Wormhole: storia, teoria, tipi, formazione, viaggi nel tempo

Un wormhole, in astrofisica e cosmologia, è un passaggio che collega due punti nel tessuto dello spaziotempo. Proprio come la mela caduta ispirò la teoria della gravitazione di Isaac Newton nel 1687, i vermi che perforano le mele hanno ispirato nuove teorie, anche nel campo della gravitazione.

Proprio come il worm riesce a raggiungere un altro punto sulla superficie del blocco attraverso un tunnel, i worm worm spazio-temporali sono scorciatoie teoriche che consentono di viaggiare verso siti distanti nell'universo in meno tempo.

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

Per avvicinarci un po 'alla comprensione dei wormhole, alla possibilità di viaggiare nel tempo attraverso di loro e alle differenze che esistono tra wormhole e buchi neri, dobbiamo inserirci nel concetto di spaziotempo.

Cos'è lo spaziotempo?

Il concetto di spazio-tempo è strettamente legato a quello del wormhole. Ecco perché è necessario stabilire per primo cosa è e qual è la sua caratteristica principale.

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

Quando il ragazzo incontra la fidanzata è un evento, ma questo evento ha alcune coordinate spaziali: il luogo dell'incontro. E una coordinata temporale: anno, mese, giorno e ora dell'incontro.

La nascita di una stella o l'esplosione di una supernova sono anche eventi che si svolgono nello spazio-tempo.

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

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

Fu proprio Albert Einstein a realizzare, in un momento di ispirazione che definì "l'idea più felice della mia vita", che un osservatore accelerato sia localmente indistinguibile da qualcuno che è vicino a un oggetto enorme. È il famoso principio di equivalenza.

E un osservatore accelerato curva 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 è curvo.

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 si ferma bruscamente. È come se all'improvviso qualcosa di invisibile, oscuro e massiccio, per un momento si fermasse davanti a noi e ci attrasse, spingendoci improvvisamente in avanti.

I pianeti si muovono in forma ellittica attorno al Sole perché la massa di questo produce una depressione nella superficie spazio-temporale che fa sì che i pianeti curino le loro traiettorie. Un raggio luminoso curva anche la sua traiettoria 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 come questo comporterebbe non solo il cambio di posto, ma anche la possibilità di andare in un altro momento.

Questa idea ha ispirato molti libri, serie e film di fantascienza, tra cui la famosa serie americana degli anni sessanta "The tunnel of time" e più recentemente "Deep Space 9" della serie Star Trek e il film Interstellar del 2014.

L'idea venne dallo stesso Einstein, che alla ricerca di soluzioni per le equazioni di campo della Relatività Generale, trovò con Nathan Rosen una soluzione teorica che permetteva di collegare due diverse regioni dello spazio-tempo attraverso un tunnel che funzionava come scorciatoia.

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

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

Più tardi, nel 1980, Carl Sagan stava scrivendo il romanzo di fantascienza "Contact", un libro dal quale è stato poi realizzato un film. Il protagonista di nome Elly scopre la vita extraterrestre intelligente a 25 mila anni luce di distanza. Carl Sagan voleva che Elly viaggi lì, ma in un modo scientificamente credibile.

Viaggiare per 25.000 anni luce di distanza non è un compito facile per un umano, a meno che non si cerchi una scorciatoia. Un buco nero non può essere una soluzione, dal momento che avvicinandosi alla singolarità, la gravità differenziale farebbe a pezzi la nave e il suo equipaggio.

Alla ricerca di altre possibilità, Carl Sagan consultò uno dei principali esperti di buchi neri dell'epoca: Kip Thorne, che iniziò a pensare all'argomento e realizzò che i ponti Einstein-Rosen o i wormhole Wheeler era la soluzione.

Tuttavia, Thorne notò anche che la soluzione matematica era instabile, cioè il tunnel si apriva, ma in breve tempo strangola e scompare.

L'instabilità dei wormhole

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

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

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

• Attraverso la cosiddetta schiuma quantica . Alla scala di Planck (10-35 m) ci sono fluttuazioni quantistiche in grado di collegare due regioni dello spaziotempo attraverso i microtunnel. Una civiltà ipotetica molto avanzata potrebbe trovare un modo per allargare i passaggi e mantenerli abbastanza a lungo da permettere a un umano di passare.
• Materia di massa negativa Secondo i calcoli pubblicati nel 1990 dallo stesso Thorne, ci vorrebbero enormi quantità di questa strana materia per mantenere aperte le estremità del wormhole.

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

In questo modo, i wormhole non solo consentono di connettere le regioni distanti nello spazio, ma si separano anche nel tempo. Quindi sono macchine per viaggiare nel tempo.

Stephen Hawking, il grande riferimento della cosmologia della fine del XX secolo, non credeva fattibile o wormhole o macchine del tempo, a causa dei molti paradossi e contraddizioni che ne derivano.

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

Sebbene ciò non sarebbe pratico per i viaggi nello spazio - tempo, poiché a parte le tribolazioni che porterebbero ad entrare nella singolarità del buco nero, non ci sarebbe alcuna possibilità di partire dall'altra parte, poiché si tratta di un altro buco nero.

Differenze tra buchi neri e wormhole

Quando parli di un wormhole, pensi anche immediatamente 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 esaurisce il suo combustibile nucleare e inizia a contrarsi in modo irreversibile a causa della sua forza gravitazionale. Continua inesorabilmente fino a quando non provoca un tale collasso che può scappare nientemeno che il raggio dell'orizzonte degli eventi, nemmeno la luce.

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

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

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

Ci sono prove che al centro di grandi galassie, come la nostra Via Lattea, c'è un buco nero supermassiccio.

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

Fu solo il 10 aprile 2019 che la prima fotografia di un buco nero supermassiccio (7000 milioni di volte la massa del Sole) fu mostrata al mondo, situata in una galassia molto lontana: Messier 87 nella costellazione della Vergine, a 55 milioni di anni luce dalla Terra.

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

Dei wormhole, invece, non ci sono prove fino ad oggi. Gli scienziati sono stati in grado di rilevare e rintracciare un buco nero, tuttavia lo stesso non è stato possibile con i wormhole.

Quindi sono oggetti ipotetici, sebbene teoricamente fattibili, poiché un tempo erano anche buchi neri.

Varietà / tipi di wormhole

Sebbene non siano ancora stati scoperti, o forse proprio per questo, hanno immaginato diverse possibilità per i wormhole. Tutti sono teoricamente fattibili, poiché soddisfano le equazioni di Einstein per la relatività generale. Ecco alcuni:

• Wormhole che collegano due regioni spazio-temporali dello stesso universo.
• Wormholes in grado di connettere un universo con un altro universo.
• Ponti di Einstein-Rosen, in cui la materia poteva passare da un'apertura all'altra. Anche se questo passaggio di materia causerebbe un'instabilità, causando il collasso del tunnel su se stesso.
• Il wormhole di Kip Thorne, con un guscio sferico di materia di massa negativa. È stabile e orientabile 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 le due estremità.
• Wormhole con carico e / o rotazione o Kerr, costituiti da due buchi neri dinamici collegati internamente, attraversabili in un'unica direzione.
• Schiuma quantistica spazio-temporale, la cui esistenza è teorizzata a livello subatomico. La schiuma è composta da tunnel subatomici altamente instabili che collegano diverse aree. Per stabilizzarli ed espanderli richiederebbe la creazione di un plasma di quark e gluoni, che richiederebbe una quantità quasi infinita di energia per la loro generazione.
• Più recentemente, grazie alla teoria delle stringhe, è stato teorizzato sui wormhole supportati da stringhe cosmiche.
• Buche nere intrecciate e poi separate, da cui emerge un buco spazio-temporale, o ponte Einstein-Rosen tenuto insieme dalla gravità. È una soluzione teorica proposta nel settembre 2013 dai fisici Juan Maldacena e Leonard Susskind.

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

Un giorno è possibile vedere i wormhole?

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

Quindi, per molto tempo, i buchi neri rimasero una previsione teorica, finché non furono trovati e localizzati. Gli scienziati nutrono la stessa speranza per i wormhole.

È molto probabile che siano anche lì, ma non hanno ancora imparato a localizzarli. Sebbene secondo una pubblicazione molto recente, i wormholes lascerebbero tracce e ombre osservabili anche con i telescopi.

Si ritiene che i fotoni si muovano attorno al wormhole generando un anello luminoso. I fotoni più vicini cadono all'interno e lasciano un'ombra che li differenzia dai buchi neri.

Secondo Rajibul Shaikh, un fisico del Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai, in India, un tipo di wormhole rotante produrrebbe un'ombra più grande e deformata 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 della gola del buco per la formazione di un'ombra di fotone che la identifica e la differenzia da un buco nero.

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

A parte questo, per ora i wormhole restano come astrazioni matematiche, ma è possibile che molto presto sarà in grado di vederli. Ciò che è all'estremo opposto, per il momento rimane oggetto di congetture.