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Esitazioni temporali


Neurobiologia della percezione temporale

La percezione del tempo negli esseri viventi è senza dubbio uno dei fattori più importanti di adattamento all'ambiente e quindi un elemento essenziale per la loro sopravvivenza. Essa riveste un ruolo centrale nell'ambito dell'evoluzione delle specie, anche di quella umana. Sembra istintivo essere in grado di stabilire intervalli temporali con una precisione sufficiente per poter prevedere e compiere determinate azioni. Tuttavia la neurobiologia ci offre ad oggi solo risposte incomplete sulle modalità con cui il cervello riesce a classificare i diversi possibili intervalli di tempo. Quattro sono le scale temporali ritenute rilevanti per il comportamento umano: il giorno (ritmo circadiano), il secondo, il millisecondo e il microsecondo. Secondo recenti scoperte neuroscientifiche è il nucleo soprachiasmatico dell'ipotalamo a essere responsabile per il sistema di registrazione dell'intervallo temporale più ampio, mentre per gli altri tre tipi di intervalli, quelli più brevi, sembra invece che vengano registrati da una rete distribuita di neuroni. Esperimenti su pazienti con disturbi della percezione degli intervalli temporali inferiori al secondo hanno infatti portato alla convinzione che non ci sia un unico luogo nel cervello che controlli il cosiddetto "meccanismo di timing" ma che ve ne siano vari interconnessi.

Tempi umani e tempi naturali

La percezione del tempo nell'essere umano è in parte condizionata dalla sua struttura neuronale e psicologica. Nei secoli l'uomo ha dimostrato di vivere secondo la convinzione che esista un tempo "assoluto", misurabile grazie alla creazione di sistemi cronometrici sempre più perfezionati. Man mano che le ricerche scientifiche in questo campo sono andate avanti, questa convinzione si è sempre più rivelata come soggettiva e illusoria. Le unità temporali percepite normalmente dall'essere umano sono scale relative alla percezione della sua esistenza, come gli anni, il susseguirsi delle generazioni e delle epoche. Le scienze naturali, come la fisica, applicano invece lassi temporali infinitamente più ampi o, al contrario, più infinitesimali per poter esprimere concetti come l'estensione del cosmo. L'intervallo temporale fisico più lungo che possiamo misurare è l'età dell'Universo stesso, stimata ora con notevole precisione in 13,66 miliardi di anni (messa a confronto, l'età della Terra è di 4,54 miliardi di anni). A questi tempi estremamente lunghi si contrappongono quelli infinitesimali che scandiscono l'evolvere della materia a livello degli atomi e delle particelle fondamentali che la compongono. Le vibrazioni atomiche che usiamo per controllare gli orologi atomici corrispondono a intervalli temporali di circa un miliardesimo di secondo. L'unità di tempo più piccola finora misurata in laboratorio è di un attosecondo, ossia un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Sebbene questa durata ci sembri stupefacente per la sua brevità, essa è 1025 volte più grande dell'unità di tempo fondamentale, il cosiddetto tempo di Planck, pari a 10-44 secondi. In fisica il tempo di Planck, oltre ad essere il più breve intervallo di tempo misurabile, rappresenta il "quanto del tempo", ossia la più piccola unità di tempo che mantenga il suo significato usuale.

Il tempo caotico

Cosa determina questo intervallo di tempo indivisibile? È la forza di gravità a esercitare un influsso talmente forte su questi lassi di tempo e la loro distanza così infinitesimale da distorcerne la struttura spazio-temporale. La gravità distorce e frammenta la sequenza modificando la sua struttura da continua a "granulosa". Così come un insieme di punti allineati visti da lontano formano una linea, ma appaiono come singoli punti se guardati con un microscopio, lo stesso accade al tempo se misurato sull'intervallo ultimo di Planck. Secondo la fisica quantistica e il principio di indeterminazione di Heisenberg (che stabilisce che non è possibile conoscere simultaneamente la quantità di moto e la posizione di una particella con certezza), il tempo non ha più una direzione precisa che ci permette di riconoscere il suo trascorrere dal passato al presente e dal presente al futuro in una sequenza ordinata di eventi. Al contrario, il tempo e lo spazio, a cui esso è indissolubilmente legato, diventano un processo caotico, descrivibile in analogia a una sorta di ribollire, come la schiuma sulla superficie di un liquido in cui si creano e si distruggono incessantemente delle bolle. Potremmo dire che in questa peculiare condizione il tempo "esita" e non prende una direzione definita. Nonostante la teoria della relatività generale di Einstein abbia contribuito enormemente a creare una nozione più corretta del nostro Universo, e cioè che sia un'unità spazio-temporale composto da quattro dimensioni equivalenti (tre spaziali e una temporale), rimangono svariati gli aspetti del tempo che pongono questioni complesse e sino a ora non risolte. Se la coordinata del tempo è davvero del tutto equivalente alle tre coordinate spaziali, ci troveremmo di fronte a un possibile paradosso. Se supponiamo di trovarci a Firenze in un certo istante, non dubitiamo del fatto che, ad esempio, il Colosseo o la Torre di Pisa continuino a esistere altrove nello stesso istante. Volessimo applicare parallelamente lo stesso concetto alla coordinata temporale, concluderemmo che non solo il passato (il che non ci disturba particolarmente), ma anche il futuro già esistano. Il paradosso consiste nel fatto che il futuro di ognuno di noi, come del cosmo intero, esiste indipendentemente dal fatto che noi prima o poi lo raggiungiamo. Questo concetto, benché derivi formalmente dalla teoria della relatività, non risulta confutato da alcun esperimento scientifico ed è quindi attualmente considerato valido dalla scienza. Mentre l'uomo accetta l'idea di spazio che si espande in diverse direzioni e in cui si possono raggiungere i suoi punti più disparati, è assai più difficile condividere tale nozione scientifica nei riguardi del tempo. Questa teoria sembra in netta contraddizione con la percezione che l'uomo ha nel suo quotidiano, in cui il tempo sembra avere una direzione univoca, cioè dal passato a un futuro che ancora non esiste e che deve ancora costituirsi.

Entropia e la freccia del tempo

Ma perché il tempo dovrebbe avere una direzione preferenziale - dal passato verso il futuro passando dal presente - quando lo misuriamo su intervalli molto più lunghi di quello del tempo di Planck? In altre parole, ci chiediamo perché le esitazioni del tempo non avvengano anche sui tempi che possiamo misurare. Il tempo procede spedito, a velocità percepita come variabile (ne discuteremo in seguito) ma sempre in una direzione. Spesso gli scienziati usano il termine "freccia del tempo" per indicarne l'ineluttabile moto verso il futuro che non può essere modificato. Per capire meglio tutto ciò dobbiamo rivolgerci alla scienza della termodinamica e introdurre una quantità fisica detta entropia. Per esempio: sappiamo che a seguito di un forte impatto, una collisione, la nostra auto va in mille pezzi. Nessuno di noi però è mai stato testimone del processo inverso per cui i frantumi del nostro mezzo miracolosamente si ricompongono nella loro posizione originaria, facendo tornare a essere intatta la nostra auto. Questo processo è (virtualmente) vietato dal Secondo Principio della termodinamica che afferma che in ogni sistema isolato il grado di disordine, definito appunto come entropia, tende sempre ad aumentare con il tempo. Ovviamente nessuna legge fisica vieterebbe che i pezzi si rimettano insieme dopo averli magari agitati un po', ma la probabilità che ciò avvenga è evidentemente assai piccola. Nell'esempio portato i pezzi della macchina prima della collisione si trovavano in uno stato altamente ordinato, mentre dopo l'incidente essi si trovano in uno stato disordinato. È interessante notare l'importanza della parola "isolato" nell'economia del Secondo Principio. Le molecole che compongono sia organismi viventi che cristalli sono caratterizzate da un notevole ordine. Nel cervello umano per esempio esistono più di cento miliardi di neuroni collegati tra loro in reti in cui ogni singolo nodo può istaurare fino a 100.000 interconnessioni con altre cellule. La materia che costituisce gli esseri viventi si organizza dunque in molecole complesse che compongono cellule e tessuti passando da uno stato "disordinato" a uno "ordinato", quindi decrescendo il grado di entropia in apparente contraddizione con il Secondo Principio. La spiegazione deriva dal fatto che gli organismi viventi non sono sistemi isolati, bensì scambiano energia e calore con l'ambiente circostante. Secondo le nozioni della termodinamica ne consegue dunque che essi diminuiscono la loro entropia a spese di quella dell'ambiente, facendo tuttavia risultare l'entropia totale del sistema (organismo + ambiente) comunque aumentata.

Verso il disordine totale

Oggi gli scienziati ritengono che la nostra percezione del fluire del tempo nella direzione che va dal passato verso il futuro (ossia la freccia del tempo) dipende dalla analoga unidirezionalità dell'aumento dell'entropia imposta dal Secondo Principio della termodinamica discusso sopra. Il fisico Stephen Hawking ha tentato di spiegare la sua teoria grazie a un'analogia tra la memoria umana e quella di un computer. Sappiamo che i segnali digitali con cui i circuiti elettronici lavorano sono di tipo binario, ossia possono assumere il valore 0 oppure 1. Quando tentiamo di memorizzare una certa informazione nella memoria RAM di un computer dobbiamo forzare il sistema a porsi necessariamente in uno dei due stati. Ciò comporta un dispendio energetico. Tale energia è dissipata come calore e va ad aumentare il grado di disordine (legato al moto caotico delle molecole in un gas scaldato) dell'Universo. Dunque il disordine dell'Universo è aumentato di una quantità che si può dimostrare essere sempre superiore a quella corrispondente all'aumento del grado di ordine della memoria stessa. La direzione del tempo in cui un computer ricorda il passato è la stessa in cui il disordine (o meglio, l'entropia) aumenta. Il cervello umano sembra funzionare in una maniera assai simile. Il nostro senso psicologico del tempo è dunque determinato all'interno del cervello dalla freccia termodinamica del tempo, ossia siamo costretti a ricordare le cose nell'ordine in cui l'entropia aumenta. Questa conclusione può essere considerata lampante ma lascia aperta una domanda fondamentale per la scienza della fisica, cioè perché l'Universo si sia evoluto da uno stato iniziale altamente ordinato a uno stato altamente disordinato nel remoto futuro. E dunque perché è avvenuto il Big Bang? Le attuali leggi fisiche che conosciamo falliscono se applicate alla comprensione di cosa sia successo dopo il Big Bang, e cioè un "tempo di Planck" dopo. Potremmo sperare di trovare delle risposte solo se fossimo in grado di sviluppare una teoria quantistica della gravità. Lasciamo però questo difficile compito ai fisici e continuiamo la nostra analisi alla ricerca di cosa costituisca la percezione temporale umana. Abbiamo visto che il tempo ha una direzione dettata dalla termodinamica e dal suo Secondo Principio. Ci chiediamo ora: il fluire del tempo è costante o subisce delle variazioni quando scorre lungo una determinata direzione? In altre parole, esistono delle "esitazioni temporali" analoghe al tempo caotico sotto il tempo di Planck anche al livello macroscopico della nostra esperienza percettiva del fluire del tempo?

Informazione è entropia


Per tentare di rispondere a questa domanda dobbiamo rivolgerci alla teoria dell'informazione, una branca della matematica che si propone di quantificare il contenuto informativo di un determinato messaggio. Questa scienza fa uso della stessa quantità, l'entropia, che abbiamo incontrato precedentemente in contesto fisico. In tale contesto essa corrisponde al grado di incertezza contenuto in un messaggio che trasmettiamo, misurandone quindi il contenuto informativo. Un esempio ci aiuta a capire meglio: inviamo una sequenza di 100 caratteri binari (bit) fatti di 1 e 0 a un nostro corrispondente. Se quest'ultimo conosce già a priori la sequenza, non ci sarà alcuno scambio di informazione. Se invece ogni bit può essere un 1 o uno 0 in modo equiprobabile, allora il contenuto informativo del messaggio sarà massimo. La formula che esprime questo concetto è esattamente la stessa che usiamo per calcolare quella dell'entropia di un sistema e dunque tra i due fenomeni sembra esistere una perfetta analogia.

Velocità del tempo e flusso informativo

Con slancio speculativo vogliamo fare un passo ulteriore per spiegare la nostra percezione del tempo e delle sue possibili variazioni. L'ipotesi che qui voglio proporre è che la durata percepita del tempo derivi dal rapporto tra la quantità di informazione che possiamo immagazzinare e la velocità a cui ci viene fornita. Ma poiché abbiamo visto che "contenuto di informazione" ed "entropia" sono essenzialmente sinonimi, l'entropia non solo indica la direzione preferenziale del tempo su base fi sica, ma anche il ritmo del suo fluire psicologicamente percepito. Assumendo che il nostro cervello abbia la capacità di ritenere un gran numero di informazioni, questa ipotesi esprime che se siamo esposti ad un flusso informativo maggiore, la nostra percezione degli intervalli tenderà a diminuire e quindi il tempo ad accelerare. Cioè: più informazioni riceviamo più abbiamo l'impressione che il tempo scorra veloce e, viceversa, meno informazioni riceviamo, più il tempo ci sembra lento nel suo scorrere. Informazioni verbali, visive, uditive, tattili, in una parola sensoriali. In breve, gli esseri umani percepiscono l'esistenza di informazioni e grazie all'apparato sensitivo le acquisiscono; nel compiere questa operazione emerge la percezione del tempo. Ma ne segue logicamente che il fluire tempo è fortemente influenzato dall'acquisizione dell'informazione.

Cervello e computer: un semplice confronto

Al giorno d'oggi il flusso informativo che ci investe quotidianamente è senza precedenti nella storia umana. Sorge il dubbio che le nostre capacità cerebrali siano nettamente insufficienti a dialogare proficuamente con le tecnologie informatiche che abbiamo a disposizione. Un esempio ci aiuterà a capire. Consideriamo il Canto I dell'Inferno dalla Divina Commedia di Dante. Esso è composto da 44 terzine e una quartina per un totale di 136 versi. Il numero di caratteri che lo compongono è 4034. In informatica un carattere corrisponde a un Byte, cioè a una stringa di 8 uni e zeri. Poiché anche gli spazi portano informazione, dobbiamo includere anch'essi nel computo (insieme ad altri caratteri di controllo) portando la dimensione informatica del testo a 5198 Bytes. Leggendo interamente il Canto I a una velocità che mi permetta almeno una comprensione di primo livello del testo (l'Inferno dantesco non è forse il testo più semplice che avrei potuto scegliere, ma ciò non influenza la sostanza delle conclusioni), questo processo di acquisizione di informazione dura 6' 38", ossia 398 secondi. Il mio rate di acquisizione di dati dunque è stato di 13 Bytes al secondo, una velocità che mi qualifica come bradipo informatico! Le cose andrebbero un po' meglio se invece di un testo tentassi di acquisire un'immagine (il nostro cervello sembra essere più adatto a questo tipo di acquisizione), ma non di tanto.

Information overflow

Ecco che il problema della percezione dell'accelerazione del tempo comincia a chiarirsi: oggi siamo costretti ad assorbire una grande quantità di informazioni a una velocità molto superiore alla capacità del nostro cervello, secondo un processo definito information overflow. Sulla base dell'ipotesi entropica vista precedentemente, ciò genera una percezione di intervalli di tempo sempre più brevi. Il cervello si "difende" filtrando le informazioni in diversi modi, ad esempio ritenendo solo certi pattern e/o comprimendo l'informazione. Tale compressione spesso porta a una perdita di parte dei dati originali. Oltre alla velocità in cui il nostro cervello è in grado di acquisire informazione anche la capacità di ritenerla è un fattore essenziale. Per rifarci all'esempio precedente: per quanto tempo riuscirò a ricordare il Canto I che ho appena letto e con quale grado di precisione? Anche in termini di capacità ritentiva (ossia memoria legata alla plasticità cerebrale) il nostro cervello sembra essere meno efficiente di un computer. Si può presumere che attualmente le capacità del nostro cervello siano sotto sfruttate? Sembra il contrario. Il famoso cosmologo Sir Martin Rees ha dimostrato che la dimensione fi sica del nostro cervello costituisce il limite massimo della capacità animale di sviluppare concetti intelligenti; oltre questa dimensione le informazioni tra le sinapsi impiegherebbero troppo tempo per costituire ragionamenti costruttivi.

Verso il futuro


Il sentimento dell'accelerazione del tempo che tutti oggi proviamo è diventato uno dei problemi centrali della società attuale. Esso sta modificando sia la dimensione psicologica individuale che le relazioni interpersonali e dunque la collettività, alterando la qualità dei nostri rapporti sociali ed esercitando un influsso dubbioso sul progresso umano in sé. È probabile che questa costante accelerazione che percepiamo sia frutto di un fenomeno conosciuto come la "Singolarità Tecnologica", coniato nel 1993 dal docente in Computer science Vernor Vinge. Secondo Vinge, entro il 2030 avremo a disposizione le tecnologie necessarie per creare intelligenze super umane. Il perfezionamento nel campo dell'hardware e l'approfondimento delle ricerche biotecnologiche potrebbe portare alla creazione di computer coscienti e con intelligenza super umana, come del resto già avviene per quanto riguarda i programmi informatici che scrivono essi stessi il codice per i software che le rendono più altamente performativi. Già da anni vengono sviluppate e prodotte in serie protesi tecnologiche da applicare al fi sico umano per ampliarne le capacità biologiche. Protesi degli arti che rendono bioniche le facoltà motorie o microchip inseriti nel cervello per ridare la vista ai non vedenti sono i primi passi verso una futura implementazione di sistemi micro-elettronici nel sistema neuronale umano. Il cammino verso l'ibridazione del cervello e del corpo umani con la robotica verso un organismo cibernetico (cyborg) è già iniziato da tempo e non è più la mera visione fantascientifi ca di un William Gibson o di una Donna Haraway che nei lontani anni Ottanta avevano teorizzato la figura del cyborg come futuro del genere umano. Potremo così rimetterci al passo con le creature sintetiche che noi stessi abbiamo costruito e con quelle che ancora esistono solo nel limbo della nostra (e loro) immaginazione. Solo questo potrà rappresentare la nostra speranza quando un giorno dovremo lasciare la Terra per cercarci una nuova casa nel Cosmo.

 
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