Ponte di Einstein-Rosen
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Un ponte di Einstein-Rosen o cunicolo spazio-temporale, detto anche wormhole (in italiano letteralmente "buco di verme", ma tradotto in genere col termine galleria di tarlo o cunicolo di tarlo), è una ipotetica caratteristica topologica dello spaziotempo che è essenzialmente una "scorciatoia" da un punto dell'universo a un altro, che permetterebbe di viaggiare tra di essi più velocemente di quanto impiegherebbe la luce a percorrere la distanza attraverso lo spazio normale.
Il termine inglese wormhole fu coniato dal fisico teorico americano John Archibald Wheeler nel 1957. Comunque, l'idea dei wormhole fu già teorizzata nel 1921 dal matematico tedesco Hermann Weyl nella sua analisi della massa in termini di energia del campo elettromagnetico. [1]
| « Questa analisi costringe a considerare situazioni... dove c'è un flusso netto di linee di forza attraverso ciò che i topologi chiamerebbero una soluzione per lo spazio molteplicemente connesso e che i fisici potrebbero forse essere scusati per averlo vividamente definito un ‘wormhole’. » | |
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(John Wheeler in Annali di Fisica)
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L'analogia usata per spiegare il concetto espresso dal termine ‘wormhole’ è questa: si immagini che l'universo sia una mela, e che un verme viaggi sulla sua superficie. La distanza tra due punti opposti della mela è pari a metà della sua circonferenza se il verme resta sulla superficie della mela, ma se invece esso si scava un foro direttamente attraverso la mela la distanza che deve percorrere per raggiungere quel determinato punto diventa inferiore. Il foro attraverso la mela rappresenta il cunicolo spazio-temporale.
Indice |
[modifica] Definizione
La nozione base di un cunicolo spaziotemporale intra-universo (che collega almeno due o più punti dello stesso universo) è che esso sia una regione compatta dello spaziotempo il cui confine è topologicamente insignificante ma il cui interno non è semplicemente connesso. Formalizzando questa idea conduce a definizioni come la seguente, presa dai Wormhole Lorentziani di Matt Visser.
| « Se uno spaziotempo di Minkowski contiene una regione compatta Ω, e se la topologia di Ω è della forma Ω ~ R x Σ, dove Σ è una topologia tre-dimensionale non banale (nontrivial), il cui contorno ha una topologia della forma dΣ ~ S2, e se, inoltre, le ipersuperfici Σ sono tutte di tipospazio (spacelike), allora la regione Ω contiene un cunicolo quasipermanente intra-universo. » |
Descrivere i cunicoli inter-universo (che collegano almeno due o più universi paralleli) è più difficile. Per esempio, si può immaginare un universo neonato connesso al suo 'genitore' per mezzo di uno stretto "cordone ombelicale". Si può considerare il cordone ombelicale come la strozzatura del cunicolo, ma lo spaziotempo è semplicemente connesso.
[modifica] Wormhole di Schwarzschild
I wormhole lorentziani noti come wormhole di Schwarzschild o ponte di Einstein-Rosen sono ponti fra aree di spazio che possono essere modellati come soluzioni di vuoto nelle equazioni di campo di Einstein combinando modelli di un buco nero e un buco bianco. Questa soluzione fu scoperta da Albert Einstein e il suo collega Nathan Rosen, che per primo pubblicò il risultato nel 1935. Ad ogni modo, nel 1962 John A. Wheeler e Robert W. Fuller pubblicarono un saggio mostrando che questo tipo di wormhole è instabile, e che sarà schiacciato fuori istantaneamente non appena si forma, impedendo anche alla luce di attraversarlo.
Precedentemente i problemi di stabilità dei wormhole di Schwarzschild erano apparenti; fu proposto che i quasar fossero buchi bianchi formanti la fine di questi tipi di wormhole.
Mentre i wormhole di Schwarzschild non sono attraversabili, la loro esistenza ispirò Kip Thorne a immaginare wormhole attraversabili creati tenendo la 'gola' di un wormhole di Schwarzschild aperta con materia esotica (materia che ha massa/energia negativa).
[modifica] Attraversabilità
I wormhole lorentziani attraversabili permetterebbero di viaggiare da una parte all'altra dello stesso universo molto rapidamente oppure viaggiare da un universo ad un altro. La possibilità di wormhole attraversabili nella relatività generale fu per prima dimostrata da Kip Thorne insieme a un suo studente laureato Mike Morris in un documento del 1988; per questa ragione il tipo di wormhole attraversabile che essi proposero, tenuto aperto per mezzo di una guscio sferico di materia esotica, viene riferito come un wormhole di Morris-Thorne. Più tardi, altri tipi di wormhole attraversabili furono scoperti come soluzioni accettabili riguardo alle equazioni della relatività generale, includendo una varietà analizzata in un documento del 1989 di Matt Visser, in cui un sentiero attraverso il wormhole può essere praticato senza attraversare una regione di materia esotica. Comunque nella pura teoria di Gauss-Bonnet la materia esotica non serve al wormhole per esistere - poiché possono farlo senza di essa. [2] Un tipo tenuto aperto da massa negativa stringa cosmica fu proposto da Visser in collaborazione con Cramer ed altri., [3] asserendo che tali wormhole potrebbero essere stati creati naturalmente nell'universo primordiale.
I wormhole connettono due punti nello spaziotempo, ovvero permetterebbero in linea di principio di viaggiare nel tempo come pure nello spazio. In un saggio del 1988, Morris, Thorne e Yurtsever [4] cercarono esplicitamente di capire come convertire un wormhole attraversante lo spazio dentro uno attraversante il tempo.
[modifica] Viaggio più veloce della luce
La relatività speciale si applica solo localmente. I wormhole permettono viaggi superluminali (più veloce della luce) garantendo che la velocità della luce non sia ecceduta localmente in ogni tempo. Mentre viaggiando attraverso un wormhole, vengono utilizzate velocità subluminali (più lente della luce). Se due punti sono connessi tramite un wormhole, il tempo impiegato per attraversarli sarebbe minore del tempo impiegato da un raggio di luce attraversante lo spazio esterno al wormhole. Comunque, un raggio di luce viaggiando attraverso il wormhole sconvolgerebbe sempre il viaggiatore. Per analogia, correndo intorno al lato opposto di una montagna alla massima velocità renderebbe il cammino più lungo che passeggiando attraverso un tunnel che l'attraversasse. Si può camminare lentamente giungendo a destinazione prima, poiché la distanza è più breve.
[modifica] Buchi temporali
Un ponte di Einstein-Rosen potrebbe potenzialmente permettere il viaggio nel tempo. Questo potrebbe essere conseguito accelerando un'estremità del wormhole relativamente all'altra, e riportandola successivamente indietro; la dilatazione temporale relativistica risulterebbe in un minor tempo passato per la bocca del wormhole che è stata accelerata, in confronto a quella rimasta ferma, il che significa che tutto ciò che è passato dalla bocca stazionaria, uscirebbe da quella accelerata in un tempo precedente a quello del suo ingresso. Il percorso attraverso un tale wormhole viene detto Curva chiusa di tipo tempo, e un wormhole con questa caratteristica viene talvolta detto "timehole" o buco temporale.
Per esempio, si considerino due orologi per entrambe le bocche che mostrano la stessa data: 2000. Dopo aver effettuato un viaggio a velocità relativistiche, la bocca accelerata è riportata nella stessa regione di quella stazionaria, con l'orologio delle bocca accelerata che legge 2005, mentre l'orologio di quella stazionaria legge 2010. Un viaggiatore entrato dalla bocca accelerata in questo momento uscirebbe dalla stazionaria quando anche il suo orologio legge 2005, nella stessa regione, ma ora con cinque anni nel passato. Una tale configurazione di wormhole permetterebbe ad una linea di mondo di particella di formare un cerchio chiuso nello spaziotempo, noto come curva del tempo chiusa.
Si ritiene comunque che non sia possibile convertire un wormhole in una macchina del tempo in questa maniera; alcuni modelli matematici indicano che un circuito retroattivo di particelle virtuali, circolerebbe all'interno del timehole con intensità crescente, distruggendolo prima che qualsiasi informazione possa passarvi attraverso. Ciò è stato chiamato in causa dal suggerimento che la radiazione si disperderebbe dopo aver viaggiato attraverso il wormhole, prevenendo così un accumulo infinito. Il dibattito su questo soggetto è descritto da Kip S. Thorne nel libro Black Holes and Time Warps, e richiederebbe probabilmente la risoluzione di una teoria della gravità quantistica.
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Questa voce o sezione di fisica è ritenuta da controllare. Motivo: Controllare la questione della materia esotica, ovvero cosa si intende di preciso. IMHO non si tratta dell'energia oscura ovvero della buona vecchia costante cosmologica, che oggi si dà per assodata.
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Non si sa se un ponte di Einstein-Rosen possa esistere. Una soluzione alle equazioni della relatività generale che potrebbe rendere possibili i ponti di Einstein-Rosen senza materia esotica, una sostanza teorica che ha una densità di energia negativa, non è stata ancora scoperta. Comunque, né le soluzioni alle equazioni della relatività generale che accomodano i wormhole, né l'esistenza della materia esotica, sono state rigettate. Molti fisici, compreso Stephen Hawking (vedi la congettura di protezione cronologica di Hawking), ritengono che, a causa dei problemi che un wormhole creerebbe in teoria, compreso permettere il viaggio nel tempo, ci sia qualcosa di fondamentale nelle leggi della fisica che lo proibisca. Ad ogni modo, questa rimane una speculazione, e la nozione che la natura censurerebbe gli oggetti sconvenienti è già stata smentita nel caso del principio di censura cosmica.
[modifica] Metrica
Le teorie della metrica del wormhole descrivono la geometria dello spaziotempo di un wormhole e servono come modelli teorici per un viaggio nel tempo. Un esempio di una metrica del wormhole (attraversabile) è il seguente:
Une tipo di metrica del wormhole non-attraversabile è la soluzione di Schwarzschild:
[modifica] I wormhole nella narrativa
I wormhole, per la loro supposta capacità di rendere possibili i viaggi tra punti molto distanti del cosmo, sono un elemento narrativo assai sfruttato nella fantascienza.
Sono il punto centrale del romanzo di Carl E. Sagan Contact (1985), per il quale Kip Thorne consultò Sagan sulla possibilità dei wormhole. Dal romanzo di Sagan è stato tratto un omonimo film (1997).
Isaac Asimov usa l'espediente del salto temporale nel romanzo Paria dei cieli, pur non usando il nome wormhole per riferirsi al buco temporale che si apre davanti a Joseph Shwartz, il protagonista, che viene catapultato avanti nel tempo di millenni.
Negli anni novanta i wormhole si sono trovati al centro del dittico della Caccia alla Terra (Hunted Earth, 1990 e 1994) dello scrittore statunitense Roger MacBride Allen.
Essi sono poi il principio base su cui si sviluppa la trama del film Stargate e delle serie tv derivatene Stargate SG-1 e Stargate Atlantis. Gli Stargate sono antichissimi congegni costruiti da un'antica razza aliena e disseminati per tutta la Via Lattea e altre galassie, nel tentativo di creare una rete d'interscambio per viaggiare rapidamente da un pianeta all'altro senza dover ricorrere a potenti vascelli spaziali.
L'ambientazione della serie televisiva Star Trek - Deep Space Nine è quella di una stazione spaziale collocata vicino ad un "tunnel spaziale" (wormhole) stabile nello spazio del pianeta Bajor, che mette in comunicazione con il remoto quadrante Gamma della galassia. Il wormhole è peraltro popolato da misteriose entità extradimensionali che, con il nome di "Profeti di Bajor", sono da sempre oggetto di religiosa venerazione da parte del popolo dei Bajoriani.
La serie TV Farscape presenta un astronauta americano che accidentalmente passa attraverso un wormhole e finisce in una parte remota dell'universo.
Nella serie televisiva I viaggiatori (Sliders), viene trovato un metodo per creare dei wormhole che permettono viaggi non tra punti diversi dell'universo, ma tra universi paralleli; gli oggetti e le persone che viaggiano attraverso il wormhole partono e arrivano nello stesso punto geografico e cronologico, ma in una delle tante dimensioni parallele. Questa serie presume che la realtà esista come parte di un multiverso e si chiede cosa sarebbe successo se grandi o piccoli eventi della storia si fossero svolti in maniera differente (ucronia); sono queste scelte che danno vita agli universi alternativi nei quali è ambientata la serie. Analoghe premesse sono usate nell'episodio Universi paralleli della serie tv Star Trek: The Next Generation.
Nel 2000 Arthur C. Clarke e Stephen Baxter scrissero congiuntamente un romanzo di fantascienza, La luce del passato, che discute dei problemi che sorgono quando un wormhole viene utilizzato per comunicazioni a velocità superiore a quella della luce.
Un wormhole è anche alla base della sceneggiatura del film di Richard Kelly Donnie Darko (2001).
Un metodo correlato di viaggio che permette di superare la velocità della luce, che spesso appare nella fantascienza, specialmente nella Space Opera militare, è la "guida a salti", che può spingere un'astronave tra due "punti di salto" prefissati, che connettono i sistemi solari. Connettere i sistemi solari con una rete di questo tipo risulta in un "terreno" fissato che può essere usato per costruire trame legate alle campagne militari.
Nella serie a fumetti X-Men della Marvel Comics, il mutante Magneto utilizza il suo potere di alterare i campi magnetici per creare piccoli wormhole per spostarsi da un punto ad un altro.
Nel videogioco per Nintendo Wii Metroid Prime 3: Corruption i wormhole sono utilizzati dai Leviatani per raggiungere i pianeti vittima. Alla fine del gioco la Federazione Galattica utilizza un Leviatano per produrre un wormhole, in modo da raggiungere il pianeta Phaaze.
Nel 6° Special di Halloween (presente nella settima stagione) della serie I Simpson, nel terzo segmento della puntata Homer entra in un passaggio dimensionale dietro ad un armadio e sembra finire dentro un perfetto wormhole, che poi lo trasporta nel mondo reale.
[modifica] Possibili vantaggi
Non si avrebbe alcun effetto di dilatazione temporale, e tale metodo potrebbe essere usato sia come "scorciatoia" nel tempo, sia nello spazio per raggiungere luoghi distanti diverse centinaia o migliaia di anni luce. Ciò è giustificabile dal fatto che in realtà non si sfrutta la contrazione dei tempi della relatività speciale, ma l'ipotetica curvatura dello spazio-tempo. Non ci dimentichiamo una cosa: è impossibile tornare indietro nel tempo. Supponiamo che io possa tornare indietro nel tempo e impedisca ai miei genitori di conoscersi, di conseguenza io non sarei nato, io non avrei viaggiato nel tempo e io non sarei lì. E' possibile applicare questo paradosso a tutto quello che viaggia nel tempo. Dobbiamo inoltre pensare ad una mancanza di entropia avvenuta nei due sistemi spaziotemporali poichè andiamo a portare in un altro sistema della massa e quindi dell' energia che prima non c'era, sottraendola da un altro sistema: con risultati non ancora prevedibili. Si potrebbe viaggiare, quindi solo avanti nel tempo, ma sarebbe impossibile tornate al tempo di partenza per i fenomeni precedenti. Il viaggio nel tempo crea un anello chiuso di fatti e conseguenze.
[modifica] Note
- ^ (EN) Coleman, Korte, Hermann Weyl's Raum - Zeit - Materie and a General Introduction to His Scientific Work, p. 199
- ^ (EN) gr-qc/0701152 (January 2007) `Mass without mass' from thin shells in Gauss-Bonnet gravity Elias Gravanis and Steven Willison
- ^ (EN) John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford, and Geoffrey A. Landis, "Natural Wormholes as Gravitational Lenses," Phys. Rev. D51 (1995) 3117-3120
- ^ (EN) M. Morris, K. Thorne, e U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition, Physical Review, 61, 13, September 1988, pp. 1446 - 1449
