Gli astronauti sopravviverebbero a un viaggio interstellare attraverso un wormhole?

Nell'opera spaziale interstellare, gli astronauti che cercano di salvare l'umanità hanno trovato un'ancora di salvezza: un wormhole che è apparso misteriosamente accanto a Saturno. Il tunnel attraverso lo spaziotempo conduce a una galassia lontana e alla possibilità di trovare pianeti abitabili che gli umani possono colonizzare. Il wormhole del film si basa sulla fisica reale del professore in pensione Kip Thorne, un pioniere dell'astrofisica che ha anche aiutato Carl Sagan a progettare il suo wormhole per il romanzo Contact . Le visualizzazioni sono sbalorditive e vengono accolte come alcune delle simulazioni più accurate di wormhole e buchi neri nel film. Ma c'è un aspetto di immergersi in un espresso interstellare che il film non affronta: come sopravvivi al viaggio?

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Sebbene non lo chiamassero così, il wormhole originale era nato da un'idea di Albert Einstein e del suo assistente Nathan Rosen. Stavano cercando di risolvere le equazioni di Einstein per la relatività generale in un modo che alla fine avrebbe portato a un modello puramente matematico dell'intero universo, compresa la gravità e le particelle che compongono la materia. Il loro tentativo prevedeva di descrivere lo spazio come due fogli geometrici collegati da "ponti", che percepiamo come particelle.

Un altro fisico, Ludwig Flamm, aveva scoperto in modo indipendente tali ponti nel 1916 nella sua soluzione alle equazioni di Einstein. Sfortunatamente per tutti loro, questa "teoria di tutto" non ha funzionato, perché i ponti teorici alla fine non si sono comportati come particelle reali. Ma il documento di Einstein e Rosen del 1935 rese popolare il concetto di tunnel attraverso il tessuto dello spaziotempo e indusse altri fisici a pensare seriamente alle implicazioni.

Il fisico di Princeton John Wheeler coniò il termine "wormhole" negli anni '60 quando stava esplorando i modelli dei ponti di Einstein-Rosen. Ha notato che i ponti sono simili ai buchi che i vermi perforavano attraverso le mele. Una formica che striscia da un lato all'altro della mela può spostarsi completamente lungo la sua superficie curva o prendere una scorciatoia attraverso il tunnel del verme. Ora immagina che il nostro spaziotempo tridimensionale sia la pelle di una mela che curva attorno a una dimensione superiore chiamata "la massa". Un ponte Einstein-Rosen è un tunnel attraverso la massa che consente ai viaggiatori di percorrere una corsia veloce tra due punti nello spazio. Sembra strano, ma è una soluzione matematica legittima alla relatività generale.

Wheeler si rese conto che le bocche dei ponti di Einstein-Rosen si adattano facilmente alle descrizioni di quello che è noto come un buco nero di Schwarzschild, una semplice sfera di materia così densa che nemmeno la luce può sfuggire alla sua attrazione gravitazionale. Ah-ah! Gli astronomi credono che i buchi neri esistano e si formino quando i nuclei di stelle estremamente massicci collassano su se stessi. Quindi i buchi neri potrebbero anche essere buchi di worm e quindi gateway per viaggiare interstellare? Matematicamente parlando, forse - ma nessuno sarebbe sopravvissuto al viaggio.

Nel modello Schwarzschild, il cuore oscuro di un buco nero è una singolarità, una sfera neutra, immobile con densità infinita. Wheeler calcolò cosa sarebbe successo se fosse nato un wormhole quando due singolarità in parti distanti dell'universo si fondessero in massa, creando un tunnel tra i buchi neri di Schwarzschild. Ha scoperto che un tale wormhole è intrinsecamente instabile: il tunnel si forma, ma poi si contrae e si pizzica, lasciandoti ancora una volta con solo due singolarità. Questo processo di crescita e contrazione avviene così rapidamente che nemmeno la luce riesce a passare attraverso il tunnel e un astronauta che prova a passare incontrerebbe una singolarità. È una morte improvvisa, poiché le immense forze gravitazionali farebbero a pezzi il viaggiatore.

"Qualunque cosa o chiunque tenti il ​​viaggio verrà distrutta nel pizzico!" Thorne scrive nel suo libro di accompagnamento il film The Science of Interstellar .

La scienza dell'interstellare

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C'è un'alternativa: un buco nero rotante di Kerr, che è un'altra possibilità nella relatività generale. La singolarità all'interno di un buco nero di Kerr è un anello al contrario di una sfera, e alcuni modelli suggeriscono che una persona potrebbe sopravvivere al viaggio se passa ordinatamente attraverso il centro di questo anello come un pallone da basket attraverso un cerchio. Thorne, tuttavia, ha una serie di obiezioni a questa nozione. In un articolo del 1987 sul viaggio attraverso il wormhole, osserva che la gola di un wormhole di Kerr contiene una regione chiamata orizzonte di Cauchy che è molto instabile. La matematica dice che non appena qualcosa, anche la luce, tenta di passare questo orizzonte, il tunnel crolla. Anche se il wormhole potesse in qualche modo stabilizzarsi, la teoria quantistica ci dice che l'interno dovrebbe essere inondato di particelle ad alta energia. Metti piede in un wormhole di Kerr e sarai fritto in modo croccante.

Il trucco è che la fisica deve ancora sposare le regole di gravità classiche con il mondo quantistico, un po 'sfuggente di matematica che molti ricercatori stanno cercando di definire. In un colpo di scena, Juan Maldacena a Princeton e Leonard Susskind a Stanford hanno proposto che i wormhole possano essere come le manifestazioni fisiche dell'entanglement, quando gli oggetti quantistici sono collegati, non importa quanto distanti siano.

Einstein descrisse notoriamente l'entanglement come "azione spettrale a distanza" e resistette al concetto. Ma molti esperimenti ci dicono che l'entanglement è reale: viene già utilizzato commercialmente per proteggere le comunicazioni online, come le transazioni bancarie. Secondo Maldacena e Susskind, grandi quantità di entanglement cambiano la geometria dello spaziotempo e possono dare origine a wormhole sotto forma di buchi neri intrecciati. Ma la loro versione non è un gateway interstellare.

"Sono wormhole che non ti consentono di viaggiare più velocemente della luce", afferma Maldacena. "Tuttavia, possono permetterti di incontrare qualcuno dentro, con il piccolo avvertimento che entrambi morirebbero con una singolarità gravitazionale."

OK, quindi i buchi neri sono un problema. Cosa può quindi essere un wormhole? Avi Loeb presso il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian afferma che le nostre opzioni sono spalancate: "Dato che non abbiamo ancora una teoria che unisca in modo affidabile la relatività generale con la meccanica quantistica, non conosciamo l'intero zoo di possibili strutture dello spazio-tempo che potrebbero ospitare wormhole ".

C'è ancora un intoppo. Thorne ha scoperto nel suo lavoro del 1987 che qualsiasi tipo di wormhole che è coerente con la relatività generale collasserà a meno che non sia aperto da quella che lui chiama "materia esotica" con energia negativa. Sostiene che abbiamo prove di materia esotica grazie a esperimenti che mostrano come le fluttuazioni quantistiche nel vuoto sembrano creare una pressione negativa tra due specchi posti molto vicini tra loro. E Loeb pensa che le nostre osservazioni sull'energia oscura suggeriscano ulteriormente che potrebbe esistere materia esotica.

"Osserviamo che nel corso della recente storia cosmica, le galassie ci stanno scappando a una velocità che aumenta con il tempo, come se fossero state influenzate dalla gravità repulsiva", afferma Loeb. "Questa espansione accelerata dell'universo può essere spiegata se l'universo è pieno di una sostanza che ha una pressione negativa ... proprio come il materiale necessario per creare un wormhole." Entrambi i fisici concordano, tuttavia, sul fatto che avresti bisogno di troppa materia esotica per formare un wormhole in modo naturale, e solo una civiltà altamente avanzata potrebbe mai sperare di raccogliere abbastanza materiale per stabilizzare un wormhole.

Ma altri fisici non sono convinti. "Penso che un wormhole stabile e attraversabile sarebbe molto confuso e sembra incompatibile con le leggi della fisica che conosciamo", afferma Maldacena. Sabine Hossenfelder presso il Nordic Institute for Theoretical Physics in Svezia è ancora più scettica: "Abbiamo assolutamente zero indicazione che ciò esiste. In effetti si crede ampiamente che non possa esistere, perché se lo facesse il vuoto sarebbe instabile". Anche se fosse disponibile materia esotica, viaggiare attraverso di essa potrebbe non essere carino. Gli effetti esatti dipenderebbero dalla curvatura dello spaziotempo attorno al wormhole e dalla densità dell'energia all'interno, afferma. "È più o meno come con i buchi neri: troppe forze di marea e ti fai a pezzi."

Nonostante i suoi legami con il film, Thorne è anche pessimista sul fatto che un wormhole attraversabile sia persino possibile, molto meno sopravvivibile. "Se possono esistere, dubito fortemente che possano formarsi naturalmente nell'universo astrofisico", scrive nel libro. Ma Thorne apprezza il fatto che Christopher e Jonah Nolan, che hanno scritto Interstellar, fossero così entusiasti di raccontare una storia fondata sulla scienza.

"La storia ora è essenzialmente tutta quella di Chris e Jonah", ha detto Thorne a Wired in un'intervista esclusiva. "Ma lo spirito di esso, l'obiettivo di avere un film in cui la scienza è incorporata nel tessuto fin dall'inizio - ed è una grande scienza - che è stato preservato."