WORMHOLE: STORIA, TEORIA, TIPI, FORMAZIONE - ARTE - 2024

Un wormhole , in astrofisica e cosmologia, è un passaggio che collega due punti nel tessuto dello spazio-tempo. Proprio come la mela che cade ha ispirato la teoria della gravitazione di Isaac Newton nel 1687, i vermi che perforano le mele hanno ispirato nuove teorie, anche nell'ambito della gravitazione.

Proprio come il verme riesce a raggiungere un altro punto sulla superficie della mela attraverso un tunnel, i wormhole spazio-temporali costituiscono scorciatoie teoriche che gli consentono di viaggiare in parti distanti dell'universo in meno tempo.

Wormhole spazio-temporale: visione artistica. Fonte: Pixabay.

È un'idea che ha catturato e continua a catturare l'immaginazione di molti. Nel frattempo, i cosmologi sono impegnati a cercare modi per provare la sua esistenza. Ma al momento sono ancora oggetto di speculazioni.

Per avvicinarci un po 'di più alla comprensione dei wormhole, della possibilità di viaggiare nel tempo attraverso di essi e delle differenze che esistono tra wormhole e buchi neri, dobbiamo guardare al concetto di spazio-tempo.

Cos'è lo spaziotempo?

Il concetto di spazio-tempo è strettamente legato a quello di wormhole. Ecco perché è necessario prima stabilire cos'è e qual è la sua caratteristica principale.

Lo spaziotempo è dove si verifica ogni evento nell'universo. E l'universo a sua volta è la totalità dello spazio-tempo, capace di ospitare tutte le forme di materia-energia e altro ancora …

Quando lo sposo incontra la sposa è un evento, ma questo evento ha coordinate spaziali: il luogo dell'incontro. E una coordinata temporale: anno, mese, giorno e ora della riunione.

Anche la nascita di una stella o l'esplosione di una supernova sono eventi che avvengono nello spazio-tempo.

Ora, in una regione dell'universo priva di massa e interazioni, lo spaziotempo è piatto. Ciò significa che due raggi di luce che iniziano parallelamente continuano così, fintanto che rimangono in quella regione. A proposito, per un raggio di luce il tempo è eterno.

Naturalmente, lo spazio-tempo non è sempre piatto. L'universo contiene oggetti che hanno massa che modifica lo spazio-tempo, provocando una curvatura spazio-temporale su scala universale.

Fu lo stesso Albert Einstein a rendersi conto, in un momento di ispirazione che chiamò "l'idea più felice della mia vita", che un osservatore accelerato è localmente indistinguibile da uno che è vicino a un oggetto massiccio. È il famoso principio di equivalenza.

E un osservatore accelerato piega lo spazio-tempo, cioè la geometria euclidea non è più valida. Pertanto, nell'ambiente di un oggetto massiccio come una stella, un pianeta, una galassia, un buco nero o l'universo stesso, lo spazio-tempo si piega.

Questa curvatura è percepita dagli esseri umani come una forza chiamata gravità, quotidiana ma misteriosa allo stesso tempo.

La gravità è enigmatica quanto la forza che ci spinge in avanti quando l'autobus su cui viaggiamo frena bruscamente. È come se all'improvviso qualcosa di invisibile, oscuro e massiccio, per pochi istanti si facesse avanti e ci attirasse, spingendoci improvvisamente in avanti.

I pianeti si muovono ellitticamente attorno al Sole perché la sua massa produce una depressione nella superficie spazio-temporale che fa curvare i pianeti sulle loro traiettorie. Un raggio di luce curva anche il suo percorso seguendo la depressione spazio-temporale prodotta dal Sole.

Tunnel attraverso lo spazio - tempo

Se lo spazio-tempo è una superficie curva, in linea di principio nulla impedisce a un'area di connettersi con un'altra attraverso un tunnel. Viaggiare attraverso un tunnel del genere non solo implicherebbe cambiare luogo, ma offre anche la possibilità di andare in un altro tempo.

Questa idea ha ispirato molti libri, serie e film di fantascienza, tra cui la famosa serie americana degli anni '60 "The Time Tunnel" e più recentemente "Deep Space 9" del franchise di Star Trek e il film del 2014 Interstellar.

L'idea è venuta dallo stesso Einstein, che, cercando soluzioni alle equazioni di campo della Relatività Generale, ha trovato insieme a Nathan Rosen una soluzione teorica che permetteva di collegare due diverse regioni dello spazio-tempo attraverso un tunnel che fungeva da scorciatoia.

Questa soluzione è nota come ponte Einstein-Rosen e appare in un'opera pubblicata nel 1935.

Tuttavia, il termine "wormhole" è stato utilizzato per la prima volta nel 1957, grazie ai fisici teorici John Wheeler e Charles Misner in una pubblicazione di quell'anno. In precedenza, si era parlato di "tubi unidimensionali" per riferirsi alla stessa idea.

Più tardi, nel 1980, Carl Sagan stava scrivendo il romanzo di fantascienza "Contact", un libro che è stato successivamente trasformato in un film. La protagonista di nome Elly scopre una vita extraterrestre intelligente a 25mila anni luce di distanza. Carl Sagan voleva che Elly andasse lì, ma in un modo scientificamente credibile.

Viaggiare a 25mila anni luce di distanza non è un compito facile per un essere umano, a meno che non si cerchi una scorciatoia. Un buco nero non può essere una soluzione, poiché avvicinandosi alla singolarità, la gravità differenziale farebbe a pezzi la navicella e il suo equipaggio.

Alla ricerca di altre possibilità, Carl Sagan consultò uno dei massimi esperti di buchi neri dell'epoca: Kip Thorne, che iniziò a riflettere sulla questione e si rese conto che i ponti Einstein-Rosen oi wormhole di Wheeler era la soluzione.

Tuttavia Thorne si rese anche conto che la soluzione matematica era instabile, cioè il tunnel si apre, ma subito dopo si strangola e scompare.

L'instabilità dei wormhole

È possibile utilizzare i wormhole per percorrere grandi distanze nello spazio e nel tempo?

Da quando sono stati inventati, i wormhole sono serviti in numerose trame di fantascienza per portare i loro protagonisti in luoghi remoti e per sperimentare i paradossi del tempo non lineare.

Kip Thorne ha trovato due possibili soluzioni al problema dell'instabilità del wormhole:

• Attraverso la cosiddetta schiuma quantistica. Alla scala di Planck ( ^10-35 m) ci sono fluttuazioni quantistiche in grado di collegare due regioni dello spazio-tempo attraverso microtunnel. Un'ipotetica civiltà molto avanzata potrebbe trovare un modo per allargare i passaggi e mantenerli abbastanza a lungo da far passare un umano.
• Materia di massa negativa. Secondo le stime pubblicate nel 1990 dallo stesso Thorne, sarebbero necessarie enormi quantità di questo materiale estraneo per mantenere aperte le estremità del wormhole.

La cosa notevole di quest'ultima soluzione è che, a differenza dei buchi neri, non esistono singolarità o fenomeni quantistici, e il passaggio di esseri umani attraverso questo tipo di tunnel sarebbe fattibile.

In questo modo, i wormhole non solo consentirebbero di collegare regioni distanti nello spazio, ma anche di separarle nel tempo. Quindi sono macchine per viaggiare nel tempo.

Stephen Hawking, il grande riferimento in cosmologia alla fine del XX secolo, non credeva che i wormhole o le macchine del tempo fossero fattibili, a causa dei molti paradossi e contraddizioni che ne derivano.

Ciò non ha smorzato gli spiriti di altri ricercatori, che hanno suggerito la possibilità che due buchi neri in diverse aree dello spazio-tempo siano collegati internamente da un wormhole.

Anche se questo non sarebbe pratico per i viaggi spazio-temporali, poiché a parte le tribolazioni che porterebbe l'ingresso nella singolarità del buco nero, non ci sarebbe alcuna possibilità di uscire dall'altra parte, poiché si tratta di un altro buco nero.

Differenze tra buchi neri e wormhole

Quando parli di un wormhole, pensi subito anche ai buchi neri.

Un buco nero si forma naturalmente, dopo l'evoluzione e la morte di una stella che ha una certa massa critica.

Sorge dopo che la stella ha esaurito il suo combustibile nucleare e inizia a contrarsi irreversibilmente a causa della sua stessa forza gravitazionale. Continua inesorabilmente fino a provocare un tale collasso che nulla più vicino al raggio dell'orizzonte degli eventi può sfuggire, nemmeno la luce.

In confronto, un wormhole è un evento raro, conseguenza di un'ipotetica anomalia nella curvatura dello spazio-tempo. In teoria è possibile esaminarli.

Tuttavia, se qualcuno cercasse di passare attraverso un buco nero, l'intensa gravità e l'estrema radiazione nelle immediate vicinanze della singolarità lo trasformerebbero in un sottile filo di particelle subatomiche.

Esistono prove indirette e solo di recente dirette dell'esistenza di buchi neri. Tra queste evidenze vi sono l'emissione e il rilevamento di onde gravitazionali mediante l'attrazione e la rotazione di due colossali buchi neri, rilevati dall'osservatorio di onde gravitazionali LIGO.

Ci sono prove dell'esistenza di un buco nero super massiccio al centro di grandi galassie, come la nostra Via Lattea.

La rapida rotazione delle stelle vicino al centro, così come l'enorme quantità di radiazioni ad alta frequenza che emana da lì, sono la prova indiretta che c'è un enorme buco nero che spiega la presenza di questi fenomeni.

Era proprio il 10 aprile 2019 che al mondo è stata mostrata la prima fotografia di un buco nero supermassiccio (7 miliardi di volte la massa del Sole), situato in una galassia molto lontana: Messier 87 nella costellazione della Vergine, a 55 milioni anni luce dalla Terra.

Questa fotografia di un buco nero è stata resa possibile dalla rete mondiale di telescopi, chiamata "Event Horizon Telescope", con la partecipazione di oltre 200 scienziati da tutto il mondo.

D'altra parte, non ci sono prove di wormhole fino ad oggi. Gli scienziati sono stati in grado di rilevare e tracciare un buco nero, tuttavia lo stesso non è stato possibile con i wormhole.

Sono quindi oggetti ipotetici, anche se teoricamente fattibili, come lo erano una volta anche i buchi neri.

Varietà / tipi di wormhole

Sebbene non siano ancora stati rilevati, o forse proprio per questo, sono state immaginate diverse possibilità di wormhole. Sono tutti teoricamente fattibili, poiché soddisfano le equazioni di Einstein per la relatività generale. Qui ce ne sono alcuni:

• Wormhole che collegano due regioni spazio-temporali dello stesso universo.
• I wormhole in grado di connettere un universo con un altro universo.
• Ponti Einstein-Rosen, in cui la materia potrebbe passare da un'apertura all'altra. Anche se questo passaggio di materia provocherebbe instabilità, facendo crollare il tunnel su se stesso.
• Il wormhole di Kip Thorne, con un guscio sferico di materia di massa negativa. È stabile e percorribile in entrambe le direzioni.
• Il cosiddetto wormhole di Schwarzschild, costituito da due buchi neri statici collegati. Non sono attraversabili, poiché la materia e la luce sono intrappolate tra i due estremi.
• Carichi e / o rotanti o wormhole di Kerr, costituiti da due buchi neri dinamici collegati internamente, percorribili in una sola direzione.
• Schiuma quantistica dello spazio-tempo, la cui esistenza è teorizzata a livello subatomico. La schiuma è costituita da tunnel subatomici altamente instabili che collegano diverse zone. Stabilizzarli ed espanderli richiederebbe la creazione di un plasma di quark-gluoni, che richiederebbe una quantità quasi infinita di energia per essere generata.
• Più recentemente, grazie alla teoria delle stringhe, sono stati teorizzati wormhole supportati da stringhe cosmiche.
• Buchi neri intrecciati e poi separati, da cui nasce un buco spazio-temporale, o ponte di Einstein-Rosen tenuto insieme dalla gravità. Si tratta di una soluzione teorica proposta a settembre 2013 dai fisici Juan Maldacena e Leonard Susskind.

Sono tutte perfettamente possibili, poiché non sono in contraddizione con le equazioni della relatività generale di Einstein.

Si vedranno mai i wormhole?

Per molto tempo i buchi neri sono stati soluzioni teoriche alle equazioni di Einstein. Lo stesso Einstein ha messo in dubbio la possibilità che possano mai essere rilevati dall'umanità.

Albert Einstein (1879-1955), autore della teoria della relatività. Fonte: Pixabay.

Quindi per molto tempo i buchi neri sono rimasti come previsione teorica, fino a quando non sono stati trovati e localizzati. Gli scienziati hanno la stessa speranza per i wormhole.

È molto probabile che siano anche lì, ma non è stato ancora imparato a localizzarli. Anche se secondo una pubblicazione molto recente, i wormhole lascerebbero tracce e ombre osservabili anche con i telescopi.

Si ritiene che i fotoni viaggino intorno al wormhole, generando un anello luminoso. I fotoni più vicini cadono all'interno e lasciano un'ombra che permetterà loro di differenziarsi dai buchi neri.

Secondo Rajibul Shaikh, fisico del Tata Institute for Fundamental Research di Mumbai in India, un tipo di wormhole rotante produrrebbe un'ombra più grande e deformata di quella di un buco nero.

Nel suo lavoro, Shaikh ha studiato le ombre teoriche proiettate da una certa classe di wormhole rotanti, concentrandosi sul ruolo cruciale del buco nella gola nella formazione di un'ombra fotonica che consente di identificarlo e differenziarlo da un buco nero.

Shaikh ha anche analizzato la dipendenza dell'ombra dalla rotazione del wormhole e l'ha anche confrontata con l'ombra proiettata da un buco nero di Kerr rotante, trovando differenze significative. È un lavoro completamente teorico.

A parte questo, per il momento, i wormhole rimangono come astrazioni matematiche, ma è possibile che alcuni vengano individuati molto presto. Ciò che si trova all'estremo opposto è ancora oggetto di congetture per il momento.

Riferimenti

1. L'entanglement quantistico può dare origine alla gravità. Tratto da Cienciaaldia.com
2. Progress of Physics, Vol 61, Edizione settembre 2013, pagine 781-811
3. Wormhole. Tratto da wikipedia.org
4. Spazio tempo. Tratto da wikipedia.org.
5. David Nield (2018). Il nuovo pazzo documento suggerisce che i wormhole proiettano ombre che potremmo vedere facilmente con i telescopi. Tratto da sciencealert.com