E' possibile viaggiare più veloci della luce? E=mc2 : la formula più famosa dell’intera storia della scienza

La teoria della relatività è un'interpretazione complessa, che abbraccia la natura dello spazio, del tempo, dell'energia e della gravitazione e fu formulata da Albert Einstein nel tentativo di unificare i fenomeni meccanici, che sottostavano alle leggi della meccanica classica di Newton, e i fenomeni elettrici e magnetici, descritti dalla teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell. Einstein intuì che non erano le leggi dell'elettromagnetismo che dovevano essere cambiate, bensì quelle della meccanica, introducendo i concetti di spazio e di tempo relativi; in particolare, egli comprese come devono essere descritti gli eventi quando vengono osservati da due diversi sistemi di riferimento. La prima parte della teoria della relatività di Einstein, enunciata nel 1905 e applicata ai sistemi in moto rettilineo uniforme, viene detta teoria della relatività ristretta e fu estesa ai sistemi in moto accelerato nel 1915, con la teoria della relatività generale.

E = mc2 è l'equazione che stabilisce l'equivalenza e il fattore di conversione tra l'energia e la massa di un sistema fisico. "E" indica l'energia contenuta o emessa da un corpo, "m" la sua massa e "c" la costante velocità della luce nel vuoto.
Così, la formula più famosa dell’intera storia della scienza comparve per la prima volta nel post scriptum di un articolo firmato da Albert Einstein, un oscuro impiegato dell’Ufficio brevetti di Berna.
Questa formula afferma che l’impalpabile energia si può trasformare in concreta materia, e viceversa... un evento quasi magico ma (forse proprio per questo) comprensibile a tutti. Il resto della teoria della relatività, invece, è più difficile da digerire: per comprenderla bisogna capovolgere ciò che ci dicono i sensi, l’esperienza e perfino i vecchi libri di fisica.  Ma andiamo con ordine. Quando si parla di relatività, in genere, si mettono insieme due diversi scritti di Einstein, uno del 1905 (la relatività ristretta) e uno del 1915 (la relatività generale, poi pubblicato all'inizio del 1916). Come si possono distinguere?
La teoria della relatività generale si occupa della forza di gravità e di tutti i fenomeni che coinvolgono l’attrazione gravitazionale, come per esempio i buchi neri.
La teoria della relatività ristretta di Einstein impone invece che la velocità massima alla quale i corpi materiali possono viaggiare sia la velocità della luce, esattamente 299.792 km/s. Questa può sembrare una velocità enorme e in effetti lo è se confrontata con le misure terrestri, ma se ci si allontana dalla Terra e ci si dirige verso gli spazi profondi del cosmo diventa un modo di procedere a passo di lumaca. Alla velocità della luce ci vorrebbero, infatti, 4,3 anni per raggiungere la stella a noi più vicina, più di 300 anni per approdare sulla Stella Polare, oltre due milioni di anni per arrivare alla galassia più vicina, quella di Andromeda e, infine, alcuni miliardi di anni per spingersi fino ai quasar più lontani che si trovano ai limiti dell’Universo. Vediamo allora se è possibile, almeno in linea di principio, viaggiare più veloci della luce. Abbiamo detto che i corpi materiali, ossia gli oggetti che possiedono massa, possono raggiungere al massimo la velocità della luce, ma non tutte le cose possiedono massa. I fotoni, ad esempio, cioè le particelle che costituiscono la luce ma anche altre radiazioni elettromagnetiche come raggi X, raggi gamma e onde radio, non possiedono massa e quindi queste “particelle” possono viaggiare più veloci della luce? Purtroppo no perchè tutte le particelle che non possiedono massa o, per meglio dire, che hanno massa a riposo nulla, possono viaggiare solo ed esclusivamente alla velocità della luce. Le particelle che non possiedono massa a volte vengono chiamate luxoni, cioè “oggetti che viaggiano alla velocità della luce”. Questo vuol dire che non esiste proprio nulla che possa superare la velocità della luce? Forse una possibilità esiste, benché molto remota. La teoria della relatività ristretta, infatti, non esclude in modo categorico l’esistenza di particelle superluminali (cioè più veloci della luce), ma si tratta di particelle virtuali che scaturiscono dalle equazioni che descrivono la teoria, quando in esse si inseriscono i numeri immaginari. A queste particelle è stato dato il nome di tachioni che significa “oggetti che si muovono rapidamente”. Queste particelle dovrebbero poter viaggiare solo ed esclusivamente a velocità superiori a quelle della luce, quindi, in questo caso, mai di meno. Tutta la materia che possiede massa, come abbiamo visto, viaggia invece sempre a velocità più basse di quella della luce quindi rientra in una categoria di “corpi” che potremmo chiamare bradioni, cioè “oggetti che si muovono lentamente”. Secondo la teoria di Einstein, pertanto, non è possibile infrangere la barriera della luce, né da una parte, né dall’altra. La velocità della luce rappresenterebbe la velocità maggiore dell'Universo.

 

L'illusione del tempo: non c’è solo un istante nel “presente”

Il tempo è una dimensione, la quinta dimensione, di cui si occupano tutti i fisici teorici che cercano di unificare la relatività generale di Albert Einstein e la meccanica quantistica in un’unica teoria unitaria: la  gravità quantistica. Com'era il tempo prima del tempo? Come si è attivato l’orologio dell’Universo? La fisica ci ha chiarito molte cose che non sapevamo, anche sul tempo. Ma ha anche sollevato nuove domande, di cui non conosciamo ancora la risposta. Il concetto di tempo, che dipende dalle cose che accadono e si mescola con lo spazio, diventa qualcosa che non c’entra più con la nostra intuizione semplice di tempo, e tutto sommato diventa un concetto inutile. Ma questo non significa che non ci sia il tempo nella nostra vita quotidiana. Significa solo che il tempo può non essere un concetto utile quando si studiano le strutture più generali del mondo. 

Einstein si è accorto che in mezzo fra quello che chiamiamo “passato” e quello che chiamiamo “futuro” c’è qualcos’altro che prima nessuno aveva notato. Non c’è soltanto un istantaneo “presente”, c’è molto di più. Il motivo per cui questo “qualcos’altro” di solito non lo notiamo è che dura molto poco. Quanto dura questo “né passato né futuro” dipende dalla distanza.  Per esempio se noi stiamo parlando nella stessa stanza, l’intervallo che non è né passato né passato né futuro è di qualche nanosecondo, cioè pochissimo, e non lo notiamo. Se stiamo telefonando da New York dura un millisecondo, ancora troppo poco per notarlo, ma se io sono sulla Terra ed un altra persona è su Marte, allora il “né passato né futuro” dura un quarto d’ora, e questo sì che si nota. Per questo non si può avere una conversazione semplice fra Marte e la Terra: perché anche se io provo a rispondere non appena sento la tua domanda, tu comunque avrai la mia risposta dopo 15 minuti. Quei quindici minuti non sono né nel mio passato né nel mio futuro. Sono nella “zona intermedia”. Oggi qualunque studente di fisica dell’università impara tutto questo senza difficoltà. Ma le conseguenze sono importanti. Significa che non si può dire “in questo momento nell’Universo le cose sono così”. Non esiste, in realtà un “questo momento” nell’Universo. Ogni sequenza di eventi ha il suo tempo e il modo in cui queste si mettono insieme è complicato.
Einstein scrive questa lettera strana e commovente alla famiglia del suo più caro amico che è morto da poco "È la nostra natura: siamo esseri che vivono nel tempo. Non viviamo al livello elementare del mondo: viviamo nella sua complessità."

In quale Universo ci troviamo?

Secondo lo strano mondo della meccanica quantistica, abitato da atomi e particelle, esiste un universo in cui questo articolo non è mai stato scritto. E, a un tempo, un altro mondo in cui è possibile leggerlo e commentarlo. Bizzarrie della realtà a livello dei suoi costituenti più intimi, governata da fenomeni che spesso fanno a pugni con il senso comune. E che hanno fatto storcere il naso persino ad Albert Einstein. Come la teoria del multiverso, in base alla quale esisterebbe una pluralità di universi paralleli, al punto che ogni decisione che ciascuno di noi prende in questo mondo ne creerebbe di nuovi. Secondo questa interpretazione, ci sarebbe, ad esempio, un mondo in cui il Terzo Reich è uscito vincitore dalla II guerra mondiale, e un altro in cui Hitler è uno sconosciuto pittore.
Può sembrare la sceneggiatura di un film, eppure i fisici teorici studiano questi scenari da almeno 50 anni, ed esistono complicati ed eleganti calcoli matematici in grado di descriverli. 

Secondo l’ultima formulazione, appena pubblicata su “Physical Review X” da un team dell’University of California a Davis, e della Griffith University australiana, non solo gli universi paralleli esisterebbero davvero, ma potrebbero persino interagire.
Gli scienziati forniscono una formulazione matematica della possibilità insondabile dell'esistenza di altri mondi, dove, con la parola mondo, essi intendono un intero universo dotato della complessità strutturale che oggi conosciamo grazie alla scienza. Secondo gli scienziati, l'esistenza di questi mondi che, invece di non incontrarsi mai, si influenzerebbero reciprocamente, potrebbe fornire una spiegazione scientifica strutturata della teoria quantistica: si tratta di una teoria fisica, nata nel secolo scorso, che è in grado di descrivere il mondo invisibile degli atomi e di tutto ciò che è ancora più piccolo e imponderabile.
Quando fu introdotta per la prima volta negli Anni ’50 dal geniale matematico americano Hugh Everett III, all’epoca in forze alla Princeton University, la teoria dei molti mondi venne derisa. Everett riuscì a fatica a pubblicarla, e alla fine abbandonò disgustato la carriera accademica. Negli anni, però, le sue raffinate spiegazioni di alcuni strani fenomeni del mondo subatomico, come la capacità delle particelle di coesistere in luoghi diversi – stranezze che spingevano il premio Nobel Richard Feynman ad affermare che “chiunque crede di aver capito la meccanica quantistica, non l’ha compresa abbastanza” – hanno fatto sempre più breccia tra i fisici.
Secondo la teoria di Everett ogni universo si divide in una serie di nuovi universi, quando viene effettuata una misurazione quantistica.
Partendo dalle sue intuizioni, abbiamo dimostrato che è proprio dall’interazione tra questi mondi, soprattutto repulsiva, che nascerebbero i fenomeni quantistici”. “Nel multiverso – aggiunge su New Scientist David Deutsch, fisico della Oxford University – ogni volta che facciamo una scelta si realizzano anche le altre, perché i nostri doppi negli universi paralleli le compiono tutte”. Un’idea sfuggente, difficile da accettare ma, a pensarci bene, non del tutto negativa. Il pensiero che, di fronte alle scelte più difficili di tutti i giorni, ogni possibile alternativa abbia l’opportunità di realizzarsi potrebbe essere in fondo rassicurante.
La domanda quindi è in quale Universo ci troviamo?

L'Universo ha davvero avuto origine per puro caso?

Secondo le moderne teorie, il nostro Universo ha avuto inizio da un’enorme esplosione, il Big Bang. Si ritiene che, prima di questo evento, tutta l’energia e tutta la materia dell’attuale Universo fossero compresse in un punto infinitamente piccolo; con il Big Bang si ebbe la liberazione di questa energia, a seguito della quale tutte le particelle di materia iniziarono a formarsi e ad allontanarsi rapidamente le une dalle altre.
Subito dopo l’esplosione, che sarebbe avvenuta intorno a 13,7 miliardi di anni fa, la temperatura era di circa 100 miliardi di gradi Celsius (°C). La materia era presente sotto forma di particelle con carica positiva, chiamati protoni, oppure prive di carica, i neutroni; a causa dell’elevata energia, queste particelle si scontravano tra loro aggregandosi e formando così quelli che sarebbero divenuti i primi nuclei atomici. Successivamente, quando l’Universo raggiunse una temperatura di circa 2500 °C, i protoni presenti nei nuclei cominciarono ad attrarre piccole particelle con carica negativa, detti elettroni, che resero possibile la formazione dei primi atomi. A partire da questi atomi, col passare del tempo, si sono originati tutti i pianeti e le stelle del nostro Universo, compresi la Terra e il Sole.

Ancora oggi gli scienziati non sanno dire con precisione quanto tempo fa sono comparse sulla Terra le prime forme di vita, ma è probabile che esse si siano originate spontaneamente a partire dalle varie sostanze chimiche che si trovavano negli oceani primitivi. Di sicuro, però, esiste una stretta relazione tra la formazione di queste prime forme di vita e le condizioni ambientali presenti sulla Terra miliardi di anni fa.
Secondo la teoria della relatività, applicata da Stephen Hawking e Roger Penrose allo studio dell’origine dell’universo, quel punto di dimensioni infinitesimali da cui ha avuto inizio tutto quanto è identico al punto al centro di un buco nero: una “singolarità”, un punto cioè in cui le leggi della fisica classica cessano di essere applicabili. Ma applicando la meccanica quantistica allo studio della relatività, si potrebbe riuscire a dimostrare che la singolarità all’inizio dell’universo non è realmente tale. La teoria detta della gravità quantistica a loop, una delle tante proposte per conciliare relatività e meccanica quantistica, suggerisce che prima del nostro universo un precedente universo in contrazione si è ridotto fino alle dimensioni di un punto minuscolo. Ma prima che si giunga alla singolarità, gli effetti quantistici della gravitazione impediscono il collasso dell’universo dando un vero e proprio calcio, che porta il cosmo a rimbalzare e ad espandersi nuovamente. Presentata per la prima volta nel 2007 su Nature Physics, questa tesi è stata proprio in questi giorni ampliata in un articolo su Physical Review Letter dimostrando che ben si concilia con le prove dell’inflazione cosmica, quel momento cioè che seguì il Big Bang di poche frazioni di secondo e che comportò un’espansione dello spaziotempo a un tasso accelerato. Se fino a oggi la teoria dell’inflazione è stata considerata un’ottima prova del modello standard cosmologico, ora potrebbe dimostrarsi non necessariamente collegata all’idea dell’origine dell’universo con il Big Bang, ma conciliarsi piuttosto con l’idea di un Big Bounce.

L’idea è che l’Universo è esistito per un tempo indefinito in uno stato stazionario come per primo aveva proposto Einstein, per poi diventare instabile a un certo punto innescando il fenomeno inflativo che ha dato origine al nostro attuale universo in espansione. Secondo i proponenti di questo paradigma, Gorge Ellis dell’Università di Cape Town e Roy Maartens dell’Università di Portsmouth, questo universo stazionario era di dimensioni minuscole ma comunque superiori a quelle di Planck per cui i fenomeni quantistici non si applicano e l’universo può rimanere in questo stato per lungo tempo grazie a un’energia del vuoto di tipo negativo che controbilancia la forza di gravità, ed è identica alla cosiddetta energia oscura che oggi espande l’Universo.

 

Il ponte di Einstein-Rosen: una scorciatoia tra un punto e un altro dell'Universo

Da Stargate a Interstellar, molta fantascienza ha reso celebre il viaggio spazio-temporale. Più noto col termine inglese di wormhole (buco di verme), si tratta in effetti di fenomeno contemplato dalla fisica teorica, ipotizzato addirittura nel 1916 dallo scienziato austriaco Ludwig Flamm sulla base di un'idea della cosmologia di fine '800 ed elaborato poi nell'ipotesi che - per la scienza - prende il nome di ponte di Einstein-Rosen.

La teoria è complessa, ma l'effetto fantascientifico è semplice: il wormhole è una scorciatoia tra un punto e un altro dell'Universo. Permetterebbe perciò di percorrere una distanza qualunque in un tempo non istantaneo, ma infinitamente inferiore a quello che impiegherebbe la luce attraverso lo "spazio normale", ossia senza scorciatoie. Finora non sono state trovate evidenze dell'esistenza di wormhole nell'Universo. Ecco però che un team internazionale a cui ha partecipato Salvatore Capozziello (Università Federico II di Napoli) annuncia di aver realizzato un modello di warmhole di grandezza inferiore a un millimetro: la ricerca, con tutta la sua matematica, è riportata online su ArXiv ed è in attesa di pubblicazione sull'International Journal of Modern Physics.
Al di là della dimensione (1 millimetro!), non immaginatevi però di poter intraprendere a breve viaggi nello spazio-tempo: tecnologie a parte, non c'è nulla di fantascientifico. I ricercatori hanno utilizzato il materiale più sottile al mondo per simulare su scala microscopica ciò che potrebbe accadere nello Spazio: due fogli di grafene (per simulare due regioni dell'Universo distanti quanto vi pare) uniti da un nanotubo di carbonio (il pozzo, o "buco di verme" che li unisce).
«Sul piano teorico il nostro lavoro propone una soluzione della cosiddetta equazione ponte di Einstein-Rosen», afferma Capozziello. Un risultato intrigante, però, anche per alcuni aspetti pratici. Se il modello di Einstein-Rosen descrive gigantesche strutture cosmiche, il modello proposto con questa ricerca potrebbe infatti, più realisticamente, condurre a nuove implicazioni tecnologiche. Quanto osservato consentirebbe per esempio di trasmettere segnali elettrici in maniera estremamente precisa, a livello atomico. Il sistema si presenta stabile ma, commenta Capozziello, «abbiamo scoperto che con atomi penta o eptavalenti, cioè con 5 o 7 legami anziché i 6 del grafene puro, succede una cosa interessante: si generano correnti elettriche. Quindi il wormhole, secondo la nostra analogia, non è solo una struttura ipotizzabile e stabile, ma è possibile farvi passare informazioni, nel nostro caso la corrente».

Viaggiare nel tempo è possibile?

Ognuno di noi ha dei sogni nel cassetto ma ne esiste uno in particolare che condividiamo! Quanto di noi non hanno mai sognato di riabbracciare un proprio caro ormai defunto o di vivere in prima persona un momento della Storia? Viaggiare nel tempo è possibile? Si anche se ancora non abbiamo la giusta tecnologia! Un esempio è John Titor un viaggiatore del tempo arrivato dal 2036!

Nei primi anni del 2000 in molti forum girava questa notizia e lo stesso viaggiatore alcune volte ha partecipato alla discussione rispondendo anche ad alcune domande che gli utenti gli ponevano! Secondo quello che dice sarebbe stato inviato nel 1975 dallo stesso nonno per recuperare un computer della IBM per risolvere un problema del sistema operativo Linux che nel 2038 avrà un bug compromettendo il suo funzionamento.

Ma non è tutto! Il viaggiatore avrebbe fatto tappa anche nel 1999 per poi ripartire qualche anno più tardi e tornare al suo tempo. Molte delle risposte date coinciderebbero con eventi poi avvenuti realmente. Certo ci sono anche delle contraddizioni ma secondo lui si spiegherebbe tutto con le linee temporali parallele. Naturalmente vale sempre il beneficio del dubbio! Analizzando alcuni particolari ho elaborato una mia teoria che giusta o no che sia resta sempre una semplice osservazione. Pensiamo ad un futuro prossimo dove è già possibile viaggiare nel tempo e la tecnologia è molto più avanti di quella attuale.

Questi ipotetici viaggiatori potrebbero pertanto essere già arrivati in determinati periodi del passato. Adesso pensate a tutti gli avvistamenti che negli ultimi cinquanta anni ci sono stati sui nostri cieli. Pensate siano alieni? Non penso sopratutto per le enormi distante dell'universo! Nessuno farebbe un viaggio lungo molti anni luce solo per vedere che facciamo sulla Terra! Gli alieni siamo noi o meglio sono questi ipotetici viaggiatori del futuro!

Non giudicate subito questo come sbagliato ma pensateci! Chi di voi mi potrebbe dimostrare il contrario? Questa è la teoria più credibile e se unita agli esperimenti top secret ed alle aree off limits spiegherebbe molte cose! Sicuri che nessuno collabora con noi?