello di “mente”, è emerso come potenziale soluzione. Gli scrittori, i filosofi, i medici e gli anatomisti lavoravano per costruire nozioni della mente non come cosa eterea, ma naturale. I loro sforzi profusi per 150 anni avrebbero portato alla nascita delle scienze della mente, di visioni radicalmente nuove del sé, della società, della conoscenza, dell’emergenza dell’uomo psicologico nel mondo occidentale.
Alla fine del secolo scorso una moltitudine di forze concorsero a portare innovazioni tecnologiche, come il telegrafo elettrico, la ferrovia a vapore, la scoperta delle civiltà sepolte e la perfezione degli orologi, nonché una nuova comprensione umana del tempo che è diventata parte della cultura contemporanea.
La neuroscienza, con le sue nuove tecnologie stupefacenti, sta scoprendo le funzioni del cervello e attraverso ciò forse anche la mente. Il prefisso “neuro” sta trovando una collocazione in tutti i settori della vita, dalla neuroestetica alla neuroeconomia, dalla neurogastronomia alla neuroeducazione.
5. Conclusioni
In ogni caso il concetto di tempo e la sua “realtà” sono fondamentali per la nostra esperienza umana. La sempre maggiore comprensione del suo flusso, ci offre un quadro progressivamente più completo del nostro universo in dinamica trasformazione. In questa interessante miscela di storia, filosofia, scienza e psicologia, l’uomo esplora le origini delle nostre idee sul sé e la mente, il nostro modo di pensare, la conoscenza e la coscienza. I continui studi e le riflessioni sul tempo, permettono un dibattito importante che raggiunge le ipotesi più fondamentali del nostro universo e possono sciogliere uno dei più grandi enigmi di sempre della fisica.
Elementi bibliografici
1. P. Di Sia, Analytical Nano-Modelling for Neuroscience and Cognitive Science, Journal of Bioinformatics and Intelligent Control, Vol. 3, N. 4, pp. 268-272 (2014).
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Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
Non esiste un futuro, ma dei potenziali possibili da essere da noi sperimentati, anche in conseguenza di nostre scelte, ma non necessariamente. Ogni potenziale ha un certo grado di attendibilità. Si tratta di una quantità di immagini che possono più o meno diventare realtà. Un chiaroveggente può leggere il futuro di una persona che ha deciso avvelenarsi, ma c’è anche il potenziale che cambi idea. Il futuro è quindi fatto di immagini che possono materializzarsi in rapporto al grado di attendibilità della loro manifestazione. La multidimensionalità è il mondo infinito delle immagini. Nel multidimensionale tutto è possibile, ma in rapporto al potere immaginale. MAG, MAGnetismo, MAGo, MAGistero, MAGister, MAGia.
Buon Anno!