La stella più vicina alla Terra è Proxima Centauri. Si trova a circa 4,25 anni luce di distanza, o circa 40 trilioni di km. La sonda spaziale più veloce mai vista, Parker Solar Probe, raggiungerà una velocità massima di 724204 km/h. Ci vorrebbero solo 20 secondi per andare da Los Angeles a New York City a quella velocità, ma la sonda solare impiegherebbe circa 6.633 anni per raggiungere il più vicino sistema solare vicino alla Terra.
Se l’umanità vorrà mai viaggiare nello spazio, le persone dovranno andare più veloci della luce. Ma finora, viaggiare più veloci della luce è possibile solo nella fantascienza.
Nella serie Foundation di Issac Asimov, l’umanità può viaggiare nello spazio da un pianeta all’altro, da una stella all’altra o attraverso l’universo utilizzando i motori di salto. Da bambino leggevo quante più storie su cui riuscivo a mettere le mani. Ora sono un fisico teorico e studio le nanotecnologie, ma sono ancora affascinato dai modi in cui l’umanità potrebbe un giorno viaggiare nello spazio.
Alcuni personaggi – come gli astronauti nei film “Interstellar” e “Thor” – usano i wormhole per viaggiare nello spazio in pochi secondi. Un altro approccio, familiare ai fan di “Star Trek”, è la tecnologia di trasmissione a curvatura. Le trasmissioni a curvatura sono teoricamente possibili anche se la tecnologia è ancora inverosimile. Due documenti recenti hanno fatto notizia a marzo, quando i ricercatori hanno affermato di aver superato una delle tante sfide che si frappongono tra la teoria delle pulsioni a curvatura e la realtà.
Ma come funzionano davvero questi motori a curvatura teorici? E gli umani faranno presto il salto alla velocità di curvatura?
Compressione ed espansione
L’attuale comprensione dello spaziotempo da parte dei fisici deriva dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. La Relatività Generale afferma che lo spazio e il tempo sono fusi e che nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce. La relatività generale descrive anche come massa ed energia deformano lo spaziotempo: oggetti pesanti come stelle e buchi neri curvano lo spaziotempo attorno a loro. Questa curvatura è ciò che sentiamo come gravità. I primi scrittori di fantascienza John Campbell e Asimov vedevano questo deformazione come un modo per aggirare il limite di velocità.
E se un’astronave potesse comprimere lo spazio di fronte ad essa espandendo lo spazio-tempo dietro di essa? “Star Trek” ha preso questa idea e l’ha chiamata motore a curvatura.
Nel 1994, Miguel Alcubierre, un fisico teorico messicano, ha dimostrato che la compressione dello spaziotempo davanti all’astronave mentre lo espandeva dietro era matematicamente possibile all’interno delle leggi della Relatività Generale.
Che cosa vuol dire? Immagina che la distanza tra due punti sia di 10 metri. Se ti trovi nel punto A e puoi viaggiare un metro al secondo, ci vorrebbero 10 secondi per arrivare al punto B. Tuttavia, diciamo che potresti in qualche modo comprimere lo spazio tra te e il punto B in modo che l’intervallo sia ora solo un metro. Quindi, muovendoti nello spaziotempo alla velocità massima di un metro al secondo, sarai in grado di raggiungere il punto B in circa un secondo.
In teoria, questo approccio non contraddice le leggi della relatività poiché non ti muovi più velocemente della luce nello spazio intorno a te. Alcubierre ha dimostrato che il motore a curvatura di “Star Trek” era in realtà teoricamente possibile.
Proxima Centauri stiamo arrivando, giusto? Sfortunatamente, il metodo di compressione dello spaziotempo di Alcubierre aveva un problema: richiede energia negativa o massa negativa.
Un problema di energia negativa
Il motore a curvatura di Alcubierre funzionerebbe creando una bolla di spaziotempo piatto attorno all’astronave e curvando lo spaziotempo attorno a quella bolla per ridurre le distanze. Il motore a curvatura richiederebbe una massa negativa – un tipo di materia teorizzato – o un anello di densità di energia negativa per funzionare. I fisici non hanno mai osservato la massa negativa, quindi l’energia negativa rimane l’unica opzione.
Per creare energia negativa, un motore a curvatura utilizzerebbe un’enorme quantità di massa per creare uno squilibrio tra particelle e antiparticelle. Ad esempio, se un elettrone e un antielettrone appaiono vicino al motore a curvatura, una delle particelle verrebbe intrappolata dalla massa e questo si traduce in uno squilibrio. Questo squilibrio si traduce in una densità di energia negativa. Il motore a curvatura di Alcubierre userebbe questa energia negativa per creare la bolla dello spaziotempo.
Ma affinché un motore a curvatura generi abbastanza energia negativa, avresti bisogno di molta materia. Alcubierre ha stimato che un motore a curvatura con una bolla di 100 metri richiederebbe la massa dell’intero universo visibile.
Nel 1999, il fisico Chris Van Den Broeck ha dimostrato che espandere il volume all’interno della bolla ma mantenere la superficie costante ridurrebbe significativamente il fabbisogno energetico, quasi alla massa del sole. Un miglioramento significativo, ma ancora ben al di là di tutte le possibilità pratiche.
Un futuro fantascientifico?
Due documenti recenti – uno di Alexey Bobrick e Gianni Martire e un altro di Erik Lentz – forniscono soluzioni che sembrano avvicinare le pulsioni a curvatura alla realtà.
Bobrick e Martire si sono resi conto che modificando lo spaziotempo all’interno della bolla in un certo modo, avrebbero potuto eliminare la necessità di utilizzare energia negativa. Questa soluzione, tuttavia, non produce un motore a curvatura che può andare più veloce della luce.
Indipendentemente, Lentz ha anche proposto una soluzione che non richiede energia negativa. Ha usato un approccio geometrico diverso per risolvere le equazioni della relatività generale e, così facendo, ha scoperto che un motore a curvatura non avrebbe bisogno di usare energia negativa. La soluzione di Lentz consentirebbe alla bolla di viaggiare più velocemente della velocità della luce.
È essenziale sottolineare che questi sviluppi entusiasmanti sono modelli matematici. Come fisico, non mi fiderò completamente dei modelli finché non avremo prove sperimentali. Tuttavia, la scienza delle trasmissioni a curvatura sta diventando visibile. Come fan della fantascienza, accolgo con favore tutto questo pensiero innovativo. Nelle parole del capitano Picard, le cose sono impossibili fino a quando non lo sono.
Autore
Mario Borunda, Associate Professor of Physics, Oklahoma State University
