Casimir, nato a L'Aja nel 1909, è noto in particolare per i suoi studi sulla superconduttività, uno strano fenomeno per cui alcuni materiali, quando vengono raffreddati a temperature bassissime, perdono del tutto la resistenza elettrica (recentemente i fisici e gli ingegneri hanno accolto entusiasticamente la scoperta di alcuni superconduttori che non devono essere superraffreddati, ma possono operare a temperatura ambiente).
Dal 1942 in poi Casimir lavorò presso i laboratori di ricerca della Philips - il gigante dell'elettricità - e fu in quel periodo che ipotizzò l'esistenza di un fenomeno, implicito nelle leggi della fisica dei quanti, ancora più strano della superconduttività, che venne chiamato effetto Casimir.
La maniera più semplice per capire l'effetto Casimir è quello di pensare a due piastre metalliche parallele posizionate l'una molto vicina all'altra, tra le quali non c'è nulla.
Ma, come abbiamo già visto, il vuoto quantistico non è lo stesso "nulla" che i fisici si immaginavano prima dell'era dei quanti. Il vuoto ribolle di attività: ci sono coppie particella-antiparticella che costantemente vengono prodotte e che poi si annichilano tra loro.
Tra le particelle che si creano e si distruggono continuamente nel vuoto ci sono molti fotoni - particelle che trasportano la forza elettromagnetica - alcuni dei quali sono particelle di luce. In realtà è particolarmente facile per il vuoto produrre fotoni virtuali, in parte perché i fotoni sono la antiparticella di se stessi, e in parte perché non hanno una "massa a riposo", cosicché l' energia che bisogna prendere in prestito dall'indeterminazione quantistica è quella dell'onda associata a un fotone specifico.
Fotoni con gradi diversi di energia sono associati a onde elettromagnetiche di diverse lunghezze d'onda: a lunghezza d'onde minori corrisponde energia maggiore; quindi, un altro modo di considerare questo aspetto elettromagnetico del vuoto quantistico è di pensare lo spazio vuoto come un mare caduco di onde elettromagnetiche che contiene in sé tutte le lunghezze d'onda.
Questa attività irriducibile conferisce al vuoto un' energia uguale in ogni punto, che quindi non può venire misurata e tanto meno utilizzata. L' energia può manifestarsi e venire sfruttata per produrre lavoro solo se c'è una differenza di energia tra un luogo a un altro.
Un buon esempio è rappresentato dall'elettricità di casa. Il vostro impianto elettrico ha un cavo che viene mantenuto a un potenziale abbastanza alto (pari a 220 o allO volts, a seconda dei paesi), mentre un altro (la cosiddetta " terra") ha un potenziale uguale a zero.
L' energia del cavo a voltaggio piùalto non può venire sfruttata fino a quando il cavo non viene collegato con un altro cavo a basso voltaggio; è per questo motivo che l' energia è detta "potenziale".
Una volta effettuato il collegamento, l'elettricità scorre nel cavo, trasformando l' energia potenziale in energia effettiva (luce e calore). È la differenza di potenziale che è cruciale: se entrambi i cavi sono allo stesso voltaggio, che questo sia zero o 220 volts o un valore ancora più elevato, non fa alcuna differenza.
Supponiamo di aggiungere a tutto il mondo duecento volts; non per questo prenderemmo la scossa, poiché non ci sarebbe un luogo a potenziale inferiore dove scaricare la carica aggiunta.
Si potrebbe fare un paragone grossolano tra questo pianeta così caricato e il vuoto uniformemente riempito di energia. Casimir dimostrò come rendere visibile l' energia del vuoto.
Egli mise in evidenza che tra due piastre conduttrici di elettricità le onde elettromagnetiche possono assumere solamente certe forme determinate. Le onde che rimbalzano tra le due piastre si comportano come le onde di una corda di chitarra che, per produrre determinate note, può vibrare solamente in determinati modi: le ragione di ritenere che questa transizione dall'epoca inflazionaria allo stato presente di espansione sia avvenuta simultaneamente in tutti i punti dell' Universo embrionale.
Tutto il contrario.
I cosmologi hanno calcolato che è molto più probabile che i cambiamenti dei campi associati alla transizione si siano verificati indipendentemente in molte regioni differenti e distinte dell' Universo primordiale chiamate "domini". All'interno di ogni dominio il cambiamento radicale fu relativamente lento.
Ma nei luoghi di confine tra i domini, i campi ottenuti dal decadimento dei campi gravitazionali negativi non interagirono tra loro con uniformità e provocarono delle distorsioni nella struttura dello spazio-tempo.
Queste distorsioni somigliano abbastanza alle dislocazioni, un fenomeno che si presenta spesso nei cristalli. La caratteristica distintiva di un cristallo perfetto è quella di avere i suoi atomi ordinati a file.
Tuttavia un liquido, raffreddandosi, non si solidifica in un cristallo perfetto.
Al contrario, zone diverse del solido sono cristallizzate in modi leggermente diversi, proprio come i domini dei cosmologi, cosicchéi suoi atomi sono orientati lungo direzioni leggermente differenti a seconda dei punti. Le file ordinate di un dominio non collimano con quelle del dominio contiguo: dove le file degli atomi si incontrano, si crea una sorta di faglia.
I confini tra regioni diverse possono apparire come linee filiformi o come piani lungo cui è facile spaccare il cristallo.
Calcolando le proprietà fisiche dell' Universo primordiale, si è visto che all'epoca della transizione cosmo logica avvenne qualcosa di simile al congelamento di un liquido (con la differenza che lo stato "liquido" e quello "solido" che prendono parte alla transizione cosmologica corrispondono a stati diversi del vuoto).
Mentre diversi domini si "congelavano" in modi leggermente diversi, nacquero dei difetti spazio-temporali sotto forma di pareti che attraversavano l' Universo, di tubi sottilissimi e persino di punti matematici. Secondo la stessa teoria, il motivo per cui pareti di questo genere non sono osservabili nella nostra regione di Universo è che il cosmo si è espanso tanto da allora da farli uscire dalla nostra visuale.
Inoltre non osserviamo punti di difetto perché non sono facilmente individuabili (secondo alcune versioni di questa teoria, però, essi potrebbero manifestarsi come poli magnetici isolati, ossia come un nord senza sud e viceversa).
Ma i tubi che quell'era ci ha lasciato potrebbero anche giocare un ruolo importante nel determinare la distribuzione di materia nell' Universo visibile.
Questi tubi prendono il nome di stringhe cosmiche; essi non possono avere estremità, ma devono necessariamente ricongiungersi con se stessi o attraversare tutto l' Universo osservabile.
Queste stringhe, se esistono, hanno un diametro piccolissimo: un millesimo di miliardo di miliardo di centimetro. Ciononostante, un solo chilometro di stringa cosmica pesa quanto la Terra. Dieci miliardi di anni luce di lunghezza di una stringa stesa attraverso l' Universo osservabile potrebbero venir compressi in una pallina più piccola di un solo atomo, che peserebbe però quanto un superammasso di galassie.
Alcuni astronomi propongono che nelle prime fasi della vita dell' Universo le stringhe ad anello abbiano offerto i "semi" gravitazionali su cui crebbero le galassie e gli ammassi.
Durante l'espansione cosmica le stringhe "chiuse", per la loro forte attrazione gravitazionale, trattennero materia, permettendo la formazione di stelle e galassie.
Ma la forte attrazione gravitazionale è solo una caratteristica esteriore della stringa e, per quanto riguarda la costruzione di un cunicolo attraversabile, è la proprietà meno interessante.
Ciò che invece ci interessa molto di più si trova dentro al tubo.
Una stringa cosmica può essere pensata, nel modo più semplice, come un tubo sottile contenente materia creata nella fase iniziale dell'espansione universale, prima che avvenisse la transizione verso la condizione attuale.
Le stringhe cosmiche non sono ripiene di materia, bensì dell' energia dei campi originari: sono come dei fossili che risalgono alla prima frazione di secondo della vita dell' Universo.
Questi campi portano ancora in sé l'impronta della costante cosmologica, dell'enorme pressione negativa che, quando nacque l' Universo, pervadeva ogni luogo. In un pezzo di elastico allungato la tensione della materia cerca di far avvicinare tra loro i capi. In una stringa cosmica allungata, la tensione negativa associata alla pressione negativa cerca di allungare ancora più la stringa.
L'interno di una stringa 'cosmica è fatto di materia esotica, dotata di tutte le caratteristiche necessarie a stabilizzare i cunicoli.
Il salto di immaginazione di Matt Visser consisteva nel rinunciare alla simmetria sferica, presupposto che solitamente i relativisti adottano per semplificare i loro calcoli.
In un saggio scritto nel i 989 per il concorso bandito dalla Gravity Research Foundation, Visser (che non vinse, ma ricevette una menzione onorifica) seguì l'esempio dell'équipe di Thorne progettando, in primo luogo, una struttura spaziotemporale che permettesse di passare facilmente attraverso il cunicolo e, in secondo luogo, calcolando dove occorreva disporre la materia esotica per ottenere tale struttura.
Poiché ci stiamo occupando di due spazi tridimensionali (due universi o due parti dello stesso universo) collegati da un tunnel stellare, tridimensionali dovranno essere anche le superfici che formano l'entrata e l'uscita dei cunicoli. Prima ho descritto questo concetto in termini di buchi neri sferici, magari dotati anche di rotazione, che costringono la loro superficie a rigonfi arsi leggermente all'equatore.
Ma Visser, un esperto ingegnere teorico dell'iperspazio, decise di trovare una superficie piatta che i viaggiatori potessero attraversare senza incontrare intensi campi gravitazionali e senza entrare in contatto con la materia esotica. La struttura da lui scoperta fu un cubo a sei facce con la materia esotica confinata lungo i "montanti" (spigoli). Un viaggiatore che si avvicini a una delle facce del cubo e l'attraversi non sperimenterà alcuna forza di marea e non incontrerà materia di nessun genere (esotica o altro). Visser scrisse: "Il viaggiatore verrà semplicemente scaraventato attraverso il cosmo ed emergerà da un cubo equivalente in un'altra regione dello spazio piatto o, forse, addirittura in un altro universo".
In questo saggio, come anche in una versione contenente maggiore formalismo matematieo pubblicata da Visser sulla Physical Review Dl, le stringhe cosmiche non venivano esplicitamente menzionate. Nel suo articolo più formale Visser mise in evidenza che "l' energia di sforzo presente agli spigoli del cubo è identica all' energia di sforzo [n.] di una stringa classica a tensione negativa" (suo il corsivo).
"[Attualmente] non si conosce alcun meccanismo naturale che generi una tensione negativa della stringa", scrisse Visser; ma naturalmente si conosce un meccanismo che potrebbe aver generato una tensione negativa della stringa tanto tempo fa, con la nascita dell' universo. Quale metodo migliore per procurarsi la materia esotica da posizionare lungo la struttura a cubo delle entrate dei cunicoli che si possono attraversare?
Tutte le prospettive di costruire un dispositivo del genere superano di molto le nostre capacità attuali. Ma, come sottolineano Morris e Thorne, la sua realizzazione non è impossibile; "di conseguenza non possiamo dichiarare inammissibili i cunicoli attraversabili". Mi sembra che qui si possa fare una analogia che pone le ricerche di sognatori del calibro di Thorne e Visser in un contesto adeguato e interessante.
Quasi 500 anni fa Leonardo da Vinci speculava sulla possibilità di costruire macchine volanti.
Egli progettò elicotteri e velivoli con le ali; gli ingegneri areonautici contemporanei sostengono che, se Leonardo avesse avuto a disposizione per la propulsione i motori attuali, gli aerei costruiti secondo i suoi progetti sarebbero probabilmente riusciti a volare.
Tuttavia nessun ingegnere della sua epoca avrebbe potuto costruire una macchina volante motorizzata capace di trasportare gli uomini attraverso il cielo. Leonardo non si spinse neache ad immaginare le potenzialità dei motori a reazione e i voli di linea a velocità supersoniche.
Eppure il Concorde e il Jumbo funzionano grazie agli stessi principi fondamentali di fisica su cui si basavano le macchine volanti che progettò Leonardo.
Dopo solo mezzo millennio tutti i sogni più folli non solo si sono avverati, ma sono addirittura stati superati. Forse ci vorrà anche più di mezzo millennio perché il progetto di Matt Visser di un cunicolo attraversabile si tramuti in realtà; ma le leggi della fisica dicono che esso è possibile.
Sagan immagina che qualcosa di simile potrebbe essere già stato fatto da una civiltà più avanzata della nostra.
Naturalmente si ripresentano problemi pratici.
Anche se una civiltà più avanzata avesse le capacità necessarie per manipolare una stringa cosmica e sapesse dove trovarla ci sarebbe ancora la piccola difficoltà di dover viaggiare nello spazio per raggiungere. la stringa e poter prelevare la materia per la costruzione della porta stellare.
Se si fosse in grado di viaggiare nello spazio fino a una distanza qualunque, la porta stellare potrebbe non essere più necessaria. Ma anche se si avessero a disposizione altri mezzi efficienti per viaggiare nello spazio, ci potrebbe essere un altro incentivo potente per provare a costruire un cunicolo attraversabile.
In una "nota aggiunta come prova" verso la fine dell'articolo sull'American Journal oJ Physics che trattava dell'impiego dei cunicoli per il viaggio interstellare, Morris e Thorne osservavano: "Dopo aver scritto il pezzo abbiamo scoperto che una civiltà arbitrariamente avanzata potrebbe costruire una macchina per andare indietro nel tempo con un solo cunicolo".
In altri termini ogni porta stellare è anche una macchina del tempo potenziale.
Ma esiste un modo del tutto distinto con cui le leggi della fisica danno la possibilità di viaggiare indietro nel tempo.
Questa idea fu sviluppata in dettaglio in un articolo comparso sulla Physical Review di ben quindici anni prima della nota di Morris e Thorne sopra citata. La relatività generale ci dice, in effetti, che ci sono due modi per costruire la macchina del tempo.
di John Gribbin
John Gribbin e' un astrofisico inglese, uno dei piu' importanti collaboratori scientifici di "New Scientist".
