Al momento non è dato sapere con certezza se i wormhole, questi fantomatici cunicoli spazio-temporali, esistano realmente. In teoria, però, essi possono fornire una visione cruciale del nostro universo.

I wormhole sono stati resi famosi dalla cinematografia e dalla letteratura sci-fi. Non a caso, gli eroi della fantascienza hanno un talento per sfuggire al pericolo in alcuni modi che sfidano la scienza, come saltare i parsec usando un motore a curvatura o teletrasportarsi fuori da una situazione difficile.

Ma un segno distintivo della tradizione fantascientifica, che ha evocato momenti toccanti in film come Interstellar, potrebbe in realtà essere una realtà scientifica.

La ricerca sui wormhole

I wormhole potrebbero esistere. Secondo una nuova ricerca pubblicata la scorsa settimana sulla rivista Physical Review D, gli scienziati affermano che i wormhole potrebbero trovarsi in bella vista dall’altra parte dei buchi neri, come al centro delle nostre galassie, incluso il nostro Sagittarius A*. Utilizzando simulazioni di modelli, il team di ricerca bulgaro ha determinato che gli spettri di luce polarizzata dei wormhole e dei buchi neri (la luce emessa da questi oggetti cosmici) sono quasi indistinguibili l’uno dall’altro.

Ciò significa che un dato buco nero può essere l’apertura di un portale spaziotemporale, almeno in teoria. Il problema è che, anche se i wormhole in teoria potrebbero esistere, non significa che siano come li immaginiamo noi, come ha spiegato Brianna Grado-White, una borsista post-dottorato presso la Brandeis University la cui ricerca include gravità quantistica e wormhole, in una email a Popular Mechanics. Questa cosa, però, non è necessariamente una negativa.

Grado-White: “Abbiamo acquisito conoscenze teoriche e pratiche“

Grado-White, che non è stata coinvolta nel nuovo lavoro ha tuttavia, spiegato: “Solo perché non abbiamo utilizzato i wormhole per costruire una macchina del tempo non significa che non abbiamo… acquisito [ndr] conoscenze teoriche e pratiche significative attraverso il loro studio”.

Varietà di cunicoli

Quando gli scienziati parlano di wormhole, in genere discutono di due varietà principali, spiega Grado-White: un wormhole attraversabile (noto anche come ponte di Einstein-Rosen) e uno spaziotempo o replica di wormhole. L’ex wormhole è probabilmente il più popolare.

Albert Einstein e il suo collega Nathan Rosen lo proposero per la prima volta nel 1935 come soluzione alle equazioni al centro della teoria della relatività generale di Einstein. In questa comprensione di un wormhole, un buco nero funziona come l’apertura di un passaggio che si collega a un buco “bianco” inverso in un’altra parte dello spazio come uscita. Similmente a come un buco nero che consuma tutto sul suo cammino, un buco bianco, un costrutto puramente teorico, invece, espellerebbe materia. A collegare questi due punti c’è il ponte Einstein-Rosen.

Solo un prodotto della fantasia?

“Questi sono i tunnel attraverso lo spaziotempo che sono spesso al centro della fantasia degli appassionati di fantascienza”, dice Grado-White. “All’incirca, se attraversabili, questi wormhole permetterebbero a qualcuno di saltarci dentro e arrivare dall’altra parte, in qualche parte diversa dell’universo, potenzialmente illeso”.

Tuttavia, mantenere il tunnel aperto in modo che sia teoricamente possibile attraversarlo è più facile a dirsi che a farsi. Per effetto della gravità, questi ponti tendono naturalmente a crollare su se stessi e distruggerebbero qualsiasi viaggiatore all’interno.

Per molti anni, gli scienziati hanno creduto che l’unico modo per mantenerli aperti fosse usare qualcosa chiamato “materia esotica ” per lavorare contro la forza di gravità.

Un modo possibile per creare questa forza resistente è usare “stringhe cosmiche”, spiega Gerald Cleaver, professore di fisica e capo del gruppo di teoria delle stringhe e cosmologia dell’universo primordiale alla Baylor University, tramite una mail inviata al portale Popular Mechanics. “

I wormhole possono esistere nell’universo se stringhe cosmiche di densità o pressione di energia negativa sono state generate nell’universo primordiale vicino al Big Bang “, dice Cleaver, aggiungendo: “Ad esempio, i wormhole attraversabili lorentziani che io e i miei studenti studiamo sono definiti come quelli che teoricamente consentirebbero viaggi rapidi (meno di un anno) in entrambe le direzioni da una parte all’altra dell’universo… da un universo all’altro”.

All’interno degli universi fantascientifici viaggiare nel tempo non è molto più difficile che guidare in mezzo al traffico caotico di una grande città. I protagonisti possono decidere di muoversi a loro piacimento, in quanto nessuna legge della fisica impedisce loro di raggiungere la destinazione in qualsiasi luogo essa sia.

Nella vita di tutti i giorni, viaggiare nel tempo non è così semplice. In effetti, è probabilmente impossibile realizzare un qualche tipo di dispositivo come in “Ritorno al futuro” che permetta all’inventore di muoversi a suo piacimento lungo linee temporali percorrendole avanti e indietro, saltando da un’epoca all’altra.

Tuttavia, il viaggio nel tempo non è vietato dalle leggi della fisica.

Nella teoria di Albert Einstein, la relatività generale, spazio e tempo si fondono in una nuova entità dinamica chiamata “spaziotempo“, che consente la possibilità di percorsi che potrebbero piegarsi verso il passato e riportarci nel futuro.

Questi percorsi, noti come curve a tempo chiuso, sono un po’ come dei grandi cerchi intorno alla superficie della Terra. Percorrendoli in una direzione e andando dritti, alla fine si ritorna al punto di partenza. In quel caso la curvatura della Terra ci riporta al punto precedente nello spazio; con curve temporali chiuse, la geometria dello spaziotempo ci riporterebbe a un momento precedente alla partenza.

Pur sembrando possibili, i cicli temporali della relatività generale non sarebbero pratici per viaggiare nel tempo. Tuttavia, l’esistenza di questi cicli è legata all’universo stesso che, come ha dimostrato Kurt Godel negli anni ’40 dovrebbe ruotare e non espandersi.
Proprio per questo, però, i viaggi nel tempo sembrano non essere possibili, sembrerebbe infatti che l’universo si stia espandendo ma senza ruotare.

Se questi cicli esistessero servirebbe qualcosa per percorrerli, una macchina capace di spostarsi a velocità prossime a quella della luce. In pratica oggi, non disponendo di un mezzo del genere, non possiamo spostarci nel tempo.

Tuttavia, in linea di principio, la sola possibilità di viaggiare nel tempo, avrebbe importanti implicazioni per la fisica di base dell’universo e potrebbero valere la pena di investigare approfonditamente la questione. I cicli del tempo potrebbero non permetterci di attraversare il cosmo come raccontato nei film e nei libri di fantascienza ma forse potrebbero aiutarci a capire il cosmo ed o suoi tanti misteri ancora insoluti.

Per risolvere i grandi misteri della fisica, della nascita e dell’evoluzione dell’universo, le teorie oggi a disposizione sembrano non essere sufficienti. La relatività generale di Einstein è una teoria che spiega un grande numero di eventi, ma indubbiamente non è in grado di sondare i lidi più estremi della fisica.

La relatività inizia a scricchiolare? Forse. La maggior parte delle previsioni derivate dalla relatività sono state confermate ed è indubbio che che la relatività ci spiega molto bene il funzionamento dell’universo a livello macroscopico, eppure è sempre più evidente che sarà difficilissimo, se non impossibile, renderla davvero compatibile con la meccanica quantistica, che governa il mondo dell’infinitamente piccolo, e visto che l’universo è comunque composto da “cose” infinitamente piccole, in qualche modo lo governa tutto.

La combinazione della relatività con la meccanica quantistica potrebbe consentire i viaggi nel tempo, ma serve qualcosa che le combini in maniera efficace, un qualcosa che non c’è ancora.

Sono state proposte diverse teorie per fondere la relatività generale e la meccanica quantistica in una teoria unificata. Secondo il filosofo Christian Wüthrich dell’Università di Ginevra, il viaggio nel tempo potrebbe essere possibile se una nuova teoria potesse in qualche modo includere l’equivalente dei cicli temporali della relatività generale.

“Sebbene la teoria fondamentale rimarrebbe incompatibile con il viaggio nel tempo, tollererebbe la possibilità di viaggiare nel tempo su un’altra scala, meno fondamentale” scrive Wüthrich in un suo articolo pubblicato online a giugno. “A seconda di quale possa essere la relazione tra la teoria fondamentale e lo spaziotempo emergente, potremmo scoprire che la struttura emergente e macroscopica dello spaziotempo consente il viaggio nel tempo“.

Tuttavia, rivedere le principali proposte di teorie della gravità quantistica non fornisce molta speranza. Un approccio, noto come teoria degli insiemi causali, richiede che gli insiemi di eventi siano ordinati in una corretta relazione causa-effetto. Quindi la sua idea centrale sembra escludere curve simili a quelle dei cicli temporali.

Un altro approccio, noto come gravità quantistica ad anello, prevede che lo spazio sia costruito con anelli fondamentali chiamati “atomi di spazio“. Questa visione, però, ha incontrato difficoltà tecniche. “Pertanto, sembriamo di fronte a una struttura temporalmente innocua in cui non è consentito alcun senso significativo del viaggio nel tempo“, scrive Wüthrich.

“È possibile che le reti di questi atomi di spazio possano produrre spaziotempo di alto livello che incorpora curve chiuse simili al tempo ciclico. Ma l’analisi dei dettagli, in questa fase dello sviluppo della gravità quantistica ad anello, non offre molte ragioni di ottimismo”, conclude Wüthrich.

Il futuro del viaggio nel tempo potrebbe apparire un po’ più chiaro se l’approccio corretto alla gravità quantistica risulterà essere la teoria delle stringhe.

Nella teoria delle stringhe, le particelle di base della materia sono piccole cordicelle di energia vibranti chiamati “stringhe” estese in una sola dimensione.

Sono state costruite diverse versioni della teoria delle stringhe, suggerendo che potrebbero esistere manifestazioni diverse di una teoria principale più fondamentale chiamata teoria M.

“Poiché la teoria M non esiste ancora, è impossibile determinare il suo verdetto sui viaggi nel tempo“, scrive Wüthrich. Ma le indagini su vari scenari della teoria delle stringhe fanno pensare che la teoria definitiva dovrebbe poter includerebbe curve chiuse simili ai cicli del tempo.

Anche se questi cicli del tempo fossero inclusi nella teoria fondamentale, non è detto che vengano conservati nello spazio-tempo su una scala rilevante nella vita reale. “Del resto“, sottolinea Wüthrich, “prevedere che l’esistenza di circuiti di viaggio nel tempo potrebbe essere presa come prova contro la teoria, considerando la seria probabilità che il viaggio nel tempo non sia affatto possibile“.

Non sappiamo se i cicli temporali della relatività generale si preserveranno in una teoria più profonda e come afferma Wüthrich:”Una teoria più fondamentale potrebbe ammettere strutture pari a curve del tempo chiuse e quindi consentire viaggi nel tempo. Questa, chiaramente, rimane un’opzione nella fase attuale della conoscenza“.

In ogni caso, indagare se le teorie della gravità quantistica conservano la possibilità del viaggio nel tempo della relatività generale può fare luce su molte domande difficili alle quali bisogna rispondere per sviluppare una teoria vincente e capire come si relaziona con la relatività generale.

Una nuova mappa interattiva mostra l’universo con ben 200.000 galassie. La simulazione rende disponibile l’estensione dell’intero cosmo conosciuto con precisione millimetrica e bellezza travolgente.

Creata dagli astronomi della Johns Hopkins University con dati estratti nel corso di due decenni dallo Sloan Digital Sky Survey, la mappa consente al pubblico di sperimentare dati precedentemente accessibili solo agli scienziati.

Il professor Brice Menard della John Hopkins ha affermato tramite alcune dichiarazioni rilasciate da Phys.org: “Crescendo sono stato molto ispirato da immagini astronomiche, stelle, nebulose e galassie, e ora è il nostro momento di creare un nuovo tipo di immagine per ispirare le persone“.

Ricreare l’universo in tutta la sua realtà

Ménard ha aggiunto: “Gli astrofisici di tutto il mondo hanno analizzato questi dati per anni, portando a migliaia di articoli scientifici e scoperte. Ma nessuno si è preso il tempo per creare una mappa che sia bella, scientificamente accurata e accessibile a persone che non sono scienziati. Il nostro obiettivo qui è mostrare a tutti com’è realmente l’universo”.

Lo Sloan Digital Sky Survey è uno sforzo pionieristico per catturare il cielo notturno attraverso un telescopio con sede nel New Mexico. Notte dopo notte, per anni, il telescopio ha puntato su posizioni leggermente diverse per catturare questa prospettiva insolitamente ampia.

Il lavoro svolto dai ricercatori

La mappa, che Ménard ha assemblato con l’aiuto dell’ex studente di informatica della Johns Hopkins Nikita Shtarkman, visualizza una fetta dell’universo, o circa 200.000 galassie: ogni punto sulla mappa è una galassia e ogni galassia contiene miliardi di stelle e pianeti. La Via Lattea è semplicemente uno di questi punti, quello in fondo alla mappa.

L’espansione dell’universo contribuisce a rendere questa mappa ancora più colorata. Più un oggetto è lontano, più appare rosso. La parte superiore della mappa rivela il primo lampo di radiazioni emesse subito dopo il Big Bang, 13,7 miliardi di anni fa.

Ménard: “In questa mappa siamo solo un pixel”

“In questa mappa, siamo solo un puntino in fondo, solo un pixel. E quando dico noi, intendo la nostra galassia, la Via Lattea che ha miliardi di stelle e pianeti”, dice Ménard. “Siamo abituati a vedere immagini astronomiche che mostrano una galassia qui, una galassia là o forse un gruppo di galassie. Ma ciò che mostra questa mappa è una scala molto, molto diversa”.

Ménard spera che le persone sperimenteranno sia l’innegabile bellezza della mappa sia la sua maestosa portata di scala. “Da questo granello in fondo”, dice, “siamo in grado di mappare le galassie in tutto l’universo, e questo dice qualcosa sul potere della scienza”.

Chi è Brice Menard

Come si legge dal sito della Johns Hopkins University Brice Ménard è entrato a far parte della facoltà della Johns Hopkins nel 2010. Ha conseguito il dottorato di ricerca sia presso l’Institut d’Astrophysique de Paris che presso il Max Planck Institute for Astrophysics in Germania. È stato membro post-dottorato dell’Institute for Advanced Study di Princeton e senior research associate presso il Canadian Institute for Theoretical Astrophysics di Toronto. La sua ricerca combina astrofisica e statistica.

Il suo lavoro ha portato alla rilevazione dell’ingrandimento gravitazionale da parte della materia oscura attorno alle galassie, alla scoperta di minuscoli granelli di polvere nello spazio intergalattico, una nuova tecnica per stimare il redshift (o distanza) di oggetti extragalattici e un nuovo modo per trovare automaticamente le tendenze in set di dati complessi.

Ménard è membro congiunto del Kavli Institute for Physics and Mathematics dell’Università di Tokyo. Ha ricevuto il Johns Hopkins President Frontier Award (2019), la Packard Fellowship for Science and Engineering ( 2014 ), la Sloan Research Fellowship ( 2012 ), è stato nominato Outstanding Young Scientist of Maryland nel 2012 e ha ricevuto il premio Henri Chrétien nel 2011 dall’American Astronomical Society.