Perché non possiamo realizzare un motore a curvatura, ora che sappiamo che l’antimateria cade

 

L’antimateria non è antigravitante ...e, con ciò, la migliore speranza dell’umanità di costruire un motore a curvatura è appena morta.

Foto: il motore a curvatura secondo Star Trek

Da quando per la prima volta abbiamo alzato lo sguardo al cielo notturno e abbiamo visto lo scintillante arazzo di stelle lontane, l’umanità si è chiesta cos’altro potrebbe esserci là fuori e, man mano che abbiamo imparato di più sull’Universo, la nostra curiosità non ha fatto che aumentare. Abbiamo scoperto non solo migliaia di stelle visibili a occhio nudo, ma altre centinaia di miliardi nella nostra Via Lattea e altri miliardi di galassie nell’Universo osservabile. Ora sappiamo che la maggior parte di queste stelle probabilmente contiene un sistema di pianeti che le orbitano attorno e molti di questi pianeti hanno proprietà – come temperatura, dimensioni, massa e composizione atomica – che sono molto simili alla Terra.

Sfortunatamente, le nostre speranze di visitare ed esplorare questi mondi devono affrontare un enorme ostacolo: le distanze, proibitive mentre siamo limitati alla velocità della luce ... 

Infatti, sebbene sia teoricamente possibile accelerare oggetti, anche macroscopici, a velocità prossime a quella della luce, le leggi della fisica non solo ci impediscono di raggiungere o superare quella velocità, ma ci condannano alla dura esperienza della dilatazione del tempo. Se potessimo viaggiare nello spazio a velocità prossime a quella della luce, sulla Terra passerebbero molti più anni di quelli che noi vivremmo effettivamente durante il nostro viaggio.

Per ovviare a questo problema gli scienziati hanno preso in prestito un concetto dalla fantascienza: il motore a curvatura, cioè una “scorciatoia” ottenibile curvando il tessuto dello spaziotempo. La fisica dietro questa possibilità è stata elaborata da Miguel Alcubierre nel 1994 e l’unico prerequisito per realizzarla è qualcosa definito come “energia negativa” o “massa negativa”. Purtroppo, con il recente esperimento che ha dimostrato che l’antimateria si comporta come la materia in un campo gravitazionale, la più grande speranza dell’umanità di realizzare praticamente i nostri sogni di costruire un motore a curvatura ha appena subito un duro colpo. Ecco la scienza dietro un risultato sorprendente che fa riflettere.

Una visualizzazione di un modello di spazio a 3 tori, in cui il nostro Universo osservabile potrebbe essere solo una piccola parte della struttura complessiva. Similmente a immaginare il nostro Universo (o qualsiasi spazio tridimensionale) racchiuso da un confine bidimensionale, il nostro spazio tridimensionale potrebbe in effetti essere il confine attorno a uno spazio di dimensione superiore. Sebbene esistano vincoli sulle proprietà e sul numero di tali dimensioni extra, la possibilità non può essere esclusa, e potrebbe essere possibile prendere una “scorciatoia” attraverso una dimensione extra per spostarsi tra due punti più rapidamente di quanto farebbe normalmente la relatività speciale. permesso. ( Credito : Bryan Brandenburg/Wikimedia Commons)

Le origini einsteiniane del motore a curvatura

I semi del motore a curvatura furono piantati ancor prima che arrivasse la Teoria della Relatività Generale di Einstein: già nel XIX secolo, quando i matematici iniziarono a giocare con nuovi tipi di geometria che andavano ben oltre l’immaginazione di Euclide e dei suoi successori. Per gran parte della storia della matematica, lo spazio poteva contenere fino a tre dimensioni, e ciascuna dimensione poteva essere rappresentata correttamente da un insieme di “linee della griglia” cartesiane, dove le linee parallele continuavano per sempre e non si intersecavano mai.

La situazione cominciò a cambiare quando i matematici iniziarono a considerare due nuove possibilità più o meno nello stesso periodo:

1 - che potrebbero esserci dimensioni spaziali “extra” oltre le tre che riconosciamo,

2 - e anche quello spazio potrebbe essere curvo, anziché spazialmente piatto.

Queste realizzazioni portarono con sé una serie di implicazioni profonde. I triangoli, se sommassi i tre angoli al loro interno, potrebbero sommare valori inferiori o superiori a 180 gradi, a seconda che il tuo spazio fosse curvo negativamente o positivamente. Le linee parallele non rimarrebbero equidistanti per sempre, ma divergerebbero o convergerebbero a seconda che il tuo spazio fosse curvo positivamente o negativamente.

La somma degli angoli di un triangolo varia a seconda della curvatura spaziale presente. Un Universo con curvatura positiva (in alto), curvatura negativa (al centro) o piatto (in basso) avrà la somma degli angoli interni di un triangolo rispettivamente maggiore, minore o esattamente uguale a 180 gradi. Gli sviluppi avanzati nella geometria non euclidea hanno preceduto la loro applicazione alla fisica. ( Credito : Team scientifico NASA/WMAP)

In uno scenario estremo, potresti persino immaginare che il tuo spaziotempo sia così curvo che due punti che convenzionalmente – in uno spazio di tipo cartesiano/euclideo – sarebbero posizionati distanti tra loro vengono in realtà “piegati” in modo da connettersi. Se così fosse, consentirebbe un trasporto quasi istantaneo tra questi due luoghi apparentemente sconnessi, semplicemente prendendo una “scorciatoia” resa possibile dalla forte piegatura o curvatura dello spazio.

Molti matematici giocarono con queste nuove possibilità, inventando e sviluppando rami della matematica completamente nuovi, come la geometria non euclidea, di cui elaborarono i dettagli in una miriade di scenari che prevedevano queste nuove condizioni.

Quando Einstein elaborò la sua teoria della relatività speciale nel 1905, ci si rese presto conto che due nuove conseguenze sarebbero arrivate insieme alla sua scoperta che lo spazio e il tempo non potevano più essere trattati come quantità assolute. La prima era che lo spazio e il tempo erano inestricabilmente intrecciati insieme in un unico tessuto quadridimensionale: lo spaziotempo. E l’altro era che ogni osservatore all’interno dell’Universo avrebbe sperimentato lo spazio e il tempo in modo diverso, a seconda delle rispettive posizioni e movimenti reciproci.

Gravitazione e Relatività Generale

 Einstein fu uno dei tanti a riconoscere che la sua nuova nozione di relatività speciale e la vecchia formulazione della gravità newtoniana erano fondamentalmente incompatibili e che sarebbe stata necessaria una nuova concezione teorica della gravità per mettere ordine nell’Universo. 

Fu quello che Einstein avrebbe poi chiamato il suo pensiero più felice – il principio di equivalenza – che alla fine avrebbe portato alla sua nuova teoria della gravità: la Relatività Generale.

Il principio di equivalenza pone una semplice domanda: immagina di essere in una stanza e tutti gli oggetti nella tua stanza accelerano verso il basso, verso il pavimento, a quella che convenzionalmente conosciamo come g, l’accelerazione dovuta alla gravità sulla superficie terrestre. Dall’interno di questa stanza quale test, si chiese Einstein, si sarebbe potuto eseguire, per distinguere:

1 - se la stanza fosse ferma sulla superficie della Terra,

2 - dal fatto che la stanza stesse accelerando a causa di una spinta esterna nel vuoto dello spazio?

La risposta, capì subito Einstein, era nessuno. Tutte le osservazioni produrrebbero risultati identici in queste due circostanze e, quindi, i due scenari di accelerazione dovuta alla gravità e accelerazione dovuta a una forza esterna (cioè F = m a ) di Newton erano equivalenti.

Un wormhole è l’unico modo, nel contesto della Relatività Generale, attraverso cui può avvenire il trasporto immediato tra due eventi disparati e sconnessi nello spaziotempo. Questi “ponti” sono solo curiosità matematiche in questo momento; non è mai stata provata l’esistenza o la creazione di wormhole fisici, ma se ne venisse scoperto uno potrebbe immediatamente testare le previsioni della Relatività Generale, così come eventuali teorie alternative concorrenti. 

( Credito : vchalup / Adobe Stock)

Ci vollero diversi anni ad Einstein, l’esplorazione di numerosi vicoli ciechi della matematica, la necessità di arruolare matematici le cui capacità superavano di gran lunga le sue, e il ritorno indietro e la correzione di numerosi errori prima che finalmente, nel 1915, arrivasse alla sua teoria della Relatività Generale nella sua forma finale.

Questa teoria conteneva ancora un tessuto quadridimensionale dello spaziotempo, con tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale, ma questa volta includeva anche la gravitazione. La brillante realizzazione fu semplicemente che massa ed energia, sia in grandezza che distribuzione, determinano la curvatura del tessuto sottostante dello spaziotempo, e quindi quel tessuto curvo dello spaziotempo dice a tutte le forme di massa ed energia come muoversi attraverso di esso.

Circa 20 anni dopo, fu scoperta una soluzione straordinaria nell’ambito della Relatività Generale.

Nel 1935, Einstein e il suo studente, Nathan Rosen, pubblicarono un articolo in cui dimostravano la fattibilità di curvare lo spazio in modo tale che due luoghi lontani – separati da una grande distanza nello spazio e nel tempo – potessero essere collegati da un ponte attraverso linee fortemente curve. Conosciuto come ponte Einstein-Rosen, o “ER” in breve, questo divenne in seguito sinonimo del concetto di wormhole, con conseguenze teoriche ancora da scoprire.

Prima la narrativa, poi la scienza

Questi ponti Einstein-Rosen, sfortunatamente, portarono con sé alcune conseguenze molto preoccupanti: quelle che i fisici spesso chiamano “patologie” nella teoria. Questi wormhole sarebbero instabili, nel senso che non potrebbero essere mantenuti come entità permanentemente aperte e attraversabili. Si staccherebbero e collasserebbero istantaneamente, per esempio, e se tentassi di far passare della materia attraverso di loro, le forze gravitazionali di marea provenienti dalla grave curvatura dello spazio la distruggerebbero assolutamente. Tuttavia, il wormhole, o l’idea di utilizzare la curvatura dello spazio per prendere “scorciatoie” attraverso lo spazio, ha trovato casa nell’immaginazione di molti, anche tra gli scrittori di narrativa popolare e di fantascienza.

Se potesse esistere un qualche tipo di meccanismo per aggirare le limitazioni del viaggio convenzionale attraverso lo spaziotempo – limitazioni imposte dalla velocità della luce – dovrebbe comportare lo sfruttamento della curvatura dello spaziotempo per creare una tale “scorciatoia” tra due punti altrimenti disconnessi. Forse l’esempio più famoso in tutta la narrativa di questo è stata l’idea del “motore a curvatura” sviluppata dal franchise di Star Trek. L’idea era che lo spazio possa essere fortemente curvato e, in un certo senso, compresso, utilizzando una grande quantità di energia. Mentre l’astronave si muove attraverso lo spazio compresso, utilizza questa scorciatoia, consentendo viaggi molto rapidi su grandi distanze, senza causare un rapido invecchiamento dell’Universo esterno rispetto all’equipaggio.

Il modo per realizzare un motore a curvatura realistico prevede la manipolazione del campo energetico e della curvatura dello spaziotempo della regione attorno a un veicolo spaziale. Comprimendo lo spazio davanti all’astronave e dilatando lo spazio dietro, è possibile accorciare la distanza tra il punto di origine e la destinazione. ( Credito : Trekky0623/Wikimedia Commons)

Inizialmente, l’idea stessa del motore a curvatura, avanzata negli anni ’60, era estremamente incerta e leggera in termini di matematica ma, un fisico di nome Miguel Alcubierre elaborò alcuni dettagli che potrebbero portare a una versione fisicamente realistica del motore a curvatura.

Poiché la massa e l’energia positive curvano lo spaziotempo in un modo particolare, Alcubierre si rese conto che se fosse stata consentita l’esistenza di massa/energia negativa, avrebbe potuto curvare lo spaziotempo in modo uguale e opposto. Questi due tipi di massa/energia, sia positiva che negativa, potrebbero essere configurati in modo che:

- lo spazio “davanti” alla navicella venga piegato in modo da risultare compresso,

- mentre lo spazio “dietro” la navicella verrebbe piegato in senso opposto così da espandersi in compenso,

- mentre lo spazio tra loro sarebbe piatto e simile a una bolla, consentendo alla nave all’interno di non essere distrutta.

Se ci fosse un qualche tipo di energia negativa nell’Universo che potesse essere imbrigliata e manipolata, allora questo tipo di spaziotempo a curvatura, ora noto come metrica di Alcubierre, potrebbe effettivamente essere creato. 

L’unico problema, ovviamente, è che tutte le particelle e i campi di cui si conosce l’esistenza, anche in teoria, hanno solo un tipo di massa/energia: il tipo positivo, e quindi curvano tutti lo spaziotempo allo stesso modo. 

Se la propulsione a curvatura deve essere realizzata fisicamente, è necessaria una sorta di “materia esotica” con massa/energia negativa.

La speranza dell’antimateria

Tuttavia, come molti si sono affrettati a sottolineare, il fatto che sia necessaria energia per creare particelle e antiparticelle di tutti i tipi non implica necessariamente che non esistano stati di massa/energia negativi. 

In effetti, alcuni sostengono, ciò presuppone che il principio di equivalenza di Einstein sia esattamente corretto e che il tipo di massa che crea le particelle (cioè la “m” in E = mc²) sia lo stesso del tipo di massa/energia che curva lo spaziotempo.

Questo è stato testato più volte per tutti i diversi tipi di materia, ma negli anni ’90, 2000 e 2010 non era mai stato testato per l’altro tipo di quanti massicci che possiamo creare: le antiparticelle.

Se le leggi della fisica funzionassero come previsto, allora materia e antimateria si comporterebbero allo stesso modo: entrambe curvano lo spazio in proporzione alla loro energia intrinseca, entrambe gravitano allo stesso modo ed entrambe “cadono” nel campo gravitazionale della Terra. Ma questo è difficile da testare. 

L’antimateria, ricordate, si annienta al contatto con la materia. 

Le particelle di antimateria più facili da produrre, gli antiprotoni e i positroni, sono caricate elettricamente e quindi sono molto difficili da “tenere” isolate. È stato solo nell’unico posto al mondo focalizzato sulla creazione e il controllo dell’antimateria – la fabbrica di antimateria del CERN, lo stesso luogo che ospita il Large Hadron Collider – che questo potrebbe essere plausibilmente testato.

Video

Uno di questi esperimenti presso la fabbrica di antimateria è noto come ALPHA: l’ apparato fisico Antiidrogeno Laser PHysics. 

Creando atomi neutri di antiidrogeno da antiprotoni e positroni e poi confinandoli in un ambiente controllato, gli scienziati di ALPHA avevano precedentemente misurato lo spettro atomico dell’antiidrogeno, confermando che la luce emessa e assorbita era identica a quella dell’idrogeno normale.

Per misurare se l’antimateria cade “su”, “giù” o in un modo completamente diverso, gli scienziati ALPHA dovevano creare un gran numero di atomi di antiidrogeno, spazzare via tutti quelli che si muovono velocemente e poi lasciare che quelli più lenti cadessero, seguendo il loro arrivo fino ai bordi della camera.

Dopo aver lasciato cadere le particelle e monitorato i loro tempi di arrivo, gli scienziati di ALPHA hanno poi confrontato i loro risultati con le simulazioni con:

- gravità normale,
- anti gravità,
- e senza gravità,
scoprendo, con un notevole risultato tecnico, che i risultati erano più coerenti con l’antimateria sottoposta a gravità normale che non con le altre opzioni. 

In altre parole: l’antimateria non è antigravitante e, con ciò, la migliore speranza dell’umanità di costruire un motore a curvatura è appena morta.

A morire con questa misurazione è anche un’altra speranza fantascientifica: la gravità artificiale generata senza rotazione o accelerazione. 

Se l’antimateria fosse davvero antigravitazionale, allora semplicemente costruendo il pavimento di un veicolo spaziale con materia normale e il suo soffitto con antimateria, potremmo creare un veicolo spaziale dotato di un proprio sistema automatico incorporato per la gravità artificiale. 

Ma poiché l’antimateria non è antigravitante ma gravita normalmente, le uniche opzioni per la gravità artificiale implicano un’accelerazione lineare costante o la presenza di un cilindro rotante attorno al proprio asse: come visto in 2001: Odissea nello spazio o come previsto dallo scenario di un cilindro O’Neill.

Abbiamo appena appreso che la Relatività Generale di Einstein ha superato un altro test, il test dell’antimateria, e con esso la nostra più grande speranza fantascientifica di riuscire a costruire un motore a curvatura è completamente evaporata.

Fonte: reccom.org