Il viaggio nel tempo è l'ipotetico spostamento tra diverse epoche temporali, verso il passato o il futuro. Per "visualizzarlo" si usa comunemente l'analogia dello spostamento su un filo, una linea che rappresenta il tempo nella sua totalità.

Alcune teorie scientifiche consentono, ad oggi, il viaggio nel tempo, ma solamente attraverso condizioni estreme impossibili da realizzare con le tecnologie attuali.

Fra queste la teoria della relatività prende in esame il fenomeno della dilatazione del tempo, registrabile soprattutto da osservatori che si spostino a velocità prossime a quella della luce (299.792.458 m/s), fenomeno verificato da numerosi esperimenti e che sembrerebbe lasciare la porta aperta all'ipotesi dello spostamento nel futuro (vedi Curve chiuse di tipo tempo). Ma bisogna notare come tale viaggio nel futuro non ha probabilmente nulla in comune con l'idea dei viaggi nel tempo usata nella fantascienza.

 
 
Il concetto del viaggio temporale è un'idea che affascina da tempi immemorabili l'umanità, ed è presente in svariati miti e tradizioni religiose, che sia mago Merlino a sperimentare delle regressioni temporali, o Maometto in viaggio a Gerusalemme che ascende al Paradiso ritornando prima che un bicchiere spezzato abbia versato il suo contenuto.
La macchina del tempo "classica" a cui il cinema e le storie di fantascienza ci hanno abituato è solitamente rappresentata come un qualche veicolo o apparecchio dalle dimensioni di una piccola stanza: si entra, si configurano i parametri di viaggio e si aziona il dispositivo: dopo pochi secondi si può uscire e ci si ritrova nell'epoca voluta.
Qualora ciò fosse possibile, non sarebbe tuttavia sufficiente. Il pianeta Terra infatti occupa, secondo per secondo, una posizione diversa lungo l'orbita intorno al sole: a sua volta, il sole orbita intorno al centro galattico e così via. In conclusione, un viaggio nel tempo così concepito dovrà necessariamente essere anche un viaggio nello spazio, altrimenti il crononauta si ritroverebbe sperduto nel vuoto spaziale al momento dell'arrivo.
 
 
Campo della Fisica

Nel campo della fisica, l'esperimento ideale del viaggio nel tempo è talvolta usato per esaminare le conseguenze di teorie scientifiche come, ad esempio, la relatività speciale, la relatività generale e la meccanica quantistica.

È stato ampiamente approvato con prove sperimentali che lo scorrere del tempo non esiste come tempo assoluto: infatti, come previsto dalla relatività ristretta, lo scorrere del tempo è differente per osservatori che siano in moto uno rispetto all'altro.
Alle velocità infraluminali, al di sotto della soglia della velocità della luce nel vuoto, esistono corpi dotati di masse, sia a riposo che accelerata, superiori a zero: tali corpi possono muoversi avanti ed indietro nello spazio ma non nel tempo (nel nostro "universo" la direzione del tempo è preordinata e corre dal "passato" al "futuro").

Alla velocità della luce, lo spazio ed il tempo si annullano: il fotone, dotato di massa a riposo ed accelerata quasi nulle può muoversi a questa fantastica velocità in quanto virtualmente privo di inerzia. Esso si trova contemporaneamente dappertutto ed in un eterno presente. Un corpo dotato di massa superiore a quella del fotone non può raggiungere la velocità della luce, in quanto, come compendio della legge einsteniana dell'equivalenza tra materia ed energia (E = mc2), tutta l'energia fornita per accelerare il corpo massivo a velocità prossime a quelle luminali viene convertita automaticamente in materia andando, in ultima analisi, a massificare ulteriormente il corpo stesso, accrescendone l'inerzia, il che richiede ulteriore energia per accelerarlo (in pratica si crea un circolo vizioso in cui l'energia non accelera più il corpo ma addirittura ostacola il movimento del corpo stesso incrementandone la massa, in quanto convertita in materia).

A velocità sopraluminali, invece, l'ipotetico corpo dovrebbe possedere soltanto una massa virtuale, sia a riposo che accelerata. A questa ipotetica particella è stato attribuito il nome di "Tachione". Esso si muoverebbe in uno spazio ancora nullo (in realtà, dovrebbe muoversi in uno spazio negativo, il che non ha senso) ed in un tempo "invertito". Praticamente, non sarebbe libero di muoversi nello spazio, e la sua successione temporale andrebbe dal futuro al passato, paradossale solo per la nostra esperienza quotidiana, ma non per la fisica. Nel "mondo sopraluminale", in pratica le conseguenze precederebbero la causa generante; l'effetto precederebbe la causa. Anche il secondo principio della termodinamica verrebbe ad esser invalidato: ad esempio vedremmo i cocci di vetro ricomporsi e generare un bicchiere; oppure un cadavere riprendere vita e ringiovanire fino al momento del concepimento.
Da notare a questo proposito che la teoria einsteniana non vieta le velocità superiori a quella della luce. Essa vieta il raggiungimento della velocità della luce per un corpo massivo, ma non vieta il superamento di questo estremo limite.

Sappiamo, dalla relatività ristretta, che il tempo rallenta in un sistema di riferimento in movimento. In altri termini, più un oggetto si sposta velocemente rispetto ad un altro (perché è minore la differenza tra la velocità del corpo in movimento e la velocità massima relativa, cioè la velocità della luce), più il tempo per il primo oggetto passa più lentamente rispetto al secondo, spostando in pratica il primo nel futuro del secondo. La possibilità realmente offerta dalle due grandi teorie relativistiche di Albert Einstein permettono di sperimentare quasi ordinariamente già oggi piccoli viaggi nel tempo.

Nella pratica, ponendo un orologio di precisione su di un mezzo ad alta velocità, tipicamente un velivolo, è normale riscontrare una discrepanza con il rispettivo orologio di riferimento precedentemente sincronizzato, posto ad esempio sulla pista, dimostrando evidentemente che l'orologio spostatosi ad alta velocità dal suo riferimento ha viaggiato qualche frazione di secondo nel futuro dell'orologio posto a terra.
A tale proposito dobbiamo pensare che la "velocità" con cui scorre localmente il tempo in un sistema in quiete è di 1 secondo (del sistema di riferimento) al secondo (del sistema locale che coincide col riferimento). Nel precedente esempio sul velivolo il tempo scorre a più di 1 secondo al secondo (sempre tra tempo locale e tempo del sistema di riferimento che non coincidono) in quanto sul mezzo in movimento la dimensione temporale è allungata (mentre quella spaziale si accorcia) provocando un lievissimo balzo in avanti nel tempo riscontrabile da evidenze strumentali sperimentali, ma non dalla mente umana.

Per viaggi temporali riscontrabili dall'esperienza umana, tali teorie ci dicono che, se un corpo è soggetto ad una velocità (commensurabile con quella della luce nel vuoto) oppure a campi gravitazionali significativi (come in prossimità di un buco nero o di una stella di neutroni), il tempo ne viene enormemente influenzato nel suo scorrere, fino ad arrivare a fermarsi per un osservatore (orizzonte degli eventi). In prossimità dell'orizzonte degli eventi, lo scorrere del tempo verrebbe arrestato solo per colui che si trovasse proprio sull'orizzonte medesimo, ovvero sul confine tra il nostro universo "familiare" e l'universo chiuso (una sorta di "punto di non – ritorno") che si trova oltre l'orizzonte e che termina sulla singolarità ("collapsar") implosa e collassata che genera l'orizzonte e gli effetti fisici e relativistici associati al buco nero. Per semplificare il concetto, praticamente, un astronauta che si trovasse sul confine delineato dall'orizzonte degli eventi si muoverebbe in modalità sincrona col ruotare dell'orizzonte e vedrebbe ogni oggetto al di là dell'orizzonte come se fosse in un eterno presente: un oggetto che dovesse cadere nel buco nero avrebbe un tempo nullo per l'osservatore posto sull'orizzonte degli eventi, che mai lo vedrebbe, per tutta l'eternità, ed un tempo suo proprio, talmente accelerato da esser incompatibile con lo stato della materia ordinaria, che lo schianta in una frazione di secondo sulla singolarità stessa. Da questo concetto ne consegue che non soltanto la materia (perché la collapsar generante il buco nero non può fisicamente esser costituita da materia ordinaria) può influenzare lo spazio-tempo, bensì anche le concentrazioni massive d'energia, il che è plausibile, essendo la materia una forma particolare d'energia, in base alla teoria einsteniana.

Per capire un po' meglio questo concetto assolutamente poco intuitivo dobbiamo infatti raffigurarci lo spaziotempo (o "cronotopo", mutuando il termine dalla geometria) come un telo perfettamente elastico, ben tirato, increspato in qualche punto da alcuni gravi (curvatura spaziotemporale). La gravità è rappresentata dalla deformazione di questo telo che flette, ad esempio, nei dintorni della massa di una stella, proprio come farebbe una palla da biliardo su un telo elastico. Il tempo può essere visto invece come l'inclinazione di questo tessuto, che in prossimità delle infossature si accentua (si dilata e si allunga) mentre come accade nel tessuto, lo spazio tra un punto e l'infossatura si accorcia (e diminuisce), tanto più quanto più la massa è pronunciata .
Un'estensione di questa teoria porta ad ipotizzare che lo stesso spazio-tempo non sia un qualcosa di unitario, come da noi percepito, bensì un'entità "discreta", ovvero composta da quanti, esattamente come tutta la materia e l'energia: a livello ultramicroscopico, pertanto, esisterebbero dei quanti non ulteriormente divisibili di spazio-tempo e lo scorrere del tempo rappresenterebbe solo una nostra illusione ottica. Il divenire, pertanto, altro non sarebbe che lo spostamento tra quanti contigui di spazio-tempo. Anche la nostra esistenza sarebbe dettata da questa regola: ogni quanto di spazio tempo può contenere o meno una copia di ciascuno di noi: se non la contiene si tratta del periodo anteriore alla nascita o posteriore alla morte. Se la contiene, invece, ogni quanto conterrà una nostra copia in un dato "istante" temporale, cosicché la durata della "nostra vita" altro non sarebbe che la sequenza precisa, ordinata, accurata e lineare di singoli quanti spaziotemporali contenenti una copia di noi in una data "epoca". Ovviamente, a livello macroscopico, essa viene da noi interpretata come un divenire dalla nascita alla morte, ovvero quello che chiamiamo "Vita".
Una macchina del tempo tecnologica che viaggi nel futuro potrebbe perciò funzionare accorciando lo spazio e dilatando il tempo, che ad esso è relativo, procedendo a velocità astronomiche, oppure potrebbe piegare la struttura dello spaziotempo creando l'increspatura da cavalcare come una tavola da surf sull'onda. Ad oggi comunque non si conosce un modo né per accelerare a tali velocità, né per piegare lo spaziotempo.

I buchi neri

I buchi neri in veste di "macchine del tempo" naturali non sono sfruttabili per vari motivi. Vediamo i più immediati:

Di buchi neri ne esistono tanti, di dimensioni estremamente variabili. Il problema principale è quello di andarsi a collocare presso l'orizzonte degli eventi senza esserne inghiottiti. Ma gli effetti gravitazionali del buco nero si fanno sentire anche prima di giungere all'orizzonte stesso, e non è facile quantificare la massa della singolarità centrale da cui dipende l'area coperta dall'orizzonte ed il volume del buco nero medesimo. basta un'inezia nel calcolo e l'effetto sarebbe davvero poco piacevole per gli sperimentatori.
Come macchina del tempo un buco nero sarebbe limitato, nel senso che potrebbe portare indietro nel tempo uno sperimentatore non oltre il momento della sua formazione.
Se il buco nero fosse di tipo "non rotante" – e nessuno lo può sapere a priori – non ci sarebbe verso di attraversare indenni l'orizzonte degli eventi: il verso preso sarebbe inevitabilmente diretto sulla singolarità centrale, dopo esser stati ridotti ad una stringa monodimensionale per ipercompressione a densità infinita.

Questo discorso vale solo in parte nel caso d'un buco nero rotante. Durante gli anni ‘60 il matematico neozelandese Roy Kerr scoprì che lo schianto sulla singolarità può anche non avvenire se il buco nero è rotante. In questo caso, si forma pur sempre una singolarità, ma sotto forma di anello toroidale e non come punto adimensionale, come il biscotto col buco al centro. In via di principio sarebbe possibile immergersi in un buco nero di questo tipo e passare attraverso l’anello per emergere in un altro luogo ed in un altro tempo, forse in un universo parallelo, purché la direzione d’incontro col buco nero rispetti un certo angolo d’incidenza. Questa "soluzione Kerr" è stato il primo esempio matematico di macchina del tempo, Negli anni’80, comunque, Kip Thorne, del CalTech (uno dei principali esperti al mondo sulla teoria generale della relatività) ed i suoi colleghi si misero a provare una volta per tutte che tali sciocchezze non erano ammesse realmente dalle equazioni di Einstein. Studiarono la situazione da tutte le parti ma furono costretti alla conclusione non tanto gradita che non c’era realmente nulla nelle equazioni che vietasse il viaggio nel tempo ammesso che si abbia la tecnologia per manipolare i buchi neri (e questa è una grossa clausola restrittiva).
Nessun candidato buco nero si trova nei nostri paraggi.
Oggigiorno non esistono tecnologie atte a generare buchi neri artificiali in laboratorio.

Paradossi

Coerenza

Esistono numerose speculazioni teoriche sui paradossi che potrebbero insorgere quando si ha a che fare con i viaggi nel tempo. Ad esempio, supponiamo che voi decidiate di utilizzare una macchina del tempo per tornare a fare visita a vostro nonno, nel passato. Il viaggio riesce vi trovate finalmente a tu per tu con vostro nonno, che però giovane e non si è ancora sposato con quella che diventerà, in seguito, la vostra nonna. Ebbene, mentre sbalordite il nonno con particolari che solo lui può conoscere della sua famiglia, ecco che egli si distrae e si dimentica dell’appuntamento con una bella ragazza che sarebbe potuta diventare sua moglie. La signorina, indispettita dal comportamento del giovanotto, non lo vuole più vedere. Ed ecco quindi che per colpa vostra il nonno non si sposerà più e di conseguenza voi stessi non sareste più potuti nascere; ma se non foste mai nati, come avreste potuto impedire ai nonni di incontrarsi? Tale paradosso è comunemente definito Paradosso del nonno. Un esempio di questo problema è rappresentato dai film della serie di fantascienza Ritorno al Futuro: il viaggiatore nel tempo, impedendo ai suoi genitori di incontrarsi, sarebbe dovuto scomparire dalla realtà in quanto mai nato. Questo tipo di paradosso è detto di "coerenza".

Conoscenza

Un'altra variante di paradosso è quella proposta dal filosofo Michael Dummett.
Un critico d'arte torna nel passato per conoscere quello che diventerà il più famoso pittore del futuro. Ebbene, questo pittore quando incontra il critico dipinge quadri in verità molto mediocri, ben lontani dai capolavori che il futuro potrebbe conoscere. Ed ecco quindi che il critico d'arte gli mostra delle stampe dei futuri capolavori. Il pittore ne è talmente entusiasta che glieli sottrae e li va a ricopiare. Nel frattempo, il critico d'arte si deve reimbarcare nella macchina del tempo per tornare alla sua epoca e lascia quindi le copie nel passato.

La domanda è questa: considerando l'intera vicenda globalmente, da dove arriva, in definitiva, la conoscenza necessaria a creare i capolavori? dal pittore o dal critico d'arte?
Nella fantascienza questo problema viene ad esempio ripreso nel film Terminator con i suoi seguiti: il microchip che sta alla base tecnica degli androidi che vengono sviluppati è copiato da un androide che ha viaggiato nel tempo.

Paradosso fisico

Un altro paradosso è questo: supponiamo, di nuovo, che il viaggio nel tempo sia possibile e che un oggetto qualsiasi torni indietro nel tempo. Limitiamo l'infinita gamma di momenti passati in cui potrebbe tornare a quelli in cui l'oggetto già esisteva. Dal punto di vista dell'universo al momento di arrivo nel passato, la massa costituente l'oggetto comparirebbe praticamente dal nulla; la "copia ridondante" sarebbe dunque priva di passato. Ciò sembra inconcepibile in quanto violerebbe molte delle leggi fisiche (oltre che logiche) esistenti.

Risoluzioni

Censura cosmica

Alcuni scienziati come i celebri Stephen Hawking e Roger Penrose ritengono che, qualora tentassimo in qualche modo di fare qualcosa in grado di mutare significativamente il passato, ad impedirlo interverrebbe una sorta di "censura cosmica".
Nell'esempio sopra esposto del "Paradosso del nonno", la nostra voce potrebbe, secondo qualche meccanismo fisico ancora ignoto, affievolirsi o essere proprio il motivo per cui la conversazione tra il potenziale (a questo punto) nonno e la nipote potrebbe finire esattamente nel momento giusto, cosicché il nonno potrebbe essere puntuale all'appuntamento con la ragazza e tutto andrebbe al meglio.

Un esempio di questo problema è rappresentato dal film di fantascienza L'esercito delle 12 scimmie: nonostante i viaggi a ritroso nel tempo non era possibile modificare il presente in quanto tutto ciò che faceva il viaggiatore era già accaduto e documentato nella storia. Egli poteva soltanto raccogliere informazioni nel passato per modificare il futuro agendo dal presente da cui proviene. Domande che sorgono partendo dalla censura cosmica sono: che ne sarebbe del libero arbitrio? E poi in che modo questa censura agirebbe? Come farebbe l'universo ad "accorgersi" che qualcosa non va e che c'è il rischio che un piccolo crono-vandalo provochi seri guai alla storia futura?

Dimensioni parallele

Per evitare la bizzarra "censura cosmica" si può utilizzare una teoria quantistica nota come "teoria a molti mondi" che fu proposta nel 1956 da Hugh Everett III.
Questa teoria ci dice che ci sono tante copie del nostro mondo quante sono le possibili variazioni quantistiche delle particelle che lo compongono. Ne risulterebbe dunque un numero altissimo di mondi (o dimensioni) paralleli.
Per chiarirci le idee pensiamo ad un elettrone che ruota intorno ad un protone nell'atomo di idrogeno. Tale elettrone – secondo la meccanica quantistica – non ha un valore dell'energia ben determinato, ma si può solo dire che quella energia sarà contenuta in un certo set di valori con una certa distribuzione di probabilità: l'impredicibilità della natura a livello quantistico è una caratteristica intrinseca.

Ebbene, secondo la teoria a molti mondi, per ogni livello di energia dell'elettrone esiste un differente universo; lo stesso per tutte le altre particelle.

Quindi, nelle variazioni più evidenti, ci saranno mondi in cui il nonno si sposa con la nostra nonna e mondi in cui questo fatto non avviene più.

Tornando al nostro ipotetico viaggio nel tempo, qualora facessimo perdere l'appuntamento al nonno approderemo in un mondo variante in cui "noi" non siamo mai nati, e quindi non si genererà alcun paradosso temporale grossolano.

Ovviamente in questo caso ci si sposterà nelle dimensioni parallele e non nel tempo, e comunque rimane da spiegare quale sia il principio (e quali le forze) di carattere generale che ci permettano di scegliere l'universo "giusto"; in questo caso, però, sia il libero arbitrio che il principio di causalità sono salvi, anche se le varianti possibili sarebbero potenzialmente infinite.
Questo problema nella fantascienza è trattato nel libro La fine dell'eternità di Isaac Asimov, nelle serie televisive I viaggiatori (Sliders) e In viaggio nel tempo (Quantum Leap) solo per fare qualche esempio: il viaggiatore visita mondi possibili, anche coevi del presente, ma sempre con variabili parallele rispetto alla realtà, e spesso il malcapitato non riesce a ritornare al suo universo di partenza tra tutte le infinite possibilità.

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