Buchi neri, buchi bianchi, buchi verme, extra-dimensioni
di Paolo Di Sia
Un buco nero (black hole) è una stella nell’ultima sua fase di evoluzione, la cui gravità è così intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire a questa forza. Quindi, per definizione, un buco nero non può essere visto, poiché nulla può tornare indietro verso di noi per darci informazioni in merito. Allora come è possibile evidenziare un buco nero?
Gli scienziati del settore si concentrano sullo spazio che ci circonda e osservano cosa succede. Si vede ad esempio che ci sono dischi rotanti di gas che ruotano molto velocemente e intensamente; questo si può spiegare se una massa enorme (dell’ordine di alcuni miliardi più grande della massa del nostro sole) è concentrata al centro. Masse così grandi hanno la capacità di impedire a tutto, luce inclusa, di fuggire. Abbiamo un buco nero.
Ma cosa c’è dall’altro lato di un buco nero? Se cadessimo in un buco nero, saremmo schiacciati dall’immensa forza di gravità oppure spinti in un universo parallelo emergendo ad esempio in un altro tempo? I buchi neri rotanti sono stati molto studiati, ma riservano sempre novità. Il matematico Roy Kerr, utilizzando le equazioni della relatività di Einstein, ha evidenziato che se si cade in un buco nero, potremmo essere risucchiati in un tunnel, chiamato “Ponte di Einstein-Rosen” per ritrovarci in un universo parallelo, uscendo da un buco bianco (white hole). Kerr ha mostrato anche che un buco nero rotante non finisce per diventare un punto, ma un “anello di fuoco”. Questo anello gira molto rapidamente, quindi la forza centrifuga non gli permette di degenerare in un punto. Pertanto un’ipotetica sonda spaziale indirizzata direttamente attraverso l’anello non verrebbe schiacciata, ma potrebbe emergere dall’altro lato del ponte di Einstein-Rosen in un universo parallelo. Questo collegamento viene indicato con il nome di buco verme (wormhole) e può collegare due universi paralleli, o anche parti distanti di uno stesso universo. Sarebbe un viaggio come quello attraverso lo specchio di Alice nel paese delle meraviglie. Chi cammina attraverso lo specchio verrebbe trasportato direttamente nel paese delle meraviglie. Il bordo dello specchio corrisponde all’anello di Kerr. Chiunque camminasse attraverso l’anello di Kerr potrebbe essere trasportato dall’altro lato dell’universo o nel passato.
I fisici si sono chiesti se i buchi verme potrebbero un domani essere usati come scorciatoie per andare in un altro settore del nostro universo, o anche come macchine del tempo. Queste domande purtroppo risultano ad oggi aperte, anche perché le equazioni di Einstein non valgono al centro di un buco nero o in un buco verme. Altro problema riguarda il fatto che la teoria di Einstein funziona solo per la forza di gravità non per le forze quantistiche che governano la radiazione elettromagnetica e le particelle sub-atomiche. C’è quindi bisogno di una teoria più generale, che comprenda sia la relatività che la teoria quantistica, una teoria del tutto.
Tutte le leggi della fisica conosciute possono essere riassunte in due fondamentali teorie:
(a) la teoria della relatività generale di Einstein, che ci permette di studiare il macrocosmo, gli oggetti “grandi”;
(b) la teoria quantistica, che ci dà una descrizione microscopica del “molto piccolo”, cioè il microcosmo delle particelle sub-atomiche e la radiazione.
Esse hanno un aspetto molto diverso e anche fisici della levatura di Einstein e Heisenberg non sono riusciti a unificarle. Le due teorie utilizzano una matematica diversa e diversi principi fisici per descrivere l’universo nelle rispettive scale, il macrocosmo e il microcosmo. Da alcuni anni si sta studiando a fondo una teoria candidata a questa unificazione. Si chiama teoria delle superstringhe, e riesce ad unire la gravità con la teoria della radiazione elettromagnetica e delle due forze nucleari, la debole e la forte. La teoria delle superstringhe spiega le leggi quantistiche della fisica sub-atomica postulando che le varie particelle sono vibrazioni diverse di una corda piccolissima, di lunghezza dell’ordine della cosiddetta lunghezza di Planck, ossia 10^(-35) metri, un centomilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di metro. Come le vibrazioni di una corda di violino corrispondono alle diverse note musicali, analogamente le vibrazioni di una superstringa corrispondono alle diverse particelle presenti in natura. Il movimento della superstringa nel tempo deforma anche la struttura dello spazio intorno ad essa, e questo produce buchi neri, buchi verme e altre soluzioni derivanti dalle equazioni di Einstein ed estensioni delle stesse. In questo modo la teoria delle superstringhe unisce la teoria di Einstein della gravità con la fisica quantistica in una teoria del tutto che appare essere convincente e coerente.
La teoria comporta nuove e sorprendenti caratteristiche; tra queste vi è il fatto che le dimensioni spazio-temporali aumentano: da 4 si passa a 10 dimensioni. Quattro dimensioni sembrano infatti essere troppo poche per unire tutte le forze in un’unica struttura matematica; l’aggiunta di dimensioni permette di ospitare nelle teorie sempre più forze. Ad oggi ogni evento dell’universo, dal più piccolo decadimento sub-atomico alle galassie che esplodono, può essere descritto da 4 numeri (lunghezza, larghezza, profondità e tempo) che rappresentano lo spazio-tempo. Una linea di pensiero ritiene che l’universo nel momento del Big-Bang avesse 10 dimensioni; dopo l’istante iniziale 6 delle 10 dimensioni si sarebbero “arrotolate” in una specie di sfera a 6 dimensioni (uno spazio di Calabi-Yau) troppo piccolo per poter essere osservato.
La fisica delle alte energie ritiene quindi che noi possiamo essere inconsapevoli di “invisibili” universi in bilico appena sopra di noi nell’iperspazio. Noi trascorriamo la nostra vita in tre dimensioni spaziali e nel tempo, sicuri che quello che possiamo vedere con i nostri telescopi è tutto quello che c’è, ignorando la possibilità di iperspazi multi-dimensionali. Einstein ha trascorso gli ultimi 30 anni della sua vita inseguendo una teoria unificata, che potesse spiegare tutte le forze fondamentali che governano l’universo. Ma le conoscenze relative alle forze nucleari erano ben minori allora di quello che oggi sappiamo. In ogni caso i suoi sforzi non sono stati inutili, anzi hanno offerto nuove prospettive e sono stati utilizzati da chi lo ha seguito. La strada che conduce alla teoria del tutto è disseminata di tentativi purtroppo non arrivati a buon fine; la chiave per la soluzione può essere proprio l’iperspazio. Nel 1915 Einstein disse che lo spazio-tempo a quattro dimensioni è deformato e increspato, dimostrando che questa deformazione è equivalente alla forza di gravità.
Nel 1921 Theodor Kaluza creò una teoria in 5 dimensioni, dove le increspature della quinta dimensione davano l’equivalente della luce, cioè la forza elettromagnetica. In linea di principio, quindi, aggiungendo sempre più dimensioni è possibile “increspare e piegare” lo spazio in modi diversi, creando così più forze. In 10 dimensioni siamo in grado di considerare tutte le quattro forze fondamentali attualmente conosciute. Inoltre in 10 dimensioni è possibile anche trattare particolari problemi di natura matematica, come gli “infiniti” e le “anomalie”, che hanno decretato la fine di molte teorie precedenti.
Nella teoria delle superstringhe le particelle sono “note” diverse relative al movimento delle superstringhe, come le note di un violino; inoltre, quando la stringa si muove nello spazio e nel tempo, deforma lo spazio circostante proprio come diceva Einstein. Così, come semplice immagine, possiamo unificare la gravità, vista come curvatura dello spazio causata dalle stringhe in movimento, con le altre forze quantistiche, viste come vibrazioni della stringa. I tentativi di testare questa teoria, argomento molto caro agli sperimentali, sembrerebbero essere un problema apparentemente irrisolvibile; in realtà, una teoria del tutto è anche una teoria del quotidiano, pertanto essa dovrebbe essere in grado (una volta completata) di spiegare l’esistenza di protoni, atomi, molecole, addirittura il DNA, e molto altro.
Riferimenti bibliografici:
1. https://it.wikipedia.org/wiki/Roy_Patrick_Kerr
2. https://it.wikipedia.org/wiki/Ponte_di_Einstein-RoseHYPERLINK “https://it.wikipedia.org/wiki/Ponte_di_Einstein-Rosen” n
3. https://it.wikipedia.org/wiki/Theodor_KaluzHYPERLINK “https://it.wikipedia.org/wiki/Theodor_Kaluza” a
4. P. Di Sia, Un intervento sull’evoluzione dei concetti di spazio e tempo, Periodico di Matematiche – Organo della Mathesis, ISSN: 1582-8832, Serie VIII, Vol. 5, N. 3, pp. 55-68 (Lug-Sett 2005)
5. P. Di Sia, Spazi di Calabi-Yau e teorie di stringa, Periodico di Matematiche – Organo della Mathesis, ISSN: 1582-8832, Serie VIII, Vol. 6, N. 3, pp. 49-59 (Lug-Sett 2006)
6. P. Di Sia, Exciting Peculiarities of the Extreme Physics, Journal of Physics: Conference Series, Online ISSN: 1742-6596 – Print ISSN: 1742-6588, N. 442(1), p. 012068 (6 pp.) (2013)
Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
Le equazioni di Albert Einstein devono servire da base per continuare lo studio sub-atomoco non possono essere accantonate perché sono l’inizio da completare per arrivae alla teoria del tutto: Teoria M sper stringhe universi paralleli ecc.