La Scienza di Interstellar: dai Wormhole fino alla Quinta Dimensione

Interstellar resta uno dei grandi capolavori di Christopher Nolan, un film che si basa sulle grandi teorie del premio Nobel per la Fisica 2017 Kip Thorne. Quanto di scientifico e quanto di fantascientifico c’è nelle avventure di Cooper nei suoi viaggi interstellari?

Inoltrandoci nell’universo dobbiamo affrontare la realtà del viaggio interstellare. Dobbiamo arrivare molto al di là della nostra personale esistenza. Dobbiamo pensare non come individui, ma come specie

(Professor Brand)

 

Cercare di spiegare in un articolo cosa c’è dietro alla pellicola di Christopher Nolan sarebbe un’operazione quanto meno complessa, perché voi lettori vi ritrovereste un trattato ricolmo di pagine e non il solito articolo di qualche minuto, ed è proprio per evitare tutto ciò che in questo approfondimento cercheremo di stuzzicare la vostra curiosità andando a individuare alcune delle grandi tematiche affrontate da Nolan (coadiuvato da Kip Thorne) e consigliarvi poi i testi giusti per eventualmente approfondire.

Il sogno di registi e scienziati, ma anche di noi appassionati di stelle e spazio, è da sempre quello di cercare di comprendere cosa c’è oltre una stella e se mai si riuscirà a viaggiare oltre i nostri astri conosciuti.

L’ambizioso film Interstellar ci conduce proprio in un viaggio del genere, ma la sua non è un’opera prettamente fantastica, o meglio, non completamente. Grazie alla consulenza dell’astrofisico e premio Nobel Kip Thorne, gli eventi sbalorditivi a cui assistiamo nel film sono una rappresentazione concreta e scientificamente corretta di quello che gli esseri umani potrebbero affrontare in un ipotetico viaggio nello spaziotempo.

La scienza di Interstellar spazia in tutti i quattro campi fondamentali della scienza: quello newtoniano, quello relativistico, quello quantistico e quello della gravità quantistica.

Di conseguenza una parte della scienza presente nel film è nota come scienza effettiva, un’altra parte è un’ipotesi fondata e un’altra parte ancora è una semplice congettura. L’incontro tra Nolan e l’astrofisico Thorne ha permesso di viaggiare in un’ipotetica linea con sempre alla base un fondo di verità scientifica.

Nel film, l’umanità deve cercarsi una nuova casa per sopravvivere ad una carestia mondiale. Si rende quindi indispensabile scappare dal nostro pianeta e trovarne un’altro abitabile dall’uomo.

Ma dove? Siamo già da tempo alla ricerca di esopianeti abitabili, e abbiamo già individuato diversi potenziali candidati. Il problema è che sono troppo lontani. Dobbiamo capire come arrivarci. E qui entrano in gioco nel film i wormhole. O, se preferite, i ponti di Einstein-Rosen.

Si tratta di una sorta di tunnel (puramente ipotetici, per ora) che connettono punti diversi dello spazio-tempo. Delle scorciatoie, insomma. Il viaggio attraverso i Wormhole vedrà i protagonisti andare avanti e indietro nelle linee temporali, ci sarà la possibilità di ipotizzare i dischi di accrescimento e le anomalie gravitazionali fino alla più fantastica delle teorie sulla Quinta Dimensione.

I Wormhole

John Wheeler fu il creatore della parola e del concetto di Wormhole. Prese spunto dai buchi scavati nelle mele dai vermi (“wormhole”, appunto). Per una formica che cammina su una mela, la superficie di quest’ultima costituisce l’interno universo. Se la mela è attraversa da un wormhole la formica ha due opzioni per spostarsi dalla cima al fondo: girare attorno all’esterno (attraverso il suo universo) oppure scendere lungo il foro/wormhole che è anche la via più breve.

La parte interna della mela, attraverso la quale passa il wormhole, non fa parte dell’universo della formica: in campo scientifico si tratta di un bulk, o iperspazio tridimensionale. La parete del wormhole può essere pensata come una parte di questo universo ha la sua stessa dimensionalità e si congiunge all’universo (la superficie della mela) in corrispondenza dell’entrata del buco.

Se lo vediamo da un altro punto di vista invece la parete del wormhole non fa parte dell’universo della formica: è soltanto una scorciatoia passando per la quale la formica può viaggiare, attraverso il bulk, da un punto ad un altro del proprio universo.

Nel 1916, un anno dopo la legge della relatività di Einstein, Ludwig Flamm scoprì una soluzione di quelle equazioni che descrivono un wormhole (anche se all’epoca aveva un altro nome). Le equazioni di Einstein prevedono diversi tipi di wormhole (con diverse forme e comportamenti) ma soltanto l’equazione di Flamm descrive un wormhole sferico e senza materia gravitazionale.

Come vediamo dall’immagine un wormhole di Flamm ha un aspetto più dimensionale che tridimensionale. Immaginatevi come creatura a due dimensioni limitate dai movimenti, sul foglio piegato ci sono due percorsi per viaggiare dal punto A al punto B del nostro universo: quello breve che scende lungo la parete del wormhole, o quello lungo che passa lungo il foglio piegato (il corrispettivo del nostro universo).

Fin qui è tutto semplice, il problema è che noi viviamo in un universo a tre dimensioni. I cerchi concentrici nella parte sinistra della figura sono effettivamente le sfere verdi nidificate mostrate nei cerchi di destra. Quando entriamo nel wormhole nel punto A, passiamo attraverso delle sfere che diventano via via più piccole fino al punto che non cambieranno circonferenza. Nel momento che ci apprestiamo ad arrivare all’uscita le sfere ricomincieranno a diventare più grandi.

Questa teoria fu presa in considerazione molto dopo, solo nel 1935 quando Albert Einstein e il suo collega Nathan Rosen, ignari del lavoro svolto da Flamm, riscoprirono la soluzione da lui trovata, ne esplorarono le proprietà e ne avanzarono delle congetture sul suo significato nel mondo reale ed è proprio per questo motivo che successivamente altri fisici iniziarono a chiamare il wormhole come “ponte di Einstein-Rosen”.

 

Ma che aspetto avrebbe un wormhole?

Una risposta definitiva non riusciamo ancora ad averla, ma per ora le ipotesi sono le seguenti. Immaginiamo di avere un wormhole sulla Terra “stirato” attraverso il bulk dal centro di Amsterdam fino al Grand Canyon in Arizona. La distanza attraverso il wormhole potrebbe essere di appena qualche metro.

I due ingressi sono chiamati imboccature e se voi foste seduti a fianco dell’imboccatura di Amsterdam, mentre un vostro amico si trovasse in piedi nel Canyon, entrambe sembrerebbero palle di cristallo. Inoltre quando guardo nell’imbocco ad Amsterdam, vedrei un’immagine distorta del Grand Canyon (e dal Grand Canyon si vedrebbe distorta Amsterdam).

 

Esistono o no i Wormhole?

Kip Thorne, nei suoi studi è abbastanza certo su questo argomento, se possano esistere oppure no. Le leggi della fisica, ad oggi, danno poche speranze sul fatto di trovare degli wormhole attraversabili.

Potrei sbagliarmi. Nel caso sia possibile la loro esistenza dubito fortemente che possano formarsi in modo naturale nell’universo astrofisico. La mia unica speranza riguardo alla loro formazione è che quest’ultima possa avvenire in modo artificiale, per mano di una civiltà ultra avanzata.

Tuttavia non abbiamo nessuna idea di come una civiltà del genere potrebbe raggiungere tale obiettivo, che sembrerebbe essere di una difficoltà scoraggiante, fintanto che rimarrebbe all’interno del nostro universo, anche per gli essere più progrediti. Ma è qui che ci viene in aiuto il mondo del cinema e un film come Interstellar

scrive Kip Thorne sul suo libro Viaggiare nello SpazioTempo.

In Interstellar, il wormhole viene creato, tenuto aperto e piazzato nei pressi di Saturno da una civiltà che vive nel bulk e i cui membri hanno, come quest’ultimo, quattro dimensioni spaziali.

Muovendosi nell’ambito delle congetture, in quanto si tratta di un film, Thorne si è immedesimato (nel momento della scrittura di questa parte del film) in un ingegnere ultra avanzato. Ha deciso che i wormhole fossero consentiti dalle leggi della fisica, che i costruttori del wormhole disponessero di tutta la materia esotica di cui avevano bisogno per tenerlo aperto e che potessero curvare lo spazio e il tempo dentro e attorno al wormhole a loro piacimento.

Dischi di accrescimento

Non è vero che tutto ciò che ruota intorno ai buchi neri poi viene risucchiato al loro interno. Molta materia “schizza” via a seguito di un fenomeno che coinvolge il cosiddetto disco di accrescimento, cioè quel disco di materiali (plasma e gas) che circola vorticosamente intorno al buco nero prima di caderci dentro.

Anzi la materia che schizza via risulta addirittura superiore, in termini di quantità, rispetto a quella che viene inglobata dal buco nero stesso. Parliamo, naturalmente, di buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle galassie, quelli più facilmente individuabili proprio perché hanno un luminoso disco di accrescimento intorno.

Quindi cos’è un Disco di Accrescimento?

Un disco di accrescimento altro non è che un disco di gas caldissimo, attraversato da un campo magnetico, che circonda un buco nero. Nel nostro universo il gas caldo è quasi sempre attraversato da campi magnetici. Questi campi poi si trovano bloccati nel gas e i due devono muoversi insieme, di pari passo.

Un campo magnetico quando attraversa un disco di accrescimento diventa un catalizzatore per la conversione dell’energia gravitazionale in calore e poi in luce. Il campo fornisce un fortissimo attrito che rallenta il moto circonferenziale del gas, riducendone la forza centrifuga che lo spinge verso l’esterno e che si oppone all’attrazione della gravità, così che il gas inizia a muoversi verso l’interno, in direzione del buco nero. Man mano che il gas scende, la gravità accellera: in poche parole l’energia gravitazionale viene convertita in energia cinetica. L’attrito magnetico trasforma quindi metà di quella nuova energia cinetica in calore e luce, ripetendo il processo di continuo.

In Interstellar, troviamo proprio un disco di accrescimento nei pressi di Gargantua.

Per evitare che gli astronauti dell’Endurance facciano una bruttissima fine, in quanto un disco di accrescimento con i suoi getti emetterebbe una radiazione (raggi X, gamma, onde radio e luce) talmente intensa da friggere qualsiasi cosa, Christoper Nolan ha dato a Gargantua un disco estremamente anemico. Anziché avere una temperatura di centinaia di milioni di gradi, il disco raggiunge solo qualche migliaio di gradi. Con questo disco “anemico” e in assenza di getti, l’ambiente attorno a Gargantua è davvero benigno.

Ovviamente il team di Nolan ha cercato di mediare più possibile tra scienza e finzione, per la realizzazione di Gargantua,  affinché anche lo spettatore più pignolo e fissato con la scienza si possa in qualche modo sentire appagato. Per la prima volta nella storia del cinema, un buco nero e il suo disco sono stati rappresentati come di fatto li vedremo quando potremmo compiere il nostro primo viaggio interstellare.

La forza di gravità

 

La gravità non è responsabile se gli uomini si innamorano.

Albert Einstein

 

Nel film Interstellar il concetto di relatività viene esaltato, il viaggio interstellare si perfeziona e in poco tempo, in pochi decenni, gli esseri umani si evolvono a vivere a cinque dimensioni. La chiave per affrontare il passaggio da un universo a quattro dimensioni ad uno a cinque viene reso possibile grazie alla manipolazione della gravità.

Ed ecco che durante il film i protagonisti arrivano alla quinta dimensione cercando di darle un senso attraverso il concetto di Amore.

L’amore, una forza tra due corpi che non ha limiti di propagazione come le forze fisiche classiche. Sarà l’amore del padre verso i figli o la necessità di trovare e farsi travolgere dall’amore che veramente ci fa vivere la quinta dimensione?

Anche Dante Alighieri concludeva così la sua Divina Commedia:

L’amor che move il sole e l’altre stelle

Paradiso, XXXIII, v. 145.

Ma la quinta dimensione esiste davvero?

Che cos’è la quinta dimensione? Il nostro universo per come lo conosciamo e per come lo osserviamo è quadrimensionale, è lo spazio-tempo. Lo spazio-tempo è caratteristico della relatività generale è il luogo dove avvengono tutti i fenomeni che obbediscono alle leggi della fisica ed è composto da quattro dimensioni: tre che compongono lo spazio, definito da lunghezza, larghezza e profondità, e una che governa il tempo.

La Teoria della relatività generale di Einstein non definisce un numero di dimensioni possibili per l’universo, però alcune leggi che funzionano in una realtà a quattro dimensioni  potrebbero non essere adeguate per descrivere realtà con più dimensioni.

Nella teoria delle stringhe, un ramo della fisica teorica, si è arrivati a ipotizzare l’esistenza di circa undici dimensioni, quindi altre dimensioni potrebbero esistere, ma essere tanto lunghe o piccole e incurvate da risultare quindi molto difficili da osservare.

Partiamo dall’inizio cercando di capire quello che sappiamo dalla fisica classica che ci spiega i fenomeni che osserviamo e quello che possiamo ipotizzare con la fisica teorica. Le equazioni della Teoria di Einstein della Relatività Generale ci permettono di spiegare i fenomeni fisici che ci circondano ed in particolare ci permettono di comprendere il fenomeno della gravità.

Nella teoria della relatività generale la gravità non è un campo, ma una proprietà, ossia una caratteristica dello spazio stesso e tutti i corpi massicci curvano lo spazio attorno a sé stessi. La Teoria della Relatività ha stravolto i concetti di spazio e tempo dicendoci che la materia è in grado di curvare lo spazio-tempo e questa curvatura determina il fenomeno della gravità.

La teoria ipotizza anche l’esistenza di un punto dello spazio dove la densità è infinita e che è osservabile dall’esterno: questa è una singolarità nuda dove la gravità si fa così intensa che lo spazio e il tempo collassano e le leggi della fisica vengono meno.

Un oggetto di grandi dimensioni sufficientemente grande può collassare su sé stesso fino a concentrarsi in un punto a densità infinita.

Teoricamente l’esistenza di singolarità nuda implica la possibilità di osservare un oggetto collassare fino ad avere una densità infinita.

Le singolarità esistono e sono previste dalla teoria, esistono al centro dei buchi neri circondate dall’orizzonte degli eventi. All’interno di un buco nero la singolarità è quel punto di non ritorno che non permette a nulla di sfuggire, nemmeno alla luce. Ed ecco perché non riusciamo ad osservare un buco nero dall’esterno, è quello che viene chiamato censura cosmica, le singolarità prodotte dal collasso gravitazionale si verificano pudicamente, solo in luoghi dove possono rimanere nascoste a ogni osservatore esterno

Se queste singolarità si confermassero anche all’esterno degli orizzonti degli eventi cosa succederebbe?

Se queste singolarità comparissero anche all’esterno dell’orizzonte degli eventi si avrebbe una singolarità nuda, una singolarità osservabile. L’esistenza teorica delle singolarità nude implicherebbe la possibilità di osservare il collasso di un oggetto fino a densità infinita.

Non si sa ancora cosa comporti questo effetto, ma se la singolarità nuda dovesse esistere la teoria della Relatività Generale non funzionerebbe più e non avremmo più delle teorie in grado di spiegare l’universo.

Quel che è certo è che se il fenomeno delle singolarità nude dovesse essere verificato, ci troveremmo davanti alla prova inconfutabile dell’esistenza della Quinta Dimensione.

Nel 2016 un gruppo di scienziati ha pubblicato uno studio nel quale hanno dimostrato che un buco nero con una forma curiosa potrebbe far crollare la Teoria della Relatività Generale di Einstein: hanno ipotizzato un oggetto che potrebbe esistere solo in un Universo in cinque dimensioni.

I ricercatori dell’Università di Cambridge e della Queen Mary University di Londra hanno simulato con successo un buco nero a forma di anello molto sottile e che dà origine a una serie di rigonfiamenti collegati da corde che si assottigliano nel tempo. Le corde alla fine risultano così sottili che diventano una serie di buchi neri in miniatura.

La particolarità di questa struttura di fatto è che può esistere soltanto in uno spazio che arriva alla quinta dimensione. Questi buchi neri a forma di anello erano già stati teorizzati nel 2002, ma è soltanto con l’aiuto di un supercomputer che più tardi è stato possibile simularne con successo la dinamica.

Quindi se questo tipo di buco nero si formasse porterebbe alla comparsa di una singolarità nuda da qui l’inefficacia delle equazioni alla base della relatività generale.

L’Universo a cinque dimensioni

Pensare però ad un Universo a cinque dimensioni porterebbe a risolvere alcune delle profonde questioni aperte nella fisica delle particelle, come la possibilità di spiegare i modelli misteriosi visti nelle masse di particelle elementari.

Non solo, ci porterebbe sulla strada giusta per scoprire indizi sulla materia oscura.

La materia oscura è qualcosa che non si vede perché a differenza della materia conosciuta non emette radiazioni elettromagnetiche, ma sappiamo che c’è perché interagisce con la materia conosciuta attraverso delle interazioni gravitazionali. Costituisce quasi il 90% dell’Universo, ma ancora non si sa esattamente cosa sia.

 

Per approfondire:

 

E se la materia oscura fosse da noi sconosciuta perché si trova su una dimensione che non conosciamo? Come facciamo a capire effettivamente il nostro punto di osservazione?

Con la teoria della relatività generale applicata ad uno spettro quadrimensionale siamo riusciti a spiegare i fenomeni che governano l’Universo, almeno la maggior parte. Ci manca ancora molto da capire: e se quello che non capiamo si trovasse in una dimensione superiore che non conosciamo?

Ad esempio partiamo da una situazione semplice in cui possono esistere esseri bidimensionali. Prendiamo una striscia di carta e la pieghiamo e la uniamo creando un nastro di Moebius. Se pensiamo ad un essere bidimensionale, questo la percorrerebbe tutta su entrambi i lati senza rendersi conto delle curve e dei giri. Per l’essere bidimensionale il percorso gli risulterebbe piatto e ritornerebbe al punto di partenza senza capire perché. Egli continuerebbe a stupirsi del continuo giro, come in un loop, ma non vedrebbe nulla di più di quello che può osservare.

 

Noi esseri tridimensionali vediamo le curve e riusciamo a capire perché l’essere bidimensionale ritorna al punto di origine, ma lui non potrà mai capirlo.

In questo momento noi potremmo essere come quell’essere bidimensionale. Osserviamo comportamenti e dinamiche, ma alcune di queste non riusciamo a spiegarle o meglio non abbiamo gli elementi e gli strumenti per poterli comprendere.

Cosa sappiamo sulla Quinta Dimensione e sulla Materia Oscura?

I ricercatori dell’università di Granada, in Spagna, e dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz, in Germania, in una recente ricerca hanno scoperto che esisterebbero delle particelle subatomiche di tipo fermionico in grado di viaggiare attraverso dei portali in una quinta dimensione deformata dell’Universo.

Searching for dark matter through the fifth dimension (sciencedaily.com)

Applicando l’equazione di campo (teorizzata inizialmente da Einstein nella teoria della relatività generale) su cinque dimensioni è stato possibile pronosticare l’esistenza di una nuova particella pesante con proprietà simili al famoso bosone di Higgs, ma con una massa molto più pesante. Questa nuova particella sarebbe talmente pesante che non sarebbe possibile nemmeno riprodurla negli attuali acceleratori di particelle più potenti presenti al mondo come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

Sono proprio queste pesanti particelle, i fermioni, che restando intrappolati tra un passaggio e l’altro producono delle interazioni. Queste particelle al momento non sono accessibili e osservabili dagli attuali strumenti di misurazione ed è per questo che potrebbero costituire parte della materia oscura.

Con questa teoria i ricercatori hanno scoperto che la particella proposta avrebbe necessariamente mediato una nuova forza tra le particelle elementari conosciute del nostro universo visibile e la misteriosa materia oscura, che è la parte non osservabile ma di cui vediamo gli effetti.

Una teoria che potrebbe spiegare anche l’abbondanza di materia oscura nel cosmo osservata negli esperimenti astrofisici.

Infatti gli stessi ricercatori spiegano che se si suppone che la materia oscura è costituita da fermioni fondamentali, che vivono in una quinta dimensione, allora questa particella collega la materia visibile che conosciamo con i costituenti della materia oscura.

Attraverso la presenza di una quinta dimensione si possono ottenere indizi sulla fisica in una fase molto precoce della storia del nostro universo, quando per la prima volta fu prodotta la materia oscura. Si propone quindi un nuovo modello dell’universo con una quinta dimensione che queste particelle possono attraversare. Questo studio è solo una teoria, ma si tratta di nuova fisica che potrebbe un domani svelare qualche mistero su questi processi sconosciuti.

È il primo studio che utilizza coerentemente la teoria dei modelli di Randall-Sundrum che introduce una quinta dimensione deformata dell’Universo, al momento è impossibile da vedere ma intuibile per le stranezze che genera sul nostro piano di realtà. Gli stessi scienziati affermano che non è un’idea inverosimile: la materia ordinaria è fatta di fermioni e se esiste questa quinta dimensione molto probabilmente si propagheranno in essa.

Per dimostrare questa teoria sarebbe necessario disporre del giusto tipo di rilevatore a onde gravitazionali, al momento non esiste quello giusto, ma non è detto che in futuro non sia possibile realizzarlo. Una nuova fisica che contempla nuove particelle subatomiche ed una nuova dimensione che ampliano così gli orizzonti della ricerca ed offre spunti per determinare i costituenti della materia oscura e per ottenere indizi sulla nascita del nostro Universo.

In conclusione

Questi sono soltanto alcuni dei temi che è possibile trovare nel capolavoro di Christopher Nolan. Abbiamo cercato di sviscerarli (non tutti tra l’altro) per cercare di farvi capire quanta scienza ci fosse dietro a questa pellicola.

Interstellar proprio per questo è un film rivoluzionario ed unico sotto tantissimi aspetti, proprio grazie alla consulenza dell’astrofisico Kip Thorne gli eventi sbalorditivi a cui assistiamo nel film sono una rappresentazione quasi scientificamente corretta di quello che gli esseri umani potrebbero affrontare in un viaggio all’esplorazione dello spazio-tempo.

Un’avventura che ad oggi è ancora fantasia, ma siamo certi che gli studiosi in tutto il mondo stanno accelerando sempre di più le conoscenze e le tecnologie per dimostrare sul campo queste magnifiche teorie.

Articolo scritto a quattro mani con Margherita Farella.

 

 

• End Point of Black Ring Instabilities and the Weak Cosmic Censorship Conjecture (arxiv.org)
• Searching for dark matter through the fifth dimension (sciencedaily.com)