Il Superuovo

Buchi neri e gravità: facciamo chiarezza su “Interstellar” e la teoria delle stringhe

Buchi neri e gravità: facciamo chiarezza su “Interstellar” e la teoria delle stringhe

Nel novembre 2014, il blockbuster hollywoodiano e film di fantascienza Interstellar è uscito sugli schermi e ne è derivata una enorme eccitazione mediatica. Ci catturano le sue immagini stupende che spaziano tra l’universo sconosciuto ed una Terra che all’improvviso diventa avversa all’uomo. Al di là dei meravigliosi effetti visivi, è possibile anche individuare dei presupposti fisici realmente credibili?

 

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Il film è sin dall’inizio intessuto di scienza. Kip Thorne, uno dei più grandi esperti di gravità e teorie cosmologiche, produttore esecutivo e consulente scientifico di questa pellicola, elabora una storia fantascientifica che non contiene nulla che sia stato dimostrato impossibile. Egli sudivide la scienza presente nel film in veritàipotesi plausibilispeculazioni. Verità e ipotesi plausibili sono chiare, mentre le speculazioni sono idee che almeno qualche scienziato “rispettabile” sia disposto a prendere in considerazione. Ora entriamo maggiormente nel dettaglio.

La quinta dimensione esiste davvero?

Che cos’è la quinta dimensione? Il nostro universo, per come lo conosciamo e per come lo osserviamo, è quadrimensionale: è lo spazio-tempo. Lo spazio-tempo è caratteristico della relatività generale ed è il luogo dove avvengono tutti i fenomeni che obbediscono alle leggi della fisica. Questo è composto da quattro dimensioni: tre che costituiscono lo spazio, definito da lunghezzalarghezza e profondità, e una che governa il tempo.

La Teoria della relatività generale di Einstein non definisce un numero di dimensioni possibili per l’universo, però alcune leggi che funzionano in una realtà a quattro dimensioni  potrebbero non essere adeguate per descrivere realtà con più dimensioni.

 

Nella teoria delle stringhe, un ramo della fisica teorica, si è arrivati a ipotizzare l’esistenza di circa undici dimensioni, quindi altre dimensioni potrebbero esistere, ma essere tanto lunghe o piccole e incurvate da risultare quindi molto difficili da osservare.

Partiamo dall’inizio cercando di capire quello che sappiamo dalla fisica classica che ci spiega i fenomeni che osserviamo e quello che possiamo ipotizzare con la fisica teorica. Le equazioni della Teoria di Einstein della Relatività Generale ci permettono di spiegare i fenomeni fisici che ci circondano ed in particolare ci permettono di comprendere il fenomeno della gravità. Nella teoria della relatività generale la gravità non è un campo, ma una proprietà, ossia una caratteristica dello spazio stesso e tutti i corpi massicci curvano lo spazio attorno a sé stessi.

La teoria ipotizza anche l’esistenza di un punto dello spazio dove la densità è infinita e che è osservabile dall’esterno: questa è una singolarità nuda dove la gravità si fa così intensa che lo spazio e il tempo collassano e le leggi della fisica vengono meno. Teoricamente, l’esistenza di singolarità nuda implica la possibilità di osservare un oggetto collassare fino ad avere una densità infinita.

Le singolarità esistono e sono previste dalla teoria, esistono al centro dei buchi neri circondate dall’orizzonte degli eventi. All’interno di un buco nero la singolarità è quel punto di non ritorno che non permette a nulla di sfuggire, nemmeno alla stessa. Ed ecco perché non riusciamo ad osservare un buco nero dall’esterno, secondo il processo noto come censura cosmica. Se queste singolarità comparissero anche all’esterno dell’orizzonte degli eventi si avrebbe una singolarità nuda, cioè una singolarità osservabile. L’esistenza teorica delle singolarità nude implicherebbe la possibilità di osservare il collasso di un oggetto fino a densità infinita.

Non si sa ancora cosa comporti questo effetto, ma se la singolarità nuda dovesse esistere la teoria della Relatività Generale non funzionerebbe più e non avremmo più delle teorie in grado di spiegare l’universo.

 

I Wormhole

John Wheeler fu il creatore della parola e del concetto di Wormhole. Prese spunto dai buchi scavati nelle mele dai vermi (“wormhole”, appunto). Per una formica che cammina su una mela, la superficie di quest’ultima costituisce l’interno universo. Se la mela è attraversa da un wormhole la formica ha due opzioni per spostarsi dalla cima al fondo: girare attorno all’esterno (attraverso il suo universo) oppure scendere lungo il foro/wormhole che è anche la via più breve.

La parte interna della mela, attraverso la quale passa il wormhole, non fa parte dell’universo della formica: in campo scientifico si tratta di un bulk, o iperspazio tridimensionale. La parete del wormhole può essere pensata come una parte di questo universo che ha la sua stessa dimensionalità e si congiunge all’universo (la superficie della mela) in corrispondenza dell’entrata del buco.

 

 

Se lo vediamo da un altro punto di vista invece la parete del wormhole non fa parte dell’universo della formica: è soltanto una scorciatoia passando per la quale la formica può viaggiare, attraverso il bulk, da un punto ad un altro del proprio universo.

Nel 1916, un anno dopo la legge della relatività di Einstein, Ludwig Flamm scoprì una soluzione di quelle equazioni che descrivono un wormhole (anche se all’epoca aveva un altro nome). Le equazioni di Einstein prevedono diversi tipi di wormhole (con diverse forme e comportamenti), ma soltanto l’equazione di Flamm descrive un wormhole sferico e senza materia gravitazionale.

Come vediamo dallimmagine, un wormhole di Flamm ha un aspetto più dimensionale che tridimensionale. Immaginatevi come creatura a due dimensioni limitate dai movimenti, sul foglio piegato ci sono due percorsi per viaggiare dal punto A al punto B del nostro universo: quello breve che scende lungo la parete del wormhole, o quello lungo che passa lungo il foglio piegato (il corrispettivo del nostro universo). Fin qui appare tutto semplice, il problema è che noi viviamo in un universo a tre dimensioni. I cerchi concentrici nella parte sinistra della figura sono effettivamente le sfere verdi nidificate mostrate nei cerchi di destra. Quando entriamo nel wormhole nel punto A, passiamo attraverso delle sfere che diventano via via più piccole fino al punto che non cambieranno circonferenza. Nel momento che ci apprestiamo ad arrivare all’uscita le sfere ricomincieranno a diventare più grandi.

Questa teoria fu presa in considerazione molto dopo, solo nel 1935 quando Albert Einstein e il suo collega Nathan Rosen, ignari del lavoro svolto da Flamm, riscoprirono la soluzione da lui trovata, ne esplorarono le proprietà e ne avanzarono delle congetture sul suo significato nel mondo reale ed è proprio per questo motivo che successivamente altri fisici iniziarono a chiamare il wormhole come “ponte di Einstein-Rosen“.

In Interstellar, il wormhole viene creato, tenuto aperto e piazzato nei pressi di Saturno da una civiltà che vive nel bulk e i cui membri hanno, come quest’ultimo, quattro dimensioni spaziali. Muovendosi nell’ambito delle congetture, in quanto si tratta di un film, Thorne si è immedesimato (nel momento della scrittura di questa parte del film) in un ingegnere ultra avanzato. Ha deciso che i wormhole fossero consentiti dalle leggi della fisica, che i costruttori del wormhole disponessero di tutta la materia esotica di cui avevano bisogno per tenerlo aperto e che potessero curvare lo spazio e il tempo dentro e attorno al wormhole a loro piacimento.

 

I dischi di accrescimento

Non è vero che tutto ciò che ruota intorno ai buchi neri poi viene risucchiato al loro interno. Molta materia “schizza” via a seguito di un fenomeno che coinvolge il cosiddetto disco di accrescimento, cioè quel disco di materiali (plasma e gas) che circola vorticosamente intorno al buco nero prima di caderci dentro. Anzi la materia che schizza via risulta addirittura superiore, in termini di quantità, rispetto a quella che viene inglobata dal buco nero stesso. Parliamo, naturalmente, di buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle galassie, quelli più facilmente individuabili proprio perché hanno un luminoso disco di accrescimento intorno.

Un disco di accrescimento altro non è che un disco di gas caldissimo, attraversato da un campo magnetico, che circonda un buco nero. Nel nostro universo il gas caldo è quasi sempre attraversato da campi magnetici. Questi campi poi si trovano bloccati nel gas e i due devono muoversi insieme, di pari passo.

Un campo magnetico, quando attraversa un disco di accrescimento diventa un catalizzatore per la conversione dell’energia gravitazionale in calore e poi in luce. Il campo fornisce un fortissimo attrito che rallenta il moto circonferenziale del gas, riducendone la forza centrifuga che lo spinge verso l’esterno e che si oppone all’attrazione della gravità, così che il gas inizia a muoversi verso l’interno, in direzione del buco nero. Man mano che il gas scende, la gravità accellera: in poche parole l’energia gravitazionale viene convertita in energia cinetica. L’attrito magnetico trasforma quindi metà di quella nuova energia cinetica in calore e luce, ripetendo il processo di continuo.

Per evitare che gli astronauti dell’Endurance facciano una bruttissima fine, in quanto un disco di accrescimento con i suoi getti emetterebbe una radiazione (raggi X, gamma, onde radio e luce) talmente intensa da friggere qualsiasi cosa, Christoper Nolan ha dato a Gargantua un disco estremamente anemico. Anziché avere una temperatura di centinaia di milioni di gradi, il disco raggiunge solo qualche migliaio di gradi. Con questo disco ed in assenza di getti, l’ambiente attorno a Gargantua è davvero benigno.

 

Ovviamente il team di Nolan ha cercato di mediare più possibile tra scienza e finzione, per la realizzazione di Gargantua,  affinché anche lo spettatore più pignolo e fissato con la scienza si possa in qualche modo sentire appagato. Per la prima volta nella storia del cinema, un buco nero e il suo disco sono stati rappresentati come di fatto li vedremo quando potremmo compiere il nostro primo viaggio interstellare.

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