Wormholes

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Wormholes
Nel presente articolo viene presentata quella che è
un po’ la storia dei wormhole, seguita da un
paragrafo sulla possibile fisica dietro lo Stargate.
Proseguendo l’avvicinamento al telefilm (ed alla
fantascienza) verrà poi descritta una possibile
“ricetta” per ottenere un cunicolo spazio-tempo.
Infine un importante chiarimento: perché sono
scorciatoie?
A Breve storia dei Wormhole
L’idea dell’esistenza di questi cunicoli spazio-temporali risale più o meno all’epoca
della relatività generale. Vediamo un po’ come ci si è arrivati, e per farlo dobbiamo
partire dalla nascita del concetto di “buco nero”.
Karl Schwartzschild fu il primo a capire che le equazioni della relatività generale di
Einstein prevedevano l’esistenza di buchi neri.
Il buco nero descritto da Schwartzschild era quella che in linguaggio scientifico viene
detta singolarità, un punto in corrispondenza del quale le leggi della fisica perdevano la
loro validità … tutto ciò per Einstein costituiva un problema: non gli piacevano questi
buchi nello spazio-tempo e non gli bastava che fossero “isolati” dal mondo circostante
mediante gli orizzonti degli eventi.
Nel 1935, Einstein ed il suo collaboratore, Nathen Rosen, pubblicarono un saggio in cui
tentavano di dimostrare che le singolarità trovate da Schwartzschild non esistevano: i due
scienziati riscrissero la soluzione di Karl Schwartzschild, in modo che non contenesse
singolarità spazio-temporali…tuttavia avevano appena posto le basi teoriche di qualcosa
di, se possibile, più strano dei buchi neri: i ponti di Einstein-Rosen. Essi univano un
punto del nostro spazio-tempo con un punto dello spazio-tempo di un universo parallelo.
Nel 1955 John Wheeler, uno dei più grandi fisici teorici del XX secolo (è sua
l’espressione “buco nero”), pubblicò un saggio in cui dimostrava che il cunicolo poteva
anche fare una “curva” e tornare verso il nostro universo, collegando così due punti
spazio-tempo del nostro universo: prendete la tazza con cui fate colazione la mattina ed
immaginate che la sia il nostro universo: il cunicolo allora sarebbe il manico. Come il
manico è esterno alla tazza vera e propria, così il cunicolo spazio-temporale è esterno al
nostro universo, anche se in un modo più complicato. Ciò è spiegato meglio nell’ultimo
paragrafo.
Rimane però un problema non accantonabile: la porta di ingresso e quella di uscita
sarebbero comunque dei buchi neri, ed essi non lasciano uscire niente, neanche la luce,
una volta che abbiamo oltrepassato il loro orizzonte degli eventi.
Nel 1963 il matematico neozelandese Roy Kerr scoprì che le equazioni di Einstein
presupponevano l’esistenza di un genere completamente nuovo di buchi neri: i cosiddetti
buchi neri rotanti. Si scoprì che questa soluzione era valida per qualsiasi stella rotante
collassata in un buco nero e che – dato che tutte le stelle ruotano intorno al proprio asse a
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diverse velocità – questa era la soluzione più realistica per i buchi neri. L’aspetto più
interessante è però questo: la singolarità al centro del buco nero non è più un punto di
dimensioni zero, come nel caso dei buchi neri di Schwartzschild, ma prende la forma di
un anello. La materia è su questo anello di spessore pressoché nullo, e quindi di densità
pressoché infinita. La zona in mezzo è solo spazio vuoto: quindi se l’anello fosse
abbastanza largo da permettere il passaggio di qualche oggetto o, la fantasia corre
inevitabilmente, di qualche astronave?
Concludiamo dicendo che le teorie finora partono da leggi e modelli matematici ben
precisi e coerenti, tuttavia la difficoltà o, in alcuni casi, l’impossibilità della verifica
sperimentale di tali teorie lascia lo spazio a diverse interpretazioni degli stessi concetti
matematici: ciò vuol dire, in breve, che finché non riusciremo a provare con un
esperimento l’esistenza, o la non esistenza, dei nostri sperati wormhole, bisogna tenere in
eguale considerazione sia le interpretazioni a favore che quelle contro.
Non arrendetevi comunque: a volte sono proprio le teorie contro che poi attestano e
verificano quelle pro...un esempio potrebbe essere il famoso esperimento di Michelson e
Morley, nel 1879 (anno di nascita di Einstein, che molto dedusse da questo esperimento):
voleva dimostrare l’esistenza dell’etere ed alla fine ha dimostrato...che non esisteva!
Ma forse è meglio lasciare spiegare lo stesso concetto a chi ne sa infinitamente più di
me.
Citiamo un breve passaggio tratto dal libro di Matt Visser intitolato Lorentzian
Wormholes: from Einstein to Hawking.
“Sebbene la fisica dei Wormholes sia di natura speculativa, le teorie fisiche
fondamentali su cui si basa – la relatività generale e la meccanica quantistica – sono
ormai ampiamente sperimentate e generalmente riconosciute come valide. Anche se ci
ritrovassimo con le spalle al muro, circondati da contraddizioni disastrose ed eventi
imponderabili, la speranza è che perlomeno si tratti di un disastro interessante e
costruttivo”
A La “possibile” fisica dietro lo Stargate
Partiamo dal primo episodio, “Children of Gods” [I figli degli Dei].
Samantha Carter, avvicinandosi per la prima volta allo Stargate in funzione esclama:
“My God! Look at this!
The energy the gate must release to create a stable wormhole! It’s...astronomical, to use exactly
the right word!
You can actually see the fluctuations in the event horizon!”
[“Mio Dio! Guarda qui!
Pensa a quanta energia lo Stargate deve fornire per creare e rendere stabile il wormhole! E’
astronomica, nel vero senso della parola!
Si possono vedere al vero le fluttuazioni (quantistiche) dell’orizzonte degli eventi!]
Che diavolo significa tutto questo? Nel precedente paragrafo abbiamo visto come, pur
chiudendo due occhi su tutte le difficoltà che dovrebbe comportare la creazione di un
wormhole, resterebbe comunque la difficoltà dell’instabilità. Cioè ammesso e non
concesso che si riuscisse a crearne uno, il cunicolo spazio-temporale durerebbe talmente
poco che non sarebbe di nessuna utilità.
Quello che si vede nel telefilm è un wormhole stabile, costantemente aperto, privo di
orizzonte degli eventi alle estremità in modo da permettere il viaggio nei due sensi, privo
di singolarità e sgradevoli forze di marea che ucciderebbero qualunque viaggiatore.
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(In realtà nel telefilm lo SW (Stargate Wormhole) è stabile per un tempo molto lungo
(38 minuti) e attraversabile dalla materia in un solo verso, e dalle onde elettromagnetiche
in entrambi i versi).
Un wormhole con le stesse caratteristiche era quello presentato da Carl Sagan per il suo
libro (da cui è stato tratto un film) “Contact”, dove una civiltà aliena molto più progredita
di noi mandava agli uomini i piani per costruire una “macchina” in grado di creare un
wormhole, per entrare in contatto con questa civiltà.
Carl Sagan volle che il suo racconto fosse scientificamente plausibile, e si rivolse a Kip
Thorne, del gruppo di Astrofisica Teorica presso il CalTech (Californian Institute of
Technology). Thorne è uno dei massimi esperti di relatività generale al mondo, e cercò
una soluzione compatibile con la fisica che assomigliasse al cunicolo desiderato nel
racconto. Ebbene, con sua grande sorpresa ci riuscì.
Date le sue caratteristiche questo tipo di wormhole fu battezzato “Wormhole
attraversabile”.
Non ha origine da singolarità, ma viene, per così dire, costruito (non disponiamo
naturalmente dei mezzi e delle energie tali da poterne costruire uno, e forse non ce li
avremo mai).
A Ricetta per costruire un Wormhole
Prendete un wormhole quantistico, elemento normale nel paesaggio della schiuma
quantistica...per ora fidatevi, per chi è interessato veda l’articolo sulla fisica quantistica.
Quella a cui ci riferiamo è una scala di grandezza subatomica.
Noi “pompando” in questo wormhole quantità “astronomiche”, come dice Samantha
Carter, di energia dovremmo riuscire a ingrandirlo fino a dimensioni per noi utili.
Sicuramente e giustamente siete scettici a riguardo.
In realtà il concetto è meno aleatorio di quel che si crede. Una teoria possibile per
spiegare l’origine dell’universo è quella che mette in gioco una “fluttuazione quantistica”
di un nulla primordiale che subisce un periodo detto “di inflazione”, e cioè di rapida
espansione: le irregolarità che osserviamo noi nell’universo non sarebbero altro che le
irregolarità a livello di schiuma quantistica superingrandite. Se riuscissimo a
comprendere ed imbrigliare questo processo di inflazione, e cioè applicarlo ad un
wormhole della schiuma quantistica, potremmo ingrandirlo a nostro piacimento.
Quindi lo Stargate sarebbe una specie di “collettore di energia” in grado di sfruttare le
fluttuazioni quantistiche presenti e di cedere ad una fluttuazione tipo wormhole energia
sufficiente ad ingrandirla fino alla dimensione del “gate”. E’ in grado anche di continuare
a fornire energia al wormhole per stabilizzarlo e quindi tenerlo aperto.
A Perché è una scorciatoia?
Un concetto piuttosto difficile da afferrare è il perché il cunicolo costituirebbe una
scorciatoia.
Affidiamoci ancora alla nostra astrofisica teorica preferita (dall’episodio “A matter of
time”, 2x15) che cerca di spiegare cos’e’ un wormhole a Jack:
“Imagine the galaxy is an apple. We burrow our way through the apple like a worm,...crossing
from one side to the other, instead of going around the outside”
“Ok”
“Now, the diameter of the apple is just a 2D representation of space-time”
“Well, the hole isn’t really a hole, per se, ...but an interdimensional conduit...”
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[“Immagina che la galassia sia una mela. Noi scaviamo il nostro percorso attraverso la mela
come fa un verme,...andando diretti da una superficie all’altra, invece di fare il giro percorrendo la
superficie”
“Ok”
“Beh, in realtà il diametro della mela è solo una rappresentazione 2D dello spazio tempo”
“In realtà il buco non è proprio un buco...ma un condotto interdimensionale...”]
Il trucco sta nel fatto che il cunicolo si trova in una dimensione diversa dalle nostre tre
spaziali ed una temporale, per questo a volte lo si chiama “iperspazio” (parolone che
significa semplicemente spazio con un numero di dimensioni maggiore del nostro). Cosa
vuol dire questo?
Prendiamo l’esempio di Sam.
Il nostro universo come noi lo conosciamo è costituito da 3 dimensioni spaziali ed una
temporale. Lasciando da parte momentaneamente la dimensione temporale, togliamo
anche una dimensione spaziale, per semplificare il discorso. Abbiamo così un universo
2D, che nell’esempio è la buccia della mela (N.B. Solo la buccia, non la polpa! Se no non
sarebbe 2D): ci possiamo muovere solo “strisciando” sulla buccia della mela, senza mai
staccarci da essa.
Quindi, quando diciamo che scaviamo un condotto nella mela, sfruttiamo un’altra
dimensione, la terza, ed attraverso essa possiamo costruire, come il verme della mela, una
scorciatoia. Il problema è avere qualcosa che riesca a trovare e scavare questo tunnel!
Essendo, nell’universo 2D, anche noi 2D, in realtà non possiamo accedere alla terza
dimensione, come nel mondo reale non siamo capaci di accedere alla quarta dimensione
spaziale (ammesso che esista).
Ma prendiamo un altro esempio, due sono sempre meglio di uno: se avete capito potete
saltare alle conclusioni.
Pensate alla gola di un canyon, e pensate che il mondo sia bidimensionale (2D), e sia
costituito solo dalla superficie del terreno: praticamente ci possiamo muovere solo e
soltanto “strisciando” sul terreno. Come arrivare dall’altra parte della gola? Arriviamo al
ciglio, percorriamo tutta la parete in “discesa” (in realtà il nostro concetto di alto e basso
non avrebbe senso in un mondo 2D, essendoci solo l’andare avanti, indietro, a destra o a
sinistra), percorriamo il fondo, percorriamo il tratto in “salita” e finalmente ci troviamo
dall’altra parte.
Cosa si fa invece nel mondo 3D? Si costruisce un ponte che va da un ciglio all’altro,
risparmiando un sacco di strada, e questo ponte sfrutta la terza dimensione, perché si
“stacca” dal terreno e quindi si “stacca” dal mondo 2D di prima.
Adesso che sappiamo il trucco il gioco è fatto: nel nostro mondo 3D+1 (3 dimensioni
temporali più una, particolare, temporale) ci servirebbe una quarta dimensione spaziale,
nella quale facciamo passare il nostro wormhole. Abbiamo nel nostro mondo 3D
l’altezza, la larghezza e la profondità. Coniando un nuovo termine, se chiamiamo
“quadrezza” la lunghezza relativa alla quarta dimensione spaziale, allora il nostro
wormhole potrebbe essere “quadro” (lungo) solo qualche metro, ma collegare due punti
distanti, nel mondo 3D, anni luce.
A Per approfondire
Buchi neri, wormholes e macchine del tempo
Jim Al-Khalili
Edizioni Dedalo
Energia negativa: la sfida della fisica
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Le Scienze, Marzo 2000, pp.38-45
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