Il viaggio nel tempo è il concetto del viaggio tra diverse epoche o momenti temporali, inteso in una maniera analoga al viaggio tra diversi punti dello spazio, sia verso il passato sia verso il futuro, senza che il soggetto debba far esperienza di tutto l'intervallo temporale presente tra l'epoca di partenza e quella di arrivo.
Per la fisica attuale, questa esperienza sarebbe possibile solo per quanto riguarda il "viaggio" nel futuro, seppur non in modo proprio istantaneo. L'idea di viaggiare istantaneamente nel tempo, sia nel passato che nel futuro, ha da sempre affascinato l'umanità, diffondendosi soprattutto nella fantascienza, alcune volte utilizzata come espediente narrativo per storie ambientate nel passato, altre volte con storie o viaggi ambientati o simulati.
La "macchina del tempo"
Nell'immaginario collettivo, la "macchina del tempo" è il nome dato all'ipotetico mezzo di trasporto per viaggiare nel tempo, in grado di spostare oggetti ed esseri viventi da un'epoca temporale all'altra, sia nel passato sia nel futuro. La fantascienza, in genere, ha abituato a vedere tale macchina come una sorta di vero e proprio "veicolo" o "apparecchio" nel quale si entra, si configurano i parametri di viaggio, si dà inizio al viaggio e poco dopo si può uscire ritrovandosi nell'epoca temporale programmata.
Con le attuali conoscenze, tale macchina dovrebbe compiere anche enormi balzi spaziali oltre che temporali, poiché il pianeta Terra occupa, secondo per secondo, una posizione diversa lungo l'orbita di rivoluzione intorno al Sole, così come il Sole occupa uno spazio ben preciso durante il suo moto intorno al centro della Via Lattea, e così via. In conclusione, un viaggio nel tempo così concepito dovrebbe necessariamente comportare anche un movimento spaziale, altrimenti l'ipotetico crononauta si ritroverebbe sperduto nel vuoto cosmico al momento dell'arrivo.
Il viaggio nel tempo per la fisica attuale
La fisica classica ha esaminato per secoli e con attenzione la possibilità di viaggiare nel tempo; in particolare, le difficoltà ravvisate emergono soprattutto per il viaggio nel passato. Tali difficoltà sono legate al concetto di "tempo" secondo l'esperienza e la conoscenza classica del mondo, ovvero un "tempo" naturalmente percepito soltanto come "lo scorrere degli eventi", come visione classica del "divenire" di Eraclito.
Secondo questa visione, il tempo risulta quindi un parametro immutabile e unidirezionale, come lo scorrere dell'acqua di un fiume, e tutti gli eventi dell'Universo si susseguono seguendo le leggi del modello di causalità (causa → effetto). Tutte le leggi della natura infatti, seguono una cosiddetta "freccia del tempo", che è strettamente legata al concetto di entropia, e ciò che è compiuto risulta irreversibile. Esempi ne sono l'impossibilità di ricomporre i cocci di un vaso rotto fino al vaso intero originario, di rimettere un inchiostro disciolto in acqua dentro il flacone che lo conteneva all'inizio, il fumo della combustione di una sigaretta dentro la precedente sigaretta nuova e integra, e riportare in vita un essere morto. Tutti i fenomeni naturali sono assoggettati da un aumento di entropia, sintetizzata, in altre parole, come "disordine", "caos". In qualsiasi fenomeno, la natura ha una direzione per la quale "preferisce" scegliere il maggior numero di stati possibili successivi allo stato iniziale. Se ne conclude che il processo inverso sia (non viene detto "impossibile", ma) altamente improbabile. L'esempio classico di questo concetto, è quello di un neonato al quale proviamo a mettere dei piccoli guanti alle mani: il neonato, dopo vari tentativi goffi e disordinati, aiutandosi con la bocca, o le braccia, i piedi, ecc. riuscirà comunque a togliersi i guanti dalle mani. Ma è altamente improbabile che egli riuscirà a ricalzarli di nuovo perfettamente, perché esiste un solo e unico modo ordinato per metterli: la natura si comporta esattamente come quel neonato. Sul finire del XIX secolo, il fisico Boltzmann studiò a fondo tali principi, soprattutto nel ramo della termodinamica, aprendo così la strada alla cosiddetta "fisica statistica": sulla tomba gli fu dedicata la formula dell'entropia (), sebbene questa fosse stata perfezionata da Planck.
All'inizio del XX secolo poi, il concetto di "freccia del tempo", il concetto filosofico di causalità (causa → effetto) e dello stesso "scorrere del tempo", all'epoca considerato immutabile, furono rivoluzionati dalla nascente teoria della relatività ristretta e dalla relatività generale di Albert Einstein. Il tempo non resta più una costante, un parametro fisso, immutabile e universale, così come concetto di fenomeno esperienziale, bensì una componente variabile. Un primo modello fu dato dalle teorie della relatività einsteiniane, che identificarono nei fenomeni una struttura quadridimensionale, dove non esiste più lo spazio in sé, e non più un tempo in sé, ma una dimensione plastica detta di spaziotempo. Risulta chiaro che, viste le grandezze in gioco, lo sviluppo di tali teorie avvenne in costante evoluzione con il progresso dell'astrofisica dell'epoca. Ci si rese conto che in natura esistono due sistemi dove lo spaziotempo è variabile: in un sistema di campi gravitazionali (ovvero la Teoria della Relatività generale) in un sistema cinematico di corpi a velocità differenti (ovvero la Teoria della Relatività ristretta)
Campi gravitazionali La relatività generale postula che lo spaziotempo si curva quando un corpo – o anche la luce stessa – attraversa un qualsiasi campo gravitazionale. Le osservazioni, eseguite soprattutto durante le eclissi solari del 1912 e 1919, scoprirono che anche la luce (o un qualsiasi flusso di onde elettromagnetiche), quando attraversa una massa (meglio quella il cui campo gravitazionale è particolarmente significativo) subisce una curvatura – e quindi una variazione – dello stesso spaziotempo, fenomeno successivamente battezzato col nome di "lente gravitazionale". Per capire meglio il concetto di tempo influenzato dalla gravità, dobbiamo raffigurarci lo spaziotempo, o "cronotopo", mutuando il termine dalla geometria, proprio come un telo uniforme disteso in tutto l'Universo, perfettamente elastico, ben tirato, ma tuttavia increspato, in un qualche punto, da alcune zone occupate da corpi celesti, in questo caso chiamati "gravi", perché dotati, appunto, di gravità. Ogni increspatura – o avvallamento – è detta "curvatura spaziotemporale", ed è influenzata proporzionalmente dal campo gravitazionale generato dal corpo stesso immerso in esso. Grazie a questo fenomeno della dilatazione temporale gravitazionale, il tempo quindi scorre a differenti velocità in regioni di diverso potenziale gravitazionale, ovvero più veloce se si trova lontano dal centro di gravità, più lentamente se si trova vicino. Sul nostro pianeta, dotato di una certa massa e di una certa gravità, il tempo scorre leggermente più veloce in alto, ad esempio in montagna, rispetto alla pianura, anche se questo, naturalmente, in modo del tutto impercettibile e trascurabile. Nell'ambito dell'astrofisica, dove troviamo spesso campi gravitazionali molto elevati, come in prossimità di un buco nero o di una stella di neutroni, la cosa si fa ancora più interessante. Se un ipotetico equipaggio di un viaggio interstellare riuscisse a recarsi in prossimità di tali masse enormi, il tempo scorrerebbe molto più lentamente rispetto a tutto il resto dell'Universo e quindi, una volta allontanatosi dal buco nero, esso si troverebbe, a tutti gli effetti, nel futuro. Il tempo tenderebbe addirittura a fermarsi, in taluni casi estremi, come, nel caso del buco nero, sul suo bordo, ovvero in prossimità dellorizzonte degli eventi. Non a caso, i buchi neri, che sono gli oggetti fisici dove sono massime sia la densità di materia, sia il campo gravitazionale, rientrano nella possibilità di creare dei "ponti" spaziotemporali. Questo ipotetico passaggio nello spaziotempo viene chiamato Ponte di Einstein-Rosen, o altrimenti detto wormhole, letteralmente "buco di verme": si tratta di ipotetiche "porte" spaziotemporali, collocate nel vuoto cosmico, chiamate metaforicamente così perché, proprio come un verme che scava dentro una mela, attraverseremmo la stessa mela dall'interno, ovvero percorrendo una "scorciatoia" spaziotemporale, piuttosto che prendere invece la strada convenzionale sull'esterno, ovvero sulla buccia.
Sistemi cinematici a velocità differenti
Quando la differenza di velocità di due sistemi cinematici, uno di riferimento e l'altro di misurazione risulta apprezzabile, allora anche lo spaziotempo (e quindi anche il tempo) tra i due sistemi risulterà diverso. Questo fenomeno venne chiamato dilatazione del tempo, ed è dimostrabile con la teoria della relatività ristretta di Einstein e le relative trasformazioni matematiche di Lorenz. Soltanto la velocità della luce nel vuoto rimane un parametro fisso, costante e invalicabile, e che viene chiamato c (= ), e questo in tutti i sistemi di riferimento. Quando la materia percorre delle velocità apprezzabilmente elevate, meglio quindi se vicine a quella della luce, poiché la funzione matematica è esponenziale (le formule matematiche ammettono che deve essere almeno il 10% di essa), il suo tempo subisce un rilevabile rallentamento rispetto all'altro sistema di riferimento, che si trova, ad esempio, in stato di quiete. In queste condizioni, essendo lo stesso spaziotempo a deformarsi, ne consegue che si ha anche un aumento della massa del corpo in movimento, con una conseguente riduzione del suo volume – ovvero dello spazio occupato, dando luogo a quello che, in fisica relativistica, è conosciuto come il "paradosso dell'auto" o "del garage".
Tipici esempi per comprendere la dilatazione del tempo, sono il paradosso dei gemelli, o l'esperimento mentale del treno di Einstein. Un esempio pratico per osservare in natura il limite della velocità della luce è il brillare che ci arriva da corpi celesti lontani, come stelle e pianeti, dove, in un certo senso, noi viaggiamo già nel passato; la luce della Luna è di un secondo fa, la luce del Sole che ci scalda è di circa 8 minuti fa, mentre la luce di Sirio è di circa 8 anni fa, e così via. Parimenti, ipotetici alieni lontani da noi vedrebbero la vita sul nostro pianeta Terra di migliaia di anni fa. Questo vale lo stesso, sebbene impercettibilmente, anche per piccole distanze: quando noi guardiamo un nostro interlocutore, la sua immagine, a causa della velocità della luce, risulta infatti quella di qualche milionesimo di miliardesimo di secondo fa.