Rappresentazione artistica di un wormhole, un buco spazio-temporale previsto dalla relatività generale di Einstein.
Nello spaziotempo in cui siamo immersi e che Albert Einstein ha descritto nella sua Teoria della Relatività Generale, sono ipotizzati anche i cunicoli spazio-temporali, wormhole in inglese. Essi, anche detti ponti di Einstein-Rosen dal nome degli scienziati che li hanno introdotti e studiati, sarebbero dei veri e propri ponti tra buchi neri. Una scorciatoia per saltare nello spazio e nel tempo a diversi anni luce di distanza, permettendo connessioni tra regioni molto lontane.
Questi straordinari e misteriosi oggetti, protagonisti di romanzi di fantascienza fin dall’ipotesi della loro esistenza, sono per ora solo ipotizzati e sempre stati pensati come strutture particolarmente instabili. Sarebbero cioè tali, da non poter rimanere aperti per un periodo di tempo sufficiente ad attraversarle, o anche solo per l’invio di un qualche segnale.
Tuttavia, è emersa ora una nuova ipotesi, avanzata dal docente di computer science a Lione, Pascal Koiran. Essa afferma che i wormhole non sarebbero poi così instabili. Potrebbero quindi rimanere aperti per il tempo necessario al passaggio di un segnale da una parte all’altra degli stessi. Il risultato di Koiran, basato su una particolare metrica che descrive geometricamente lo spaziotempo, sembra contraddire le precedenti previsioni sul collasso istantaneo dei wormhole. Nonostante questo è bene ricordare che si tratta ancora di trattazioni teoriche. L’esistenza di un wormhole è infatti ancora ben lontana dall’essere provata sperimentalmente.
Non è semplice descrivere in poche parole la relatività generale. Si può pensare a essa come una gigantesca struttura all’interno della quale gli oggetti deformano l’ambiente circostante a causa del solo fatto che sono dotati di massa. Questo è il potere della gravità in quello che chiamiamo lo spaziotempo, il tessuto che permea l’intero Universo per come noi lo conosciamo. In questo modo, tra di loro, questi oggetti interagiranno per attrazione gravitazionale e creeranno delle modifiche in termini di spazio e di tempo. Tutto, nella teoria della relatività generale, è quindi basato sul movimento dello spazio e del tempo.
Per descrivere questi movimenti, sono possibili diverse descrizioni matematiche della geometria della struttura spazio-temporale. I fisici chiamano queste diverse descrizioni metriche. Diverse metriche possono descrivere la medesima situazione e, talvolta, una metrica può essere più utile di un’altra a seconda dello scopo per cui viene utilizzata.
Per esempio, parlando di wormhole, la metrica più utilizzata è la metrica di Schwarzschild. Con essa sono stati scoperti per la prima volta i buchi neri, anche se il suo utilizzo diviene poco conveniente in prossimità dell’orizzonte degli eventi, il cosiddetto “punto di non ritorno” per qualsiasi particella, anche per la luce.
C’è un’altra metrica, la metrica di Eddington-Finkelstein, che è invece in grado di descrivere cosa accade quando una particella materiale o un segnale arrivano vicino all’orizzonte degli eventi. Con questa metrica, si riesce a spiegare come quella particella o quel segnale attraversino l’orizzonte e cadano all’interno del buco nero, fagocitate dalla sua enorme gravità.
Questo è il modo più semplice per costruire un wormhole, ovvero un buco spazio-temporale: estendere l’idea di buco nero, che fagocita qualsiasi cosa, a quella di buco bianco, che quel “qualsiasi cosa” lo rigurgita fuori in un altro punto lontano dello spaziotempo.
L’idea del buco bianco, che permetterebbe al segnale entrato nel buco nero di uscire dal buco bianco a diverse coordinate spazio-temporali, è stata proposta per la prima volta da Albert Einstein e Nathan Rosen. In questo modo sarebbe possibile caratterizzare questi wormhole come dei tunnel attraverso lo spazio-tempo. Ma esistono davvero e potrebbero essere attraversati?
I wormhole non sono particolarmente inclini a lasciar passare una particella da un buco nero a un buco bianco. Infatti i buchi bianchi, secondo la descrizione geometrica finora avanzata, sarebbero particolarmente instabili. In questo modo, le forze estreme all’interno dei wormhole costringerebbero i wormhole stessi ad allungarsi come elastici e a impedire il passaggio di un qualsiasi segnale attraverso. Tuttavia, Einstein e Rosen hanno sfruttato la metrica di Schwarzschild allora conosciuta per i buchi neri, e tutte le teorie successive sui wormhole hanno sempre fatto riferimento a questa metrica.
Invece, il fisico Koiran ha pensato di usare la metrica di Eddington-Finkelstein per suggerire una possibile stabilità dello spaziotempo nel wormhole che permetterebbe, anche se in condizioni estreme, il passaggio di un segnale dopo l’attraversamento del buco nero.
Koiran ha sfruttato la metrica di Eddington-Finkelstein per tracciare il percorso di una particella oltre l’orizzonte degli eventi di un buco nero, attraverso il wormhole ricreato dalla gravità e oltre il buco bianco in qualche altra posizione lontana nello spaziotempo. Facendo questo calcolo, il fisico ha scoperto che la quantità di tempo impiegata dalla particella nel corso del tragitto è finita: questo garantirebbe l’esistenza di una possibile traiettoria meno instabile.
Questo non significa stabile, tuttavia. Infatti Koiran ha considerato il comportamento della gravità, ma ci sono altre forze da tenere in considerazione parlando di relatività generale. Per esempio lo scambio di calore ed energia, nella teoria della termodinamica, che afferma quanto sia grande l’instabilità dei buchi bianchi. Talmente grande da rischiare di far esplodere tutto ciò che ci sta attorno.
Tuttavia, dalla descrizione di Koiran sembrerebbe che i wormhole non sarebbero così catastrofici come le argomentazioni precedenti sostenevano. Anzi, vi è l’implicito suggerimento di un possibile percorso stabile attraverso i tunnel spazio-temporali, se in condizioni favorevoli. Ma possiamo fidarci di un semplice cambio di metrica? In questo gioco di matematica e relatività, sembra che un semplice cambio nella scelta della geometria possa cambiare drasticamente il comportamento strutturale dello spaziotempo. Sarà molto interessante capirne le conseguenze.
Lo studio completo, accettato per la pubblicazione su International Journal of Modern Physics, è disponibile in pre-print qui.
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