Iperspazio

Supponiamo che l’Universo esterno non abbia un futuro infinito! Cosa accadrebbe  se esso fosse finito e illimitato, come la superficie chiusa di una sfera?

Questa  possibilità venne inizialmente esplorata soprattutto da Felicity Mellor di  Newcastle, in collaborazione con lan Moss (un tempo pupillo di Hawking) e Paul  Davies, che allora era professore di fisica a Newcastle e oggi vive ad Adelaide,  in Australia. Questi studiosi considerarono la descrizione matematica dei  cunicoli, associati a buchi neri carichi, nell’ambito della geometria  corrispondente a un universo chiuso (dotato di un proprio orizzonte cosmologico  degli eventi); in altre parole si occuparono di tre orizzonti degli eventi, due  associati al buco nero e uno cosmologico. Gli specifici modelli cosmologici studiati avevano anche un’altra  caratteristica, la quale era in relazione con la costante con cui Einstein  modificò inutilmente le sue equazioni per rendere validi i modelli di universo  della relatività generale.

Questa versione moderna della costante cosmologica, invece di mantenere  l’Universo stazionario, spiega come si sia espanso il cosmo dalla singolarità  iniziale, che aveva una gravità intensissima. La costante opera sin dai confini del tempo, vicino alla singolarità da cui è  nato l’Universo, e agisce come una specie di gravità a pressione negativa: essa  ha accresciuto, in una frazione di secondo piccolissima, l’embrione cosmico –  che aveva un volume molto inferiore a quello di un atomo – fino alle dimensioni  di un pompelmo, per poi svanire quando l’Universo si è stabilizzato in  un’espansione come quella odierna. La fase di espansione rapidissima, denominata  “inflazione”, è un elemento chiave per la versione moderna del Big Bang. Moss dimostrò che i risultati dell’équipe di Newcastle rimangono validi  solamente presupponendo che l’Universo sia chiuso; ma per loro sarebbe stato del  tutto sconveniente non lavorare nell’ambito dello scenario inflazionistico – che  nella cosmologia attuale gode del maggidr prestigio – ovvero non rifare i  calcoli introducendo il nuovo tipo di costante cosmologica. In questo scenario  lo spazio lontano dalle concentrazioni di materia è quasi piatto (spazio di de  Sitter); ma lo spazio-tempo stesso può essere leggermente curvo e chiudere  l’Universo.

Agli “estremi” opposti dell’Universo lo spazio-tempo si comporta come se ci  fossero due buchi neri. Mellor e Moss scoprirono che, in queste circosta:qze,  l’Universo può contenere molti buchi neri, separati da regioni che si possono  quasi considerare spazio di de Sitter, e che questi buchi neri possono (se sono  carichi) essere connessi da cunicoli stabili. In alcuni casi si possono formare  singolarità nude, violando la censura cosmica; e, con le parole dell’équipe di  Newcastle, “un osservatore potrebbe teoricamente viaggiare attraverso il buco  nero fino ad un altro universo”. Il contributo principale di Paul Davies a questa ricerca fu quello di tenere  conto degli effetti quantistici. Come Hawking dimostròtanto brillantemente negli  anni ’70, gli effetti quantistici possono avere una incidenza fondamentale sul  comportamento dei buchi neri, ed era naturale domandarsi se avessero impedito  che nell’Universo reale si formassero i cunicoli descritti da Mellor e Moss. La risposta è negativa. Ammesso che l’Universo sia chiuso, né la presenza di una  costante cosmologica né le complicazioni quantistiche impediscono ai cunicoli  attraversabili di esistere, e “le soluzioni di Mellor-Moss potrebbero offrire  autentici “ponti spaziali” verso altri universi”l. Tutte queste ricerche  riguardano le caratteristiche naturali dell’Universo – buchi neri che si sono  formati spontaneamente, come quelli associati ai quasar o nati addirittura nello  stato superdenso del Big Bang.

Se tutto l’apparato matematico resta valido – una volta che si èportato a  termine il difficile compito di modificare i calcoli per i buchi neri in  rotazione – significa che in un universo come il nostro, le connessioni di  iperspazio possono nascere spontaneamente. E questa scoperta sorprendente favorisce fortemente l’ipotesi, sostenuta da  Sagan ma sviluppata dai ricercatori del CalTech e da altri studiosi, secondo la  quale, data una civiltà con una tecnologia sufficientemente sviluppata, sarebbe  possibile costruire artificialmente cunicoli attraversabili, proprio come hanno  raccontato per decenni gli scrittori di fantascienza.

 

Ingegneria dei cunicoli

I  cunicoli presentano un altro problema di cui gli ingegneri dell’iperspazio  devono tenere conto scrupolosamente. I calcoli più elementari indicano che, qualunque cosa accada nell’universo  esterno, il semplice tentativo di un’astronave di passare attraverso il buco  farebbe chiudere la porta stellare. Il problema è che, pur trascurando la questione delle onde radio e delle onde  luminose emesse dall’astronave, che si accumulano sulla singolarità e creano una  parete blu infinita, secondo la relatività generale un corpo in accelerazione  genera increspature nella struttura dello spazio-tempo chiamate “onde  gravitazionali”.

È l’effetto di questa radiazione gravitazionale, che si riversa nello spazio da  una pulsar binaria, che sottrae energia e quindi modifica visibilmente l’orbita  della pulsar; questo fenomeno costituisce la migliore conferma della precisione  della teoria di Einstein. La radiazione gravitazionale, viaggiando di fronte  all’astronave verso il buco nero alla velocità della luce, potrebbe venire  amplificata fino a diventare infinitamente energetica, curvando su se stesso lo  spazio-tempo e sbarrando la strada alla nave spaziale in viaggio. Anche se esistesse un cunicolo naturale attraversabile, esso sembrerebbe essere  instabile alla minima perturbazione e quindi anche ai disturbi provocati dai  semplici tentativi di attraversarlo. Ma l’équipe di Thorne trovò per Sagan una risposta a questo problema. Dopotutto i cunicoli di Contact non sono affatto naturali; ma sono stati  costruiti. Uno dei personaggi spiega:

Esiste un tunnel interno nella soluzione esatta di Kerr delle equazioni di  campo di Einstein, ma è instabile. La minima perturbazione lo farebbe chiudere e  convertirebbe il tunnel in una singolarità attraverso cui nulla potrebbe  passare. Ho cercato di immaginare una civiltà più avanzata che possa controllare  la struttura interna di una stella che collassa per mantenere il suo tunnel interno stabile.  Ciò è molto difficile da realizzare. Quella civiltà dovrebbe, dopo aver scoperto  il tunnel, renderlo stabile per sempre.

 

È da sottolineare il fatto che l’operazione – anche se molto difficile – non  è impossibile. Si potrebbe sfruttare un fenomeno chiamato controreazione  negativa, che permette di creare una perturbazione nella struttura  spazio-temporale del cunicolo esattamente opposta a una qualunque perturbazione  data. Questo fenomeno è il contrario della familiare controreazione positiva: se si  posiziona di fronte alle casse un microfono collegato a un amplificatore, le  casse emettono un sibilo molto forte. In realtà avviene che il rumore di fondo degli altoparlanti viene captato dal  microfono, si amplifica, viene emesso dalle casse più potente di prima, si  amplifica di nuovo, e così via. Immaginate ora che il rumore di fondo degli  altoparlanti venga analizzato da un computer che emette di conseguenza da un  altro altoparlante un’onda sonora che ha precisamente caratteristiche opposte  alla prima onda: i due segnali si annullano a vicenda e si ottiene il silenzio  assoluto.

Attualmente sulla Terra possiamo applicare questa tecnica su onde sonore  semplici (note pure). Annullare rumori più complessi, come il clamore dei tifosi in uno stadio, non è  ancora possibile, ma molto probabilmente lo sarà nel giro di pochi anni. Quindi non è del tutto assurdo immaginare – come ha fatto Sagan – che una  civiltà più avanzata costruisca un ricevitore/trasmettitore di onde  gravitazionali che, posto nella strozzatura del cunicolo, registri le  perturbazioni provocate dall’astronave che attraversa il cunicolo ed emetta in  risposta delle onde gravitazionali che an nullano le perturbazioni prima che  queste distruggano il tunnel.

Come sono nati i cunicoli? L’approccio adottato da Morris, Yurtsever e Thorne  per risolvere il problema posto da Sagan era l’opposto di quelli adottati in  precedenza nell’analisi dei buchi neri. Invece di considerare nell’Universo  qualche tipo di oggetto conosciuto – come una stella morta massiva o un quasar –  e di provare a calcolare il suo comportamento, essi iniziarono la loro ricerca  costruendo matematicamente una geometria che descriveva un cunicolo  attraversabile; successivamente impiegarono le equazioni della teoria della  relatività generale per calcolare quali tipi di materia ed energia erano  associati a una simile struttura spazio-temporale. Quello che scoprirono è, a posteriori, quasi intuitivo. La gravità, una forza  attrattiva che fa concentrare la materia, tende a creare singolarità e a  chiudere la strozzatura dei cunicoli.

Le equazioni dicono che, per poter mantenere aperto un cunicolo artificiale,  nella sua strozzatura deve essere introdotto qualche tipo di materia o di campo  che eserciti una pressione negativa, e a cui sia associata l’antigravità. Qui già compaiono delle analogie col tipo di campo, associato alla versione  moderna della costante cosmologica, che si pensa abbia fatto espandere  l’Universo primordiale; tornerò tra breve su questo punto. Il fattore critico perché il cunicolo rimanga aperto èche la pressione negativa  (o tensione) esercitata sia maggiore della densità di massaenergia della materia  di cui il buco nero è costituito. In altre parole, la antigravità associata alla  pressione negativa non deve annullare solo gli effetti della gravità all’interno  del cunicolo stesso. Per un buco di qualche chilometro quadrato (più o meno la dimensione di una  stella di neutroni) la pressione negativa deve essere più forte della pressione  ordinaria che c’è nel cuore di una stella di neutroni. Curiosamente la materia ipotizzata che possiede questa proprietà è stata  chiamata materia “esotica”. L’équipe del CalTech dimostrò che tutti i cunicoli attraversabili devono  contenere l\na qualche forma di materia esotica.

Lo studio di Mellor, Morris e Davies potrebbe indebolire questa restrizione,  poiché le loro ricerche propongono che cunicoli naturali possano esistere anche  senza ricorrere alla materia esotica. Ma poiché ci interessano i cunicoli artificiali (una civiltà avanzatissima non  potrebbe essere certa di trovare connessioni iperspaziali nei luoghi dove sono  necessari e in ogni caso si presentano altre difficoltà al centro dei quasar),  sembra che non possiamo proprio fare a meno della materia esotica. Potreste ora sospettare – se vi ricordate qualche nozione di fisica – che la  possibilità di costruire cunicoli attraversabili debba essere definitivamente  scartata.

Di certo non incontriamo la pressione negativa nella vita di tutti i giorni  (immaginate di soffiare in un palloncino materia con pressione negativa e di  osservare il palloncino che di conseguenza si sgonfia!). Ma chi dice che nell’Universo reale non esista materia esotica? Essa potrebbe  esistere realmente! Ricordate infatti che il processo di Hawking comprende stati  di energia negativi, equivalenti a un genere di pressione negativa che agisce  sull’orizzonte di un buco nero; c’è un altro sistema, non solo teorico ma anche  pratico, che permette di produrre e di misurare – come già è stato fatto – la  pressione negativa.