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mercoledì 25 gennaio 2017

Esploratori dell'ignoto

Dedicato a un amico @PierpaoloBorrel che non vedo da tempo e a un altro @flippantchemist che non ho ancora incontrato!
imitare la nostra attenzione a questioni terrestri equivarrebbe a fissare dei confini allo spirito umano
Stephen Hawking

Concept art di Robert McCal per Star Trek: the motion picture
La serie televisiva Star Trek esordì nel 1966. Ideata da Gene Roddenberry, ha avuto e continua ad avere un successo travolgente, riuscendo ultimamente anche a proporsi con buon successo di pubblico al cinema. Gli elementi che ne caratterizzarono questo duraturo successo sono molti: da un'ottima caratterizzazione dei personaggi, a una varietà di culture e razze che, pur tra mille difficoltà, provava a proporre un messaggio di tolleranza e integrazione in piena Guerra Fredda, senza dimenticare l'abilità degli sceneggiatori nella realizzazione di episodi appassionanti e personaggi credibili. Altro elemento fondamentale, che viene spesso identificato come il punto forte della saga rispetto alle Guerre Stellari di George Lucas, era e continua a essere il tentativo da parte dei creativi di costruire un universo fisicamente plausibile, dove, ad esempio, fosse possibile coprire in tempi umani e senza alcun meccanismo di sospensione delle funzioni vitali gli enormi spazi interstellari.
Il viaggio di Lawrence Krauss ne La fisica di Star Trek è appassionante, scritto con competenza e cerca di coprire tutte le principali curiosità scientifiche, da quelle plausibli a quelle impossibili, senza dimenticare gli errori degli sceneggiatori, che hanno costellato una delle serie di fantascienza più note al mondo.
Ovviamente approfondire tutti gli aspetti della fisica di Star Trek sarebbe anche lungo per cui eccovi una conferenza di Fabio Peri, direttore del Planetario di Milano (ovviamente nel seguito del post approfondirò alcuni degli aspetti trattati nel libro):
Motori a curvatura
Una giovane donna, detta Bice,
correva più veloce della luce.
Le era quindi abituale l'esperienza
di arrivar prima della sua partenza.(1)
Anonimo, trad. Libero Sosio
Uno degli elementi caratteristici di Star Trek sono i motori a curvatura, particolari dispositivi in grado di creare una curvatura spaziotemporale che permetta di avvicinare due punti dell’universo altrimenti distanti in modo da poter percorrere una distanza di molto inferiore rispetto a quella originale e quindi percorribile in tempi umani con una propulsione che non viola l’impossibilità di superare la velocità della luce sancita dalla relatività speciale.
La possibilità di progettare e costruire un motore a curvatura è stata sviluppata nel 1994 da Miguel Alcubierre(2), in quella che oggi è nota come la guida (o spinta) di Alcubierre. L'aspetto interesante del lavoro del fisico teorico messicano è la proposta di una modifica dello spaziotempo coerente con la relatività generale e senza l'uso di wormhole che permetterebbe a una nave spaziale di viaggiare con una velocità arbitrariamente grande.

Curvatura delo spaziotempo nella regione intorno all navicella
Il dispositivo dovrebbe funzionare un po' come la palla da baseball relativistica, ovvero generando una curvatura positiva di fronte a essa e quindi un'espansione dello spaziotempo locale, e una curvatura negativa nel retro, generando una contrazione locale. In questo modo sarà lo spaziotempo a muoversi a una velocità superiore a quella della luce (non gli è vietato da alcuna argomentazione relativistica), mentre la navicella spaziale si muove a velocità inferiori.
Questo progetto, come prevedibile, nonostante la metrica di Alcubierre sia una soluzione delle equazioni relativistiche di Einstein, presenta un paio di problemi. Innanzitutto quello spinoso della sua realizzazione pratica: bisogna avere sufficiente energia (o massa) per generare la curvatura locale. Una possibile soluzione potrebbe essere fornita dall’uso dei mini-buchi neri, ma il problema resta sempre quello: possedere la tecnologia necessaria per controllare tali grandezze.
L'altro problema è di natura più fondamentale: la presenza di una densità di energia negativa, in aperta violazione con la relatività generale. Tale problema viene aggirato da Alcubierre supponendo la possibilità di violazioni quantistiche, ovvero di zone dello spaziotempo che sotto opportune condizioni permettano l’esistenza di zone con densità di energia negativa, arrivando alla fine a una soluzione non troppo differente da quella proposta dai teorici dei wormhole.
Certo il problema dell'energia negativa potrebbe essere risolto in futuro quando avremo un'idea precisa della natura dell'energia oscura, ma nel frattempo c'è qualcuno che sta portandosi avanti con un motore a materia oscura!
Scudi relativistici
La possibilità di costruire gli scudi deflettori dell'Enterprise, ma anche i dispositivi di occultamento dei romulani, è ancora una volta legata alle nostre capacità future di manipolare la gravità: entrambi i dispositivi, infatti, funzionano grazie alla manipolazione dei gravitoni, le particelle teoriche che trasmetterebbero la gravità nell'ipotesi in cui si possa descrivere l’attrazione gravitazionale tra due o più oggetti nello stesso modo in cui si possono descrivere le altre interazioni fondamentali.
La strada per costruire tali dispositivi, una volta quantizzata soddisfacentemente la gravità, potrebbe essere la stessa utilizzata per i dispositivi di occultamento per gli aerei sviluppati da alcuni ricercatori per impedire il rilevamento di tali oggetti volanti almeno dai radar.
Ad ogni buon conto il problema principale della manipolazione gravitazionale dello spaziotempo è che gli osservatori, sia quelli della navicella spaziale sia quelli all'esterno, osserveranno una distribuzione di materia a energia negativa, o detto in termini più semplici la materia tenderebbe a respingersi gravitazionalmente.
Se ciò, a un livelo microscopico e per certe teorie di unificazione della gravità con il resto del mondo quantistico, potrebbe rivelarsi un effetto reale, il grande problema è capire se questo effetto possa essere reale anche a un livello macroscopico.
Inoltre, per quel che riguarda gli scudi deflettori, entrerebbe in gioco il fattore energia. Ad esempio, per stimare l’energia necessaria per deviare un raggio faser che cerca di colpire l'Enterprise perpendicolarmente, si può provare a calcolare l'energia necessaria per produrre un buco nero delle dimensioni della mitica astronave startrekkiana. La sua massa dovrebbe essere all'incirca il 10% di quella del Sole e per produrre tale oggetto è necessaria un'energia totale superiore a quella prodotta dalla nostra stella nel corso della sua intera vita. Immaginate un po' quanta energia dovrebbe essere necessaria per curvare lo spaziotempo in maniera sufficientemente forte da avvicinare due punti distanti!
Nuove dimensioni arrotolate
Mi spinsi nel futuro quanto mai occhio umano,
le meraviglie vidi di quel mondo lontano.
Alfred Tennyson, Locksley Hall
(versi mandati nello spazio a bordo del Voyager)
Un'altra delle grandi fascinazioni della fantascienza, presente pure in Star Trek, è quella delle "altre" dimensioni. Se da un lato questa fascinazione sembra legata soprattutto a universi parallelli (e quindi all'interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica di Hugh Everett), più che a dimensioni spaziali ulteriori, ha comunque ottenuto un successo popolare incredibile. Una delle opere cinematografiche che si fonda su queste idee è Le avventure di Buckaroo Banzai attraverso l'ottava dimensione, il cui poster era presente sul set di Deep Space Nine, come rilevato dallo stesso Krauss andato in visita su quello stesso set per raccogliere materiale per il suo libro.
L'idea di dimensioni ulteriori risale agli inizi del XX secolo: indipendentemente l'uno dall'altro, il fisico polacco Theodor Kaluza nel 1919 e il fisico svedese Oskar Klein nel 1926(3) suggerirono che l’elettromagnetismo e la gravitazione si possano unificare in un universo a cinque dimensioni, dove la forza elettromagnetica potrebbe essere connessa a un qualche tipo di curvatura pentadimensionale. L'idea è indubbiamente affascinante ed è anche stata sviluppata da altri fisici(4) indipendentemente da quanto, nel frattempo, veniva calcolato all'interno della teoria delle stringhe: in alcune sue versioni, infatti, viene suggerita l'idea di ulteriori dimensioni, ma, come nella teoria originale di Kaluza e Klein, queste ulteriori dimensioni risulterebbero arrotolate. Questo implicherebbe che per poter rilevare la loro presenza, sarebbero necessarie delle radiazioni dalla lunghezza d’onda paragonabile alla loro dimensione e quindi di energie estremamente grandi.
Tutti questi sforzi di unificazione, che dovrebbero portare a una teoria del tutto, secondo Krauss invece porterebbero piuttosto a una "teoria di qualsiasi cosa" o a una "teoria di qualcosa", questo perché, ad esempio, una tale teoria prevederebbe tanti universi di cui solo uno di questi sarebbe il nostro.
Stringhe cosmiche
Un altro oggetto curioso, citato ne La perdita, episodio di The Next Generation, è la stringa cosmica: l'Enterprise si imbatte in due esseri bidimensionali dispersi nello spazio e che vivevano in un "frammento di stringhe cosmiche".
Una stringa cosmica è un particolare oggetto topologico proposto da Tom Kibble(5) che sarebbe nato durante una transizione di fase dell'universo primordiale. Grazie a questi cambiamenti di fase, la materia, la radiazione ma anche il vuoto cosmico cambiano la loro configurazione e può accadere che zone differenti dell’universo raggiungano configurazioni differenti. Queste zone, con l'evoluzione dell’universo, si espandono e si toccano, generando l'intrappolamento dell'energia all'interno delle linee di confine: esattamente queste linee sono le stringhe cosmiche.
Esse sono differenti rispetto a quelle presenti nella teoria delle stringhe, che comunque ne spiega l’origine utilizzando le stringhe fondamentali in 10 o 11 dimensioni.
Rispetto all'idea startrekkiana ci sono, però, alcune piccole differenze, di cui quella più importante è il fatto che la stringa cosmica è in effetti una linea chiusa, quindi è un po’ difficile immaginare un frammento di stringa cosmica, a meno di non considerare il frammento stesso chiuso.
E' interessante, comunque, osservare come le stringhe cosmiche, vibrando, generano delle onde gravitazionali che potrebbero essere rilevate da LIGO, ora che abbiamo la certezza che l’esperimento è in grado di rilevarle (che poi è una lettura opposta, che è sempre possibile fare, della prima osservazione delle onde gravitazionali).
Ci sono, però, alcuni indizi sperimentali a supporto della teoria delle stringhe cosmiche. Una prima osservazione che all'inizio si pensò riconducibile a una stringa cosmica avvenne nel 2003 grazie al gruppo di Mikhail Sazhin(6), che in effetti osservò due galasse apparentemente identiche ma molto vicine, nel cielo, una all'altra, come mostrato nel 2005 dal telescopio spaziale Hubble(7).
Un altro possibile indizio viene dal quasar doppio Q0957+561A,B, scoperto nel 1979 da Dennis Walsh, Bob Carswell, Ray Weymann(8). L'immagine doppia del quasar dovrebbe essere generata da un effetto di lente gravitazionale(9) causato da una galassia che si trova tra esso e la Terra. Le due immagini, tra l'altro, hanno un ritardo di circa 417 giorni una dall'altra. Nel 2004, però, un gruppo dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics guidato da Rudolph Schild(10), studiando il quasar, ha scoperto che tra settembre 1994 e luglio 1995 le immagini non sembravano avere alcun ritardo. La spiegazione del gruppo di Schild a questo effetto è l'ipotesi del passaggio di una stringa cosmica tra il quasar e la Terra con velocità elevata e periodo di oscillazione di 100 giorni.
E questa, accontentatevi, è la prova più forte che abbiamo sulla loro esistenza, ma che ci siano degli abitanti, questa è un'altra storia!
Bonus track: La sfera di Dyson
Avevo citato tempo addietro il romanzo La sfera di Dyson di Gordon Eklund e alla fine sono riuscito a recuperare l'edizione italiana uscita su Urania #800 del 1979 e di cui attaco la recensione in coda a questo lungo viaggio nella fisica di Star Trek.
L'Enterprise, durante il suo cosmico girovagare, viene catturata da un oggetto misterioso che vaga per l'universo: esso è un pianeta artificiale, una sfera di metallo cava, sulla cui superficie interna si sviluppa un mondo completo e abitato e con al centro un sole probabilmente anch’esso artificiale.
Il problema di Kirk e del suo equipaggio non è solo quello di sfuggire dal vagabondo cosmico, lanciato contro un buco nero, ma anche scoprire quale sia il mistero dietro il dio della sfera, Ay-nab, che, secondo gli abitanti, è la stella stessa della sfera.
La storia, già interessante grazie a questi semplici elementi, viene ulteriormente arricchita grazie alla presenza dei Klingon, che in qualche modo complica le indagini e la gestione dei rapporti con i locali, senza dimenticare il ritmo incessante proposto da Eklund che tiene il lettore incollato alle pagine.
Ciliegina sulla torta è la spiegazione di Spok sulla natura di Ay-nab, alternativa a quella di una antica divinità cosmica: un supercomputer così avanzato da aver sviluppato un’intelligenza autonoma rispetto ai suoi stessi creatori e alla fine convinto (forse anche a ragione) di essere esso stesso una divinità.
Un bel romanzo, che mescola un paio di temi forti, quello delle sfere di Dyson come forma di sostentamento della vita nel cosmo e quello delle intelligenze artificiali e fin dove esse si potrebbero spingere, vari altri piccoli spunti interessanti (considerazioni sul divino e sulla vita e la morte) e che consiglio non solo ai fan della serie ma a tutti gli appassionati (e non) del genere di recuperare. Ovviamente insieme al libro di Krauss!
  1. There once was a lady named Bright,
    Who traveled much faster than light.
    She departed one day,
    in a relative way,
    And returned on the previous night.
    (fonte)
  2. Alcubierre, M. (1994). The warp drive: hyper-fast travel within general relativity Classical and Quantum Gravity, 11 (5) DOI: 10.1088/0264-9381/11/5/001 (arXiv)
    Vedi anche The Alcubierre Warp Drive di John Cramer
  3. Klein, O. (1926). Quantentheorie und fünfdimensionale Relativitätstheorie Zeitschrift für Physik, 37 (12), 895-906 DOI: 10.1007/BF01397481 (sci-hib)
    Klein, Oskar (1926). The Atomicity of Electricity as a Quantum Theory Law Nature, 118 (2971), 516-516 DOI: 10.1038/118516a0 (sci-hub)
  4. Un buon modo per farsi un'idea della storia può essere dare un'occhiata alla review:
    Goenner, H. (2012). Some remarks on the genesis of scalar-tensor theories General Relativity and Gravitation, 44 (8), 2077-2097 DOI: 10.1007/s10714-012-1378-8 (arXiv)

  5. Per una rassegna vedi: T. W. B. Kibble. (2004) Cosmic strings reborn?
  6. Sazhin, M., Longo, G., Capaccioli, M., Alcala, J., Silvotti, R., Covone, G., Khovanskaya, O., Pavlov, M., Pannella, M., Radovich, M., & Testa, V. (2003). CSL-1: chance projection effect or serendipitous discovery of a gravitational lens induced by a cosmic string? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 343 (2), 353-359 DOI: 10.1046/j.1365-8711.2003.06568.x (arXiv)
  7. Agol, E., Hogan, C., & Plotkin, R. (2006). Hubble imaging excludes cosmic string lens Physical Review D, 73 (8) DOI: 10.1103/PhysRevD.73.087302 (arXiv)
    M. V. Sazhin, M. Capaccioli, G. Longo, M. Paolillo, O. S. Khovanskaya, N. A. Grogin, E. J. Schreier, & G. Covone. (2006) The true nature of CSL-1
  8. Walsh, D., Carswell, R., & Weymann, R. (1979). 0957 + 561 A, B: twin quasistellar objects or gravitational lens? Nature, 279 (5712), 381-384 DOI: 10.1038/279381a0 (sci-hub)
  9. Einstein, A. (1936). Lens-like action of a star by the deviation of light in the gravitational field Science, 84 (2188), 506-507 DOI: 10.1126/science.84.2188.506 (sci-hub)
  10. Schild, R., Masnyak, I., Hnatyk, B., & Zhdanov, V. (2004). Anomalous fluctuations in observations of Q0957+561 A,B: Smoking gun of a cosmic string? Astronomy & Astrophysics, 422 (2), 477-482 DOI: 10.1051/0004-6361:20040274 (arXiv)

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