Alla fine del 2020, il fisico Harold “Sonny” White, PhD, direttore della ricerca del Limitless Space Institute, ha notato qualcosa di particolare – e familiare – in uno schema circolare di grafici di dati generati da un recente esperimento.
White e il suo team nel laboratorio LSI di Houston stavano conducendo ricerche per la Defense Advanced Research Projects Agency, o DARPA, e avevano organizzato questi particolari esperimenti per studiare le densità di energia all’interno delle cavità di Casimir, i misteriosi spazi vuoti tra microscopiche lastre di metallo nel vuoto.
Il grafico dei dati indicava la presenza di aree di energia ridotta tra le lastre, che le facevano spingere l’una verso l’altra come se cercassero di riempire il vuoto. Questo è noto come densità di energia del vuoto negativo, un fenomeno nella meccanica quantistica chiamato, abbastanza appropriatamente, effetto Casimir. È qualcosa che sta aiutando gli scienziati a comprendere la fisica misteriosa delle strutture in microscala, che alcuni ricercatori sperano possa essere applicata ad applicazioni energetiche più pratiche, come circuiti e sistemi elettromeccanici.
White ha notato che lo schema dell’energia negativa del vuoto tra le lastre e attorno a minuscole colonne cilindriche che avevano inserito nello spazio sembrava familiare. Riecheggiava precisamente il modello energetico generato da un tipo di materia esotica che secondo alcuni fisici potrebbe sbloccare i viaggi interstellari ad alta velocità. “Abbiamo quindi esaminato, matematicamente, cosa succede se mettiamo una sfera di un micron all’interno di un cilindro di quattro micron nelle stesse condizioni, e abbiamo scoperto che questo tipo di struttura potrebbe generare una piccola bolla di curvatura su scala nanometrica che incapsula quella regione centrale“, ha spiegato White.
Insomma, una bolla di curvatura. La componente essenziale di un motore a curvatura finora immaginario che è da decenni l’ossessione di fisici, ingegneri e appassionati di fantascienza. Il motore a curvatura, ovviamente, è roba legata a Star Trek, un dispositivo racchiuso in un’astronave che offre ai mortali a bordo la capacità di sfrecciare nel cosmo a velocità sovrumane. Per il fan della fantascienza laico, è una “scatola nera”, una comoda soluzione completamente inventata per evitare la dura realtà dei viaggi interstellari. Tuttavia, dopo decenni di speculazioni, ricerche e sperimentazioni, gli scienziati ritengono che un motore a curvatura potrebbe effettivamente funzionare.
Specifichiamo: White non ha creato una bolla di curvatura. Ma i dati del suo studio hanno portato a ritenere per la prima volta che una bolla di curvatura costruibile ha mostrato una promessa di successo.
Motore a curvatura
“Ho proposto una ‘geometria’ per lo spazio che consentirebbe viaggi più veloci della luce, essenzialmente espandendo lo spazio dietro l’oggetto che vogliamo spostare e contraendolo davanti“, dice Alcubierre. “Questo forma una ‘bolla’ di spazio distorto, all’interno del quale potrebbe risiedere un oggetto, ad esempio un’astronave“.
I fisici tendono a parlare in termini relativi. L’effetto di curvatura accorcia semplicemente la distanza letterale tra due punti. A rigor di termini, non ti muovi più veloce della luce. All’interno della bolla, tutto appare relativamente normale e la luce si muove più velocemente di te, come dovrebbe.
La proposta di Alcubierre aveva risolto uno degli ostacoli iniziali al raggiungimento della velocità di curvatura: l’idea stessa si scontra con la teoria della relatività generale da lungo tempo accettata, la quale afferma che nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce, ma non preclude allo spazio stesso di viaggiare più veloce di così. Infatti, gli scienziati ipotizzano che gli stessi principi spieghino la rapida espansione dell’universo dopo il Big Bang.
Pur concludendo che la velocità di curvatura era effettivamente possibile, Alcubierre scoprì anche che sarebbe stata necessaria un’enorme quantità di energia per sostenere la bolla di curvatura e teorizzò che l’energia negativa – la roba suggerita dalla sperimentazione di White con le cavità di Casimir – potrebbe essere una soluzione. L’unico problema è che nessuno ha ancora dimostrato che l’energia negativa esiste. È l’unobtanium della nostra immaginazione spaziale, qualcosa che i ricercatori credono che esista ma non hanno prove in proposito. In teoria, tuttavia, questa energia sconosciuta potrebbe essere sufficientemente potente da consentire ai futuri progettisti di motori a curvatura di incanalarla per contrarre lo spaziotempo attorno ad essa. Nei disegni concettuali di veicoli spaziali con capacità di curvatura, enormi anelli di materiale contenenti questa fonte di energia circondano una fusoliera centrale. Quando attivato, il motore a curvatura deforma lo spaziotempo attorno all’intera nave. Più intensa è la deformazione, più lo spazio si piega, più è breve il percorso. Non è importante la velocità, quello che conta è quanto si piega lo spazio per accorciare la distanza della propria meta.
Certo, non è così semplice. Il fisico José Natário, PhD, professore all’Instituto Superior Técnico di Lisbona, ha scritto un influente articolo sulla fattibilità matematica dei motori a curvatura nel 2001. Tuttavia, è preoccupato per gli enigmi pratici, come la quantità di energia richiesta. “Devi essere in grado di curvare parecchio lo spaziotempo per fare questo“, dice. “Stiamo parlando di qualcosa che sarebbe molto, molto più potente del Sole“.
Alcubierre è altrettanto scettico sul fatto che le sue idee teoriche possano mai essere utilizzate per sviluppare un motore a curvatura funzionante. “Per avere una bolla larga circa 100 metri che viaggia esattamente alla velocità della luce, occorrerebbe convertire circa 100 volte la massa del pianeta Giove in energia negativa, il che ovviamente suona assurdo“, dice. Con questo standard, conclude, un motore a curvatura è molto improbabile.
Tale ricerca non è in genere finanziata da istituzioni accademiche o da agenzie come DARPA e NASA, quindi gran parte di questo lavoro avviene nel tempo libero degli scienziati. Uno di questi scienziati e appassionato di Star Trek è il fisico Erik Lentz, PhD. Ora ricercatore presso il Pacific Northwest National Laboratory di Richland, Washington. Lentz stava svolgendo un lavoro post-dottorato presso l’Università di Göttingen in Germania quando, durante i primi giorni in isolamento a causa della pandemia, ha rimuginato sull’idea di viaggiare più veloci della luce. Ha pubblicato un articolo nel 2021 sostenendo che i motori a curvatura potrebbero essere generati utilizzando fonti di energia positiva invece dell’energia negativa che il motore a curvatura di Alcubierre sembra richiedere.
“Ci sono una serie di barriere all’ingresso per poter effettivamente costruire un motore a curvatura“, afferma Lentz. “L’energia negativa era la più ovvia, quindi ho cercato di abbattere quella barriera“.
Ha esplorato una nuova classe di soluzioni nella relatività generale di Einstein mentre si concentrava su qualcosa chiamato condizione di energia debole, che, spiega, tiene traccia della positività dell’energia nello spaziotempo. Ha trovato una “soluzione solitone” – un’onda che mantiene la sua forma e si muove a una velocità costante – che potrebbe sia soddisfare la sfida a livello di energia sia viaggiare più velocemente della luce. Una tale bolla di curvatura potrebbe viaggiare utilizzando fonti di energia conosciute, anche se sfruttarle ai livelli necessari è ancora molto al di là delle nostre capacità. Il passo successivo, osserva, potrebbe essere quello di portare il fabbisogno energetico di un motore a curvatura entro la portata di un reattore a fusione nucleare.
Un dispositivo alimentato a fusione potrebbe teoricamente viaggiare da e verso Proxima Centauri , la stella più vicina alla Terra, in anni anziché decenni o millenni, e si potrà andare sempre più veloce man mano che le fonti di energia miglioreranno. L’attuale tecnologia missilistica convenzionale, d’altra parte, impiegherebbe 50.000 anni per un viaggio di sola andata, supponendo, ovviamente, che ci fosse una fornitura illimitata di carburante per quei motori.
Come la tesi originale di Alcubierre, l’articolo di Lentz ha avuto un impatto sismico sulla comunità dei motori a curvatura, spingendo un altro gruppo di scienziati a scavare nella sfida.
Il fisico Alexey Bobrick e l’imprenditore tecnologico Gianni Martire sono stati particolarmente prolifici. Nel 2021, hanno pubblicato un documento in cui teorizzava che una classe di propulsori di curvatura subliminali, che viaggiano a solo una frazione della velocità della luce, potrebbe essere sviluppata dall’attuale comprensione scientifica.
Sebbene quel documento sostenesse essenzialmente che è perfettamente accettabile camminare prima di poter correre, all’inizio di quest’anno hanno seguito un’altra teoria che descrive come un buco nero simulato, creato utilizzando onde sonore e glicerina e testato con un raggio laser, potrebbe essere utilizzato per valutare i livelli di forza gravitazionale necessari per deformare lo spaziotempo. I due hanno codificato quella svolta in un’app pubblica che sperano possa aiutare a trasferire più rapidamente le idee teoriche a quelle pratiche.
Sebbene il team stia aspettando che la tecnologia superi una fase di revisione tra pari prima di rilasciare i dettagli, l’app è essenzialmente un simulatore che consente agli scienziati di inserire le loro equazioni della velocità di curvatura per verificare se sono pratiche.
“Quando qualcuno pubblica una metrica di curvatura per la prima volta, la gente dice: ‘Okay, la tua metrica è fisica?’“, dice Martire. La risposta a questa domanda – se la metrica ha un potenziale pratico o è strettamente teorica – è difficile da stabilire date le difficoltà di testare queste ipotesi. Tale determinazione potrebbe richiedere da sei a otto mesi. “Ora possiamo dirtelo in pochi secondi e ti mostra visivamente quanto sei fuori o quanto sei vicino“, dice.
Sebbene utile, l’app velocizzerà la matematica preliminare solo per i futuri ricercatori. Le sfide delle dimensioni di una galassia rimangono prima che sperimentiamo viaggi interstellari turbocompressi. Alcubierre si preoccupa in particolare di ciò che potrebbe accadere vicino alle pareti della bolla di curvatura. La distorsione dello spazio è così violenta lì, osserva, che distruggerebbe qualsiasi cosa si avvicini. “Se ti scontri con qualcosa sul tuo cammino, sarebbe quasi certamente catastrofico“, dice.
Natário riflette su questioni ancora più pratiche, come sterzare e fermarsi. “È una bolla di spazio, che stai spingendo attraverso lo spazio“, dice. “Quindi, dovresti dire allo spazio… di curvare davanti alla tua astronave” Ma qui sta il problema: non puoi segnalare allo spazio di fronte a te di comportarsi nel modo desiderato.
La sua opinione? Il viaggio superluminale è impossibile. “Hai bisogno di queste enormi deformazioni che non abbiamo idea di come realizzare“, dice Natário. “Quindi sì, ci sono stati molti sforzi per questo e per studiare queste strane soluzioni, ma tutto questo è ancora completamente teorico, astratto e molto, molto, molto, molto lontano dall’avvicinarsi a un motore a curvatura pratico“.
In definitiva, la ricerca di un trasporto interstellare ad alta velocità praticabile indica anche una sfida terrestre più urgente: in primo luogo come la comunità scientifica affronta le sfide a lunghissimo termine. La maggior parte della ricerca finora è venuta da auto-iniziatori senza finanziamenti diretti, o da scoperte fortuite fatte durante l’esplorazione di ricerche spesso non correlate, come il lavoro del Dr. White sulle cavità di Casimir.
Molti scienziati sostengono che siamo in un periodo pluridecennale di stagnazione nella ricerca fisica e il motore a curvatura, nonostante i suoi epici orizzonti temporali prima che la ricerca iniziale porti ad avventure che attraversano la galassia, è in qualche modo emblematico di quella stagnazione. Sabine Hossenfelder, ricercatrice presso l’Istituto di studi avanzati di Francoforte e creatrice del canale YouTube Science Without the Gobbledygook , ha notato in un post sul blog del 2020 che la ricerca fisica si è spostata dalla sperimentazione fisica frequente e persistente a esorbitanti infusioni di denaro in relativamente pochi dispositivi. Scrive che con meno esperimenti, le scoperte fortuite diventano sempre più improbabili. Senza queste scoperte, il progresso tecnologico necessario per mantenere economicamente sostenibili gli esperimenti non si materializzerà mai.
Quando gli viene chiesto se questo vale anche per la propulsione a curvatura, Hossenfelder vede una connessione debole ma plausibile. “I motori a curvatura sono un’idea che non porterà ad applicazioni nei prossimi 1.000 anni circa“, afferma. “Quindi non giocano un ruolo importante in un modo o nell’altro. Ma quando si tratta di finanziamenti, si notano alcune sovrapposizioni nei problemi“.
Quindi, nonostante tutti i progressi, l’orizzonte di un motore a curvatura rimane dolorosamente remoto. Tuttavia, ciò non turba gli scienziati coinvolti. Alcuni anni fa, mentre insegnava in Francia, White ha visitato la cattedrale di Strasburgo con sua moglie. Mentre ammirava la sua guglia, fu colpito dal fatto che la costruzione iniziò nel 1015 ma non terminò fino al 1439, un arco di 424 anni. Coloro che hanno costruito il seminterrato non hanno avuto la possibilità di vedere il prodotto finito, ma sapevano che dovevano fare la loro parte per aiutare le generazioni future. “Non ho una sfera di cristallo“, dice White. “Non so cosa riserva il futuro. Ma so cosa devo fare in questo momento”.
