Chiedi a Jyotiraditya: - WormHole, Singularity

Timetravel Mystery

Con tutto il mio entusiasmo per il futuro dell'umanità nello spazio, c'è un problema evidente. Siamo sacchi di carne morbidi per lo più d'acqua, e quelle altre stelle sono davvero molto lontane. Anche con le tecnologie di volo spaziale più ottimistiche che possiamo immaginare, non raggiungeremo mai un'altra stella in una vita umana.

La realtà ci dice che anche le stelle più vicine sono incomprensibilmente lontane e che richiederebbero enormi quantità di energia o di tempo per compiere il viaggio. La realtà dice che avremmo bisogno di una nave che possa in qualche modo durare per centinaia o migliaia di anni, mentre generazione dopo generazione di astronauti nascono, vivono le loro vite e muoiono in transito verso un'altra stella.

La fantascienza, d'altra parte, ci incanta con i suoi metodi seducenti di propulsione avanzata. Avvia il vortice e osserva le stelle che ci passano davanti, facendo un viaggio verso Alpha Centauri veloce come una crociera di piacere.

Sai cosa è ancora più facile? Un wormhole; un gateway magico che collega due punti nello spazio e nel tempo tra loro. Basta allineare i galloni per comporre la destinazione, attendere che lo stargate si stabilizzi e quindi camminare ... camminare! a destinazione a mezza galassia di distanza.

Sì, sarebbe davvero bello. Qualcuno dovrebbe davvero andare in giro a inventare questi wormhole, inaugurando un nuovo audace futuro di speedwalking intergalattico. Che cosa sono esattamente i wormhole e quanto tempo prima che ne abbia uno?

Un wormhole, noto anche come ponte di Einstein-Rosen, è un metodo teorico per piegare spazio e tempo in modo da poter collegare due luoghi nello spazio insieme. Potresti quindi viaggiare istantaneamente da un luogo a un altro.

Useremo quella classica dimostrazione del film Interstellar, in cui si disegna una linea da due punti, su un pezzo di carta, quindi si piega il foglio e si passa la matita per accorciare il viaggio. Funziona benissimo sulla carta, ma questa è fisica reale?

Come ci ha insegnato Einstein, la gravità non è una forza che attira la materia come il magnetismo, è in realtà una deformazione dello spaziotempo. La Luna pensa che stia solo seguendo una linea retta attraverso lo spazio, ma in realtà sta seguendo il percorso deformato creato dalla gravità terrestre.

E così, secondo Einstein e il fisico Nathan Rosen, potresti ingarbugliare lo spaziotempo così strettamente che due punti condividono la stessa posizione fisica. Se potessi quindi mantenere il tutto stabile, potresti separare attentamente le due regioni dello spaziotempo in modo che siano sempre nella stessa posizione, ma separate da qualsiasi distanza ti piaccia.

Scendi dal pozzo gravitazionale di un lato del wormhole e poi appare istantaneamente nell'altra posizione. Milioni o miliardi di anni luce di distanza. Sebbene teoricamente sia possibile creare wormhole, sono praticamente impossibili da ciò che attualmente comprendiamo.

Il primo grosso problema è che i wormhole non sono percorribili secondo la Relatività Generale. Quindi tienilo a mente; la fisica che predice queste cose, ne proibisce l'uso come metodo di trasporto. È uno sciopero piuttosto grave contro di loro.

In secondo luogo, anche se si potevano creare wormhole, sarebbero completamente instabili, collassando immediatamente dopo la loro formazione. Se hai provato a camminare verso un'estremità, potresti anche camminare in un buco nero.

In terzo luogo, anche se sono attraversabili e possono essere mantenuti stabili, nel momento in cui qualsiasi materiale provasse a passare attraverso - anche i fotoni di luce - ciò li avrebbe fatti crollare.

C'è un barlume di speranza, tuttavia, perché i fisici non hanno ancora capito come unificare la gravità e la meccanica quantistica.

Ciò significa che l'Universo stesso potrebbe sapere cose sui wormhole che non capiamo ancora. È possibile che siano stati creati naturalmente come parte del Big Bang, quando lo spaziotempo dell'intero Universo è stato ingarbugliato in una singolarità.

Gli astronomi hanno effettivamente proposto di cercare wormhole nello spazio cercando come la loro gravità distorce la luce dalle stelle dietro di loro. Nessuno è ancora arrivato.

Una possibilità è che i wormhole appaiano naturalmente come le particelle virtuali che sappiamo esistano. Tranne che sarebbero incomprensibilmente piccoli, sulla scala di Planck. Avrai bisogno di un veicolo spaziale più piccolo.

Una delle implicazioni più affascinanti dei wormhole è che potrebbero permetterti di viaggiare davvero nel tempo.

Ecco come funziona. Innanzitutto, crea un wormhole in laboratorio. Quindi prendi un'estremità del wormhole, mettilo su un veicolo spaziale e vola via a una percentuale significativa della velocità della luce, in modo che la dilatazione del tempo abbia effetto.

Per le persone sull'astronave, si sarebbero verificati solo pochi anni, mentre avrebbero potuto essere centinaia o addirittura migliaia per le persone sulla Terra. Supponendo che potresti mantenere il wormhole stabile, aperto e attraversabile, quindi viaggiarci attraverso sarebbe interessante.

Se passassi in una direzione, non solo sposteresti la distanza tra i wormhole, ma verrai anche trasportato nel tempo in cui si sta verificando il wormhole. Vai in una direzione e vai avanti nel tempo, vai nell'altra direzione: indietro nel tempo.

Alcuni fisici, come Leonard Susskind, pensano che non funzionerebbe perché violerebbe due dei principi fondamentali della fisica: il risparmio energetico locale e il principio di incertezza energia-tempo.

Sfortunatamente, sembra davvero che i wormhole dovranno rimanere nel regno della fantascienza per il prossimo futuro, e forse per sempre. Anche se è possibile creare wormhole, hai la possibilità di mantenerli stabili e aperti, e quindi devi capire come consentire la materia in essi senza collassare. Tuttavia, se potessimo capirlo, ciò renderebbe davvero molto conveniente il viaggio nello spazio.

Come i buchi neri, i wormhole nascono come valide soluzioni alle equazioni della teoria della relatività generale di Albert Einstein e, come i buchi neri, la frase fu coniata (nel 1957) dal fisico americano John Wheeler. Inoltre, come i buchi neri, non sono mai stati osservati direttamente, ma sorgono così facilmente in teoria che alcuni fisici sono incoraggiati a pensare che alla fine si possano trovare o fabbricare controparti reali.

Nel 1916, il fisico austriaco Ludwig Flamm, mentre osservava la soluzione di Karl Schwarzschild alle equazioni di campo di Einstein, che descrive una particolare forma di buco nero noto come buco nero di Schwarzschild, notò che era possibile anche un'altra soluzione, che descriveva un fenomeno che in seguito venne essere conosciuto come un "buco bianco". Un buco bianco è l'inversione temporale teorica di un buco nero e, mentre un buco nero funge da vuoto, attingendo qualsiasi materia che attraversi l'orizzonte degli eventi, un buco bianco agisce come una fonte che espelle la materia dal suo orizzonte degli eventi. Alcuni hanno anche ipotizzato che ci sia un buco bianco sull'altro lato di tutti i buchi neri, in cui tutta la materia che succhia il buco nero viene espulsa in un universo alternativo e persino che ciò che pensiamo come il Big Bang potrebbe in effetti sono stati il ​​risultato di un tale fenomeno.

Flamm notò anche che le due soluzioni, che descrivevano due diverse regioni dello spazio-tempo, potevano essere matematicamente collegate da una sorta di condotto spazio-temporale, e che, almeno in teoria, il buco nero "entrata" e il buco bianco "uscita" potevano essere in parti totalmente diverse dello stesso universo o persino in universi diversi! Lo stesso Einstein esplorò ulteriormente queste idee nel 1935, insieme a Nathan Rosen, e i due ottennero una soluzione nota come ponte di Einstein-Rosen (noto anche come wormhole Lorentzian o wormhole di Schwarzschild).

Per visualizzare meglio un wormhole, considera l'analogia di un pezzo di carta con due segni di matita disegnati su di esso (per rappresentare due punti nello spazio-tempo), la linea tra loro che mostra la distanza da un punto all'altro nello spazio-tempo normale . Se la carta è ora piegata e piegata quasi il doppio (l'equivalente di uno spazio-tempo che deforma drasticamente), quindi infilare la matita attraverso la carta fornisce un modo molto più breve di collegare i due punti, una scorciatoia nello spazio-tempo molto simile a un wormhole.

Alcuni teorici sono incoraggiati a pensare che alla fine potrebbero essere trovate o fabbricate controparti reali e, forse, utilizzate come tunnel o scorciatoie per viaggi nello spazio ad alta velocità tra punti distanti o anche per viaggi nel tempo (con tutti i potenziali paradossi che potrebbero comportare ). Tuttavia, una proprietà generalmente accettata dei wormhole è che sono intrinsecamente altamente instabili e probabilmente collasserebbero in un tempo molto più breve di quello che ci vorrebbe per passare dall'altra parte. Ad ogni modo, si prevede che collasserebbero all'istante se anche la più piccola quantità di materia (persino un singolo fotone) tentasse di attraversarli.

Sebbene siano stati suggeriti alcuni possibili modi teorici per aggirare questo problema (ad esempio, usando "stringhe cosmiche" o "materia negativa" o qualche altra materia esotica con "energia negativa") per evitare che il wormhole si blocchi, l'idea rimane in gran parte nel regno della fantascienza per il momento. Tuttavia, non è stato ancora dimostrato matematicamente oltre ogni dubbio che un qualche tipo di materia esotica con densità di energia negativa è un requisito assoluto per i wormhole, né è stato stabilito che tale materia esotica non possa esistere, quindi la possibilità di un'applicazione pratica di la teoria rimane ancora.

Poiché un wormhole è un condotto attraverso lo spazio-tempo in 4 dimensioni, e non solo attraverso lo spazio, Stephen Hawking e altri hanno anche ipotizzato che i wormhole potrebbero teoricamente essere utilizzati per viaggiare attraverso il tempo e lo spazio, sebbene si creda ampiamente che il tempo viaggiare nel passato non sarà mai possibile a causa del potenziale per paradossi e circuiti di feedback autodistruttivi.

Singolarità

Al centro di un buco nero c'è una singolarità gravitazionale, un punto unidimensionale che contiene un'enorme massa in uno spazio infinitamente piccolo, dove densità e gravità diventano infinite e lo spazio-tempo si curva all'infinito e dove cessano le leggi della fisica come le conosciamo operare. Come lo descrive l'eminente fisico americano Kip Thorne, è "il punto in cui tutte le leggi della fisica si infrangono".

La teoria attuale suggerisce che, quando un oggetto cade in un buco nero e si avvicina alla singolarità al centro, verrà allungato o "spaghettificato" a causa del crescente differenziale nell'attrazione gravitazionale su diverse parti di esso, prima di presumibilmente perdere completamente la dimensionalità e scomparendo irrevocabilmente nella singolarità. Un osservatore che guarda da una distanza di sicurezza all'esterno, tuttavia, avrebbe una visione diversa dell'evento. Secondo la teoria della relatività, vedrebbero l'oggetto muoversi sempre più lentamente mentre si avvicina al buco nero fino a quando non si ferma completamente all'orizzonte degli eventi, senza mai cadere nel buco nero.

L'esistenza di una singolarità è spesso considerata la prova che la teoria della relatività generale è fallita, il che forse non è inaspettato in quanto si verifica in condizioni in cui gli effetti quantistici dovrebbero diventare importanti. È ipotizzabile che una futura teoria combinata della gravità quantistica (come l'attuale ricerca sulle superstringhe) possa essere in grado di descrivere i buchi neri senza la necessità di singolarità, ma tale teoria è ancora lontana molti anni.

Secondo l'ipotesi della "censura cosmica", la singolarità di un buco nero rimane nascosta dietro il suo orizzonte degli eventi, in quanto è sempre circondata da un'area che non consente alla luce di sfuggire, e quindi non può essere osservata direttamente. L'unica eccezione consentita dall'ipotesi (nota come singolarità "nuda") è lo stesso Big Bang iniziale.

Sembra probabile, quindi, che, per sua stessa natura, non saremo mai in grado di descrivere completamente o persino comprendere la singolarità al centro di un buco nero. Sebbene un osservatore possa inviare segnali in un buco nero, nulla all'interno del buco nero potrà mai comunicare con qualcosa al di fuori di esso, quindi i suoi segreti sembrerebbero essere al sicuro per sempre.

Jyotiraditya