La questione del tempo, del suo scorrere, dell’esistenza o meno di fenomeni fisici che avvalorino la reversibilità o la non reversibilità del tempo (e quindi la non esistenza o l’esistenza di una “freccia” del tempo) è molto affascinante.

Vale la pena distinguere tra tempo psicologico e tempo fisico, tra l’esistenza di una “freccia psicologica del tempo” e la possibilità di definire una “freccia del tempo” nell’ambito della fisica. Da come formula la sua domanda ritengo che lei sia interessato alla questione fisica.

Bene, la meccanica classica – quella di Galileo e Newton – descrive la dinamica dei sistemi fisici mediante leggi fondamentali che sono reversibili rispetto all’inversione temporale. Sia detto per inciso, lo stesso vale per le leggi fondamentali della meccanica quantistica.

Quando, intorno al 1850, viene formulata la moderna termodinamica, questa convinzione sulla sostanziale reversibilità dei processi meccanici fondamentali viene incrinata. Il secondo principio della termodinamica indica chiaramente l’esistenza di processi macroscopici irreversibili. Il problema che gli scienziati si pongono è allora: come spiegare questa irreversibilità in rapporto alla reversibilità delle leggi che governano i fenomeni meccanici? L’idea che si fa strada, a partire in particolare dai contributi di Maxwell e Boltzmann, è quella che sia possibile dimostrare l’insorgenza dell’irreversibilità su base statistica: in sistemi formati da molti corpi la probabilità di realizzare (macro)stati di un certo tipo è maggiore di quella di realizzare (macro)stati di altro tipo, e questo giustifica l’evoluzione irreversibile del sistema, insomma l’esistenza di una freccia del tempo. Anche se ancora non è disponibile una spiegazione pienamente soddisfacente dal punto di vista matematico dell’idea che la freccia del tempo sia una sorta di epifenomeno legato alla trattazione statistica di sistemi complessi (cioè formati da molti corpi), questa è la spiegazione tutt’oggi più accreditata.

Vale la pena riportare alcune citazioni tratte da Boltzmann che possono aiutare a capire come possa emergere la freccia del tempo e, ciononostante, debbano esistere a livello fondamentale leggi meccaniche reversibili (classiche o quantistiche).

Connettendo il problema della freccia termodinamica a quello della freccia cosmologica del tempo, Boltzmann scrive nel 1897:
"L’universo (o comunque gran parte di ciò che ci circonda) visto come sistema meccanico è partito da uno stato altamente improbabile e si trova ancora in uno stato poco probabile".

Se si prende allora in esame un sistema di corpi più  piccolo, così come lo si trova  nella realtà, e lo si isola istantaneamente dal resto del mondo, questo sistema verrà inizialmente a trovarsi in uno stato improbabile e, per tutto il tempo in cui resterà isolato, procederà verso stati più probabili.

Sistemi collocati nello stato attuale dell’universo hanno di fatto stati iniziali che precedono gli stati finali. E questo dipende dalle “condizioni iniziali di ciò che ci circonda”.

L’universo nella sua interezza, tuttavia, può essere considerato come in equilibrio (e quindi morto). In esso sono collocate isole (o mondi) di dimensioni paragonabili alla nostra galassia.

Questi mondi sono interpretabili, secondo Boltzmann, come fluttuazioni nell’equilibrio termico globale, che durano tempi lunghi rispetto ai tempi delle nostre osservazioni.

L’universo globalmente è quindi in equilibrio, in esso non c’è freccia temporale: non vi si distingue il “prima” dal “dopo” come nello spazio non si distingue il “sopra” dal “sotto”. Ecco perché le leggi meccaniche fondamentali sono reversibili.

Diversa è la “sensazione” di un osservatore solidale con uno di questi mondi.

Proprio come in un dato luogo sulla superficie della Terra possiamo usare l’espressione “verso il basso” per indicare la direzione verso il centro del pianeta, così, in quanto creature viventi che si trovano in un mondo del genere in uno specifico periodo di tempo, possiamo definire la direzione del tempo come se essa andasse dagli stati meno probabili verso quelli più probabili (in modo che i primi diventeranno il “passato” e i secondi il “futuro”), e in virtù di questa definizione troveremo che questa piccola regione, isolata dal resto dell’universo, è sempre “inizialmente” in uno stato improbabile.

I fenomeni che oggi manifestano una qualche forma di irreversibilità e che quindi sembrano poter essere connessi con l’argomento della “freccia del tempo” sono essenzialmente cinque: 
1. l’asimmetria entropica in termodinamica;
2. l’emissione di radiazione nell’elettromagnetismo;
3. l’espansione dell’universo in ambito cosmologico;
4. la misurazione quantistica;
5. la violazione di CP nel decadimento di alcune particelle.

Almeno i primi quattro di questi fenomeni hanno in comune il fatto di essere fenomeni che possono essere trattati come fenomeni statistici.

Per aprofondimenti si rinvia a:
- E. Bellone, I nomi del tempo, Bollati Boringhieri, Torino 1989
- R. Penrose, The emperor’s new mind, Oxford University Press, Oxford 1989 (trad. it. La mente nuova dell’imperatore, Rizzoli, Milano 2000)
- H. Reichenbach, The Direction of Time, University of California Press, Berkeley 1956
- G. Peruzzi, Maxwell. Dai campi elettromagnetici ai costituenti ultimi della materia, “I grandi della scienza”, Le Scienze, n. 5, 1998.