I buchi neri sono alcuni degli oggetti più affascinanti e terrificanti dell’universo e, legati ai buchi neri, sono stati teorizzati dei fenomeni (finora mai rilevati) che potrebbero avere delle proprietà sorprendenti, oltre che interessanti: i wormholes o ponti di Einstein-Rosen.
Un wormhole è un ipotetico collegamento breve tra due regioni distanti tra loro nello spazio-tempo. Sebbene un wormhole tridimensionale sia impossibile da visualizzare completamente, è possibile costruire un analogo bidimensionale per aiutare la visualizzazione. Immagina uno spazio intrinsecamente piatto, bidimensionale, come un pezzo di carta piegato incorporato in uno spazio tridimensionale superiore, dove un tubo collega due punti distanti, A e B, sulla carta. La lunghezza attraverso il tubo (il wormhole) può essere molto inferiore alla distanza che intercorre da A a B lungo la carta, creando una scorciatoia.
I meccanismi di formazione e la stabilità di queste strutture spaziotemporali dipendono dalla teoria della gravità e spesso presentano problemi, quindi l’esistenza di wormhole nell’Universo è una sfida. Tuttavia, non possono essere esclusi. La prima soluzione del wormhole è stata proposta da Einstein e Rosen nel 1935 ed è conosciuta come il ponte Einstein-Rosen. Furono, però, Misner e Wheeler a coniare il termine “wormhole”.
Tra le soluzioni che generano wormholes, i “wormholes attraversabili” sono di particolare interesse: possono essere attraversati in entrambe le direzioni e potrebbero quindi essere potenziali scorciatoie per viaggi interstellari o intergalattici per spostarsi da una regione dello spazio verso un’altra regione dell’Universo che sarebbe impossibile raggiungere in tempi umani senza superare la velocità della luce. I wormhole attraversabili furono teorizzati nel 1973 da Bronnikov e, indipendentemente, da Ellis, ma divennero popolari dopo gli articoli di Morris, Thorne e Visser.
Come possiamo dimostrare se i wormholes esistono? In un articolo, pubblicato negli Avvisi mensili della Royal Society, gli astronomi russi suggeriscono che potrebbero esistere al centro di alcune galassie molto luminose e propongono alcune osservazioni per trovarli. Questa idea si basa su cosa accadrebbe se la materia in uscita da un lato del wormhole entrasse in collisione con la materia che vi stia cadendo. I calcoli mostrano che lo schianto comporterebbe un’esplosione notevole di raggi gamma che potremmo provare ad osservare con i telescopi.
“I wormholes sono stati presentati al pubblico per la prima volta oltre un secolo fa in un libro scritto da un matematico di Oxford. Forse rendendosi conto che gli adulti potrebbero disapprovare l’idea di moltiplicare gli spazi connessi, ha scritto il libro sotto uno pseudonimo e l’ha scritto per i bambini. Il suo nome era Charles Dodgson, il suo pseudonimo era Lewis Carroll e il libro era Through The Looking Glass. — Michio Kaku”
Iniziamo chiedendoci se le leggi della fisica consentono a una civiltà arbitrariamente avanzata di costruire e mantenere tunnel spaziali per i viaggi interstellari. Un tale wormhole è una breve “maniglia” nella topologia dello spazio, che collega regioni ampiamente separate dell’Universo. La metrica di Schwarzschild, con una scelta appropriata della topologia, descrive un tale wormhole.
Tuttavia, l’orizzonte del wormhole di Schwarzschild impedisce il viaggio nei due sensi e la sua gola si chiude così rapidamente che non può essere attraversato nemmeno in una direzione. Per prevenire singolarità e orizzonti, bisogna infilare nella gola del wormhole uno stress e un’energia diversi da zero. Ci si pongono quindi due domande:
- La teoria quantistica dei campi consente il tipo di tensore energia-stress necessario per mantenere un wormhole attraversabile in due direzioni?
- Le leggi della fisica consentono la creazione di wormholes in un universo le cui sezioni spaziali inizialmente sono collegate?
Queste domande assumono ulteriore importanza quando si riconosce (vedi sotto) che, se le leggi della fisica consentono wormholes attraversabili, poi probabilmente permettono anche di trasformare un simile wormhole in una “macchina del tempo” con la quale la causalità potrebbe essere violata.
Wormholes e macchine del tempo
La relatività generale consente anche la possibilità di scorciatoie attraverso lo spaziotempo che potrebbero essere in grado di colmare distanze di un miliardo di anni luce o più, o diversi punti nel tempo. Molti fisici, tra cui Stephen Hawking, hanno ipotizzato che i wormholes esplodano costantemente dentro e fuori dall’esistenza su scala quantistica, molto più piccoli degli atomi. Il trucco sarebbe catturarne uno e gonfiarlo a misura d’uomo, un’impresa che richiederebbe un’enorme quantità di energia, ma che potrebbe essere possibile, in teoria. I tentativi di dimostrare questo in entrambi i modi sono falliti, soprattutto a causa dell’incompatibilità tra la relatività generale e la meccanica quantistica.
Il viaggio nel tempo è una nozione intrigante che va di pari passo con la presenza di wormhole. Sfortunatamente, il viaggio nel tempo nel futuro e il viaggio nel tempo nel passato non sono la stessa cosa.
Viaggiare nel futuro non è fattibile con nessuna delle scienze attuali. Il viaggio nel tempo è appena concepibile quando si tratta del tempo e del suo scorrere; semplicemente non abbiamo gli strumenti per eseguirlo. Un fenomeno chiamato dilatazione del tempo afferma che più velocemente ti muovi nello spazio, più lentamente ti muovi nel tempo. Questo perché il tempo è effettivamente misurato dalla luce. Supponiamo che un’estremità di un wormhole sia molto stabile e vicina alla Terra. In tal caso, mentre l’altra estremità si muove nello spazio alla velocità della luce, puoi entrare nel wormhole dall’estremità mobile e uscire fuori dall’estremità stabile in un tempo completamente diverso.
“Nell’equazione di Einstein, il tempo è un fiume. Accelera, serpeggia e rallenta. La nuova ruga è che può avere vortici e biforcarsi in due fiumi. Quindi, se il fiume del tempo può essere piegato, creare vortici e biforcarsi in due fiumi, allora il viaggio nel tempo non può essere escluso”.
Durante la ricerca, gli scienziati hanno utilizzato la meccanica quantistica per dimostrare il loro punto di vista, dimostrando che è possibile creare un wormhole stabile e di grandi dimensioni che consenta a un veicolo spaziale di attraversarlo. Si sono affidati alla matematica per mostrare quali condizioni renderebbero possibile la creazione di un wormhole.
I ricercatori hanno anche tentato di immaginare come sarebbe. Descrivendo il design di un wormhole, hanno detto che sembrerebbe un buco nero di massa intermedia se visto dall’esterno. Le grandi dimensioni sono importanti per aiutare i viaggiatori umani a sopravvivere alle forze di marea. La cosa interessante dei wormholes è che si potrebbero attraversare in un tempo soggettivo molto breve, ma la durata della traversata appare lunga se osservata dall’esterno.
Qual è la forma di un ponte Einstein-Rosen?
In pratica, i fisici possono osservare solo proprietà indirette dei wormholes, come lo spostamento verso il rosso, uno spostamento verso il basso della frequenza delle onde gravitazionali nel corso dell’allontanamento da un oggetto. Roman Konoplya, un assistente di ricerca del RUDN Institute of Gravitation and Cosmology, l’autore del lavoro, ha utilizzato ipotesi geometriche e quantistiche che hanno mostrato che la forma e la massa di un wormhole possono essere calcolate in base al valore di spostamento verso il rosso e all’intervallo delle onde gravitazionali alle alte frequenze.
Konoplya ha preso un modello matematico di un wormhole Morris-Thorne sfericamente simmetrico, un tipo di buco nero che unisce due punti nello spazio e nel tempo e prevede anche movimenti tra di loro. Quindi ha applicato un modello matematico esistente per descrivere il collo di bottiglia del wormhole, il punto più stretto tra l’ingresso e l’uscita.
In primo luogo, ha descritto matematicamente come la forma di qualsiasi wormhole simmetrico può essere determinata in base alla sua gamma di onde e ha risolto il cosiddetto problema opposto in termini generali. Quindi, usando l’approssimazione della meccanica quantistica, ha stabilito un’equazione per calcolare una forma geometrica per un caso particolare: un wormhole.
“in termini generali, un approccio quantomeccanico porta a molte soluzioni per la geometria di un wormhole. Il nostro lavoro può essere ampliato in diversi modi. Innanzitutto, per evitare formule lunghe, abbiamo considerato solo i campi elettromagnetici. Nel nostro lavoro futuro potremo studiare altri campi con lo stesso approccio. I nostri risultati possono essere applicati anche ai wormhole rotanti, a condizione che siano sufficientemente simmetrici”.
Qual è il problema?
Finora, i fisici non hanno determinato un modo in cui i wormholes potrebbero formarsi naturalmente nell’Universo. Tuttavia, il fisico teorico John Wheeler ha affermato che è possibile che i wormholes possano apparire e scomparire spontaneamente, secondo la sua ipotesi sulla schiuma quantistica (l’idea che le particelle virtuali, piuttosto stranamente, appaiano e scompaiano dalla realtà in ogni momento).
Sfortunatamente, Wheeler ha teorizzato che questi wormholes improvvisi sarebbero super piccoli, apparendo visibili solo alla scala di Planck. In altre parole, il wormhole sarebbe così piccolo che sarebbe quasi impossibile da rilevare.
