Il Principio che Regola l’Universo

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In 4 parole: Secondo Principio della Termodinamica

La Natura è regolata da un’infinità di leggi e principi. Tra questi, il Secondo Principio della Termodinamica occupa un ruolo di primissimo piano nel panorama della Fisica. Esso, infatti, regola il funzionamento degli scambi di energia, sotto forma di calore, e lavoro, caratterizzando gran parte dei fenomeni che conosciamo: dal funzionamento delle macchine ai buchi neri.

Entropia e Disordine

Nella sua formulazione matematica, il Secondo Principio afferma che ogni processo naturale, o spontaneo, si svolge nel verso che determina un aumento dell’entropia. Se pensiamo a questa grandezza come un’espressione del grado di disordine, ciò significa che per un processo naturale il disordine non può che aumentare. Per riavere un po’ d’ordine è necessario quindi far diminuire l’entropia, cosa possibile solamente tramite un processo non spontaneo: ovvero spendendo energia sotto forma di lavoro. Per capire facilmente questo concetto, basta pensare alla nostra stanza: mentre per creare disordine non serve alcuno sforzo, per mettere a posto dobbiamo spendere energia.

Entropia e Tempo

Abbiamo visto che un avvenimento naturale comporta un aumento dell’entropia. D’altra parte, un qualunque avvenimento ha ovviamente uno svolgimento nel tempo. Ciò significa che l’aumento di entropia e la direzione del tempo sono saldamente legati: il tempo scorre nella direzione che consente un aumento di entropia, o, analogamente, l’entropia aumenta nella direzione in cui scorre il tempo.

Le tre frecce del tempo

Il legame tra tempo ed entropia è così stretto che Stephen Hawking, nel suo libro “Dal Big Bang ai Buchi Neri: Breve Storia del Tempo”, parla a tal proposito di Freccia del Tempo Termodinamica: la direzione del tempo in cui aumenta il disordine. Tale freccia coincide sostanzialmente con la Freccia del Tempo Psicologica, ovvero la direzione in cui noi sentiamo che passa il tempo. La direzione di tale freccia è poi la stessa della terza Freccia del Tempo, quella Cosmologica: la direzione del tempo in cui l’Universo si sta espandendo anziché contraendo.

E se l’Universo si contraesse anziché espandersi?

A questo punto sorge spontaneo chiedersi: qualora l’Universo dovesse iniziare a contrarsi, ovvero la Freccia del Tempo Cosmologica si invertisse, anche la Freccia del Tempo Termodinamica cambierebbe verso? In tal caso, il disordine diminuirebbe col tempo, e potremmo vedere i frammenti di un vaso caduto ricomporsi sotto ai nostri occhi¹.

Fisica e fantascienza

Purtroppo, tale processo sembra impossibile: la condizione di un Universo illimitato², infatti, implica che il disordine aumenterà anche nella fase di contrazione dell’Universo³: ovvero, ad un’inversione della Freccia Cosmologica non corrisponderebbe un’inversione della Freccia Termodinamica. Ad ogni modo, la cosiddetta “inversione dell’entropia” è una meraviglia fantascientifica, infatti è l’idea che sta alla base di “Tenet“, il film di Christopher Nolan uscito recentemente: assolutamente da vedere!

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Note

1. E alla Freccia Psicologica cosa accadrebbe? Stephen Hawking sostiene che, qualora la Freccia Termodinamica si invertisse, si invertirebbe anche la Freccia del Tempo Psicologica. Ciò significa che ricorderemmo il futuro anziché il passato: vedendo il vaso rotto sul pavimento ricorderemmo di averlo visto integro sul tavolo (avvenimento futuro); tuttavia, vedendolo sul tavolo, non ricorderemmo di averlo visto in frantumi sul pavimento (avvenimento passato).
2. Universo illimitato: il termine “illimitato” assume qui una connotazione ben diversa dal termine “infinito”. Stephen Hawking propose per la prima volta l’ipotesi che tempo e spazio formano congiuntamente una “superficie” di dimensioni finite, ma priva di confini o margini: in sostanza, un Universo finito ma illimitato.
3. Contrazione dell’Universo: la proposta dell’inesistenza di confini implica che l’Universo passi da una fase di espansione, nella quale ci troviamo ora, a una di contrazione.