Dove nessun uomo è giunto mai ….

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L’Enterprise “prima edizione”

Qualche mese fa Star Trek ha compiuto 50 anni. In sole tre stagioni la serie ebbe una risonanza culturale che continua ancora oggi. L’astronave Enterprise è diventata l’icona di un futuro migliore, con la previsione di profonde capacità tecniche in una società responsabile e di innumerevoli meraviglie da esplorare. Molti ingegneri e scienziati fanno risalire la scelta della loro carriera proprio al telefilm. L’effetto si diffuse in tutto il mondo ed è stato descritto come “un profondo ed eterno bisogno di qualcosa in cui credere: qualcosa di vasto e potente, eppure razionale e contemporaneo. Qualcosa che abbia senso”.

Ora, mezzo secolo dopo, a che punto siamo verso la realizzazione del fantastico futuro di Star Trek? Abbiamo fatto progressi nel volo a velocità superiore a quella della luce, nel controllo sulle forze inerziali e gravitazionali, nella manipolazione estrema dell’energia e nella disciplina sociale necessaria per gestire così tanta potenza?

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Marc Millis, l’autore

Io ho diretto il progetto Breakthrough Propulsion Physics (la svolta nella fisica della propulsione), la prima e documentata ricerca della NASA nelle prospettive di una rivoluzione simile a quella di Star Trek: il controllo della gravità per la propulsione e il volo a velocità superiore a quella della luce (ultraluminale). Il progetto fu finanziato dal 1995 al 2002 e poi continuò senza fondi fino a circa il 2008. Con l’aiuto di reti di conoscenze oltre la NASA, tramite la Fondazione Tau Zero, i risultati del lavoro della NASA e molti altri sono stati compilati in Frontiers of Propulsion Science (2009). Da allora ci sono stati dei progressi da più parti, ma quella compilazione è ancora di gran lunga un buon punto di partenza per gli approfondimenti.

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La teoria del motore a curvatura del fisico messicano Miguel Alcubierre

Cominciamo dalla tecnologia più ovvia e affascinante: il volo a velocità ultraluminale con il motore a curvatura (warp drive). Si tratta di una possibilità teorica, legata alla Relatività Generale di Einstein, ma ostacolata da difficoltà insormontabili. Invece di superare la velocità della luce attraverso lo spazio-tempo, queste teorie propongono di manipolare lo spazio-tempo stesso, il che è un concetto totalmente diverso. Il problema è trovare un modo di creare energia negativa nuda, e anche tanta. Si può creare l’energia negativa fin da ora (nelle cavità Casimir), ma purtroppo è ancora contenuta all’interno di una maggiore quantità di normale massa-energia positiva. La prima dimostrazione sperimentale dell’energia negativa nuda sarebbe un momento epocale.

Per ottenere la velocità ultraluminale, i  cunicoli spazio-temporali sono forse un modo più efficiente dal punto  di vista energetico, rispetto ai motori a curvatura. I paradossi spazio-temporali che sembravano impedire il viaggio ultraluminale si sono rivelati dei falsi problemi (non si può usare la velocità superiore alla luce per tornare indietro nel tempo e uccidere il nonno prima che generi il proprio padre). Ciò che serve sono dei migliori strumenti teoretici. Molte ricerche sulla velocità ultraluminale si sono limitate all’analisi unidimensionale piuttosto che allo spazio-tempo tridimensionale. La teoria esiste, ma è ancora agli inizi.

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Cunicolo spazio-temporale

Per gioco ho calcolato la velocità a cui dovremmo volare per fare tutto quello che faceva il Capitano Kirk nella sua missione quinquennale (79 episodi TV suddivisi in 3 stagioni). Incontrò una nuova civiltà pressoché in ognuno degli episodi. Se combiniamo questo dato a una distanza fra le civiltà stimata in 1900 anni luce, otteniamo che la velocità necessaria sarebbe 30000 volte quella della luce, o 300 milioni di volte quella delle sonde odierne.
Quindi, su scala interstellare la luce è lenta. La stella più vicina a noi, Proxima Centauri, si trova a più di 4 anni luce  di distanza. Le successive dieci stelle più vicine si trovano entro una decina di anni luce. Per raggiungere Proxima Centauri nel corso della carriera di una persona (per esempio 42 anni), dovremmo viaggiare almeno al 10% della velocità della luce, vale a dire più di 1000 volte quanto abbiamo fatto finora.

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Beam me up, Scotty!

Teletrasporto
Per ridurre i costi, i produttori di Star Trek aggiunsero il teletrasporto per spostare i personaggi da un luogo all’altro con un solo cambio di scena, oltre a effetti sonori e luminosi. La premessa era che i personaggi sarebbero stati dematerializzati in una specie di raggio energetico e rimaterializzati altrove. Nonostante l’assonanza con il teletrasporto quantistico (che invece è realtà), il teletrasporto di Star Trek è tutta un’altra cosa e, nella letteratura scientifica, ciò che vi si avvicina di più sono i cunicoli spazio-temporali di cui abbiamo già parlato.

Controllo sulle forze gravitazionale e inerziale
Molte delle caratteristiche essenziali dell’astronave Enterprise richiedono la capacità di manipolare le forze gravitazionale e inerziale. La caratteristica più ovvia è la creazione di una gravità interna per l’equipaggio, che guarda caso coincide con le condizioni offerte dal teatro di posa. Nel bel mezzo dello spazio invece, lontano da qualsiasi corpo gravitazionale, non c’è un “basso” verso cui cadere. Gli oggetti semplicemente fluttuano.

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Sala comando di una nave della Flotta Stellare

La capacità di indurre un campo gravitazionale all’interno di un’astronave sarebbe un’enorme conquista anche per le sue derivazioni. Se possiamo indurre un campo di gravità all’interno dell’astronave, perché non anche all’esterno, come forma di propulsione? Questo porta ai concetti di raggio traente e deflettori per togliere gli ostacoli dalla strada dell’Enterprise. E se si possono spingere e tirare oggetti distanti, è probabile che li si possa anche rilevare in un modo diverso da ciò a cui siamo abituati, ad esempio tramite la densità della loro massa (che sarebbe comodo per cercare l’oro).
Se la necessità della velocità ultraluminale è ovvia, le implicazioni delle altre scoperte basate sulla massa sono più difficili da intuire. Facciamo un’analogia. Molto tempo fa si sapeva che cariche elettriche e magneti esistevano ma non se ne capiva il funzionamento. Le cose divennero più interessanti quando imparammo che l’elettricità può generare campi magnetici e questi ultimi possono generare l’elettricità. Così vennero inventati motori, generatori, luci, perfino gli schermi sui quali state leggendo ora.
In modo simile, sappiamo che gravitazione ed elettromagnetismo esistono; Newton giunse a decifrare il comportamento di gravità e inerzia, mentre Einstein arrivò a includere elettromagnetismo, velocità relativistiche e la gravitazione intensa. Tuttavia non sappiamo ancora come tutto questo funziona. Se mai capiremo come usare le nostre conoscenze nell’elettromagnetismo per modificare la gravitazione o l’inerzia, allora tutte le visioni di Star Trek potrebbero essere realizzate, perfino camere d’albergo a gravità zero. La prima prova sperimentale di tali capacità sarebbe una svolta per il genere umano.

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Cantiere spaziale

Estrema manipolazione dell’energia
Il volo interstellare, anche in senso convenzionale, richiede incredibili quantità di energia. Per spingere la nostra astronave al 10% della velocità della luce (1000 volte più veloce di ora), ci serve almeno 1 milione di volte più energia. Anche se questi livelli fossero raggiungibili nei decenni futuri, esistono dei problemi secondari che vengono spesso ignorati, sia nella finzione che in alcuni studi ingegneristici. Un esempio è quello di come liberarsi del calore di scarto. Quando si converte una forma di energia in un’altra, ci sono delle perdite dovute alle inefficienze. Per un oggetto piccolo come un’auto o un condizionatore d’aria l’eccesso è facile da emettere in atmosfera. Ma quando si raggiungono livelli di energia estremi e vengono usati nello spazio, dove è più difficile dissipare tale energia, anche l’1% di inefficienza può causare problemi enormi. Questi dettagli non si possono escludere dal quadro complessivo.

Quando si considerano le energie del volo ultraluminale, le quantità necessarie diventano letteralmente astronomiche. Un vecchio esempio (di Matt Visser) è che per creare un cunicolo spazio-temporale del diametro di 1 metro, occorrerebbe una massa-energia a riposo pari all’intero pianeta Giove. Poi bisognerebbe convertirla in energia negativa nuda e infine renderla abbastanza piccola da creare questo varco di 1 metro. Analisi successive hanno abbassato molto queste stime, ma stiamo ancora parlando di cifre vertiginose. Qualsiasi nuova teoria o esperimento che dimostri come si può curvare lo spazio-tempo con energie effettivamente ottenibili, sarebbe uno sviluppo decisivo.

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Warp speed, Mr. Sulu!

Un altro significativo problema secondario è costituito dal come usare in sicurezza tale energia. I livelli energetici del volo interstellare sono così alti che, se mal utilizzati, potrebbero spazzare via tutta la vita sulla Terra. E questo ci porta a un altro elemento essenziale della visione di Star Trek: una società matura che utilizza il suo potere in modo responsabile.

La maturazione della società
Oltre a essere stimolante dal punto di vista tecnologico, Star Trek è stato anche confortante da quello sociologico. L’equipaggio dell’Enterprise credeva in un modo di comportarsi onorevole e rispettoso degli altri e delle loro culture, a prescindere dalle differenze di formazione, razza, sesso o carattere. Non abusava del proprio potere e ogni individuo aveva il suo posto speciale, anche se tutti lavoravano verso un obiettivo comune. In diversi episodi l’equipaggio dell’Enterprise andava al salvataggio di civiltà a rischio di estinzione per la loro mancanza di un trattamento reciproco sensato. La maggior parte delle volte queste testarde società imparavano la lezione e compivano la svolta verso una vita migliore. Se solo fosse così facile indurre la gente ad abbandonare le opinioni sbagliate per mezzo di fatti, saggezza e  buon esempio…

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Saluti da Vulcan: lunga vita e prosperità

Di tutte le sfide, questa è forse la più difficile e la più necessaria. Da essa dipende la sopravvivenza dell’umanità. Per esercitare in sicurezza il nostro crescente potere, la società deve maturare fino a un punto in cui lavoreremo per il bene comune, non uno contro l’altro. Un barlume di speranza è il fatto che (per ora) ci siamo trattenuti dallo scatenare un olocausto nucleare per più di mezzo secolo, nonostante le ricorrenti crisi internazionali. In proporzione sembra anche che ci stiamo uccidendo di meno. Nella storia umana, però, cinquant’anni sono solo un batter d’occhio. Con il passar del tempo e l’aumento della nostra capacità di manipolazione dell’energia, riusciremo tutti a esercitare responsabilmente i nostri poteri? Impareremo a vivere in modo tale che i nostri disaccordi non diventino pericoli mortali?
La difficoltà nel migliorare la società consiste nel fatto che gli strumenti di cui disponiamo sono gli stessi che bisogna correggere. Per una società più sana abbiamo bisogno di una società sana. Le prospettive sono limitate dal fatto che noi stessi facciamo parte del problema che cerchiamo di risolvere. È un po’ come pretendere che l’aspirapolvere risucchi se stesso.

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Incalliti imperialisti riflettono sui problemi etici e….

Per guardare a noi stessi in modo più imparziale, immaginiamo future società nella forma di astronavi-arca, ad esempio una colonia di 50.000 persone racchiusa in un’astronave dalle dimensioni finite. Oltre a un continuo supporto vitale fisico, tale società dovrà sostenere una cultura pacifica e significativa. Queste sfide sono esplorate dalle discipline dell’astrosociologia e dell’antropologia spaziale. Forse, con l’aumento di dati rigorosi sul comportamento umano oltre a nuovi metodi per l’analisi di dati complessi, riusciremo infine a capire come progettare una società che includa tutte le realtà del comportamento umano, ma in un modo che consenta agli individui di condurre una vita significativa entro una cultura di pace duratura.

Conclusioni: riflessioni su Proxima b
È stato detto che la vicinanza della Luna alla Terra abbia aiutato la realizzazione del programma spaziale. Iniziò la fantascienza di Jules Verne nel 1865, seguita dalle strutture  matematiche di base, ad opera di Konstantin Tsiolkovskij nel 1903, fino al culmine dell’allunaggio dell’Apollo nel 1969. Passò circa mezzo secolo dalla fantasia alla scienza e un altro mezzo secolo dalla scienza alla sostanza.

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Mettiamo a confronto dimensioni, colore e temperatura del Sole e delle tre stelle componenti il sistema di Alfa Centauri. Proxima è così fredda e rossa che non emette praticamente nessuna radiazione ultravioletta. Image credit: Wikimedia Commons users David Benbennick and Qef, under a c.c.a.-s.a.-3.0 license.

Ora abbiamo un pianeta potenzialmente abitabile  così vicino che di più non si potrebbe. La nostra stella più prossima, appunto Proxima Centauri, presenta un pianeta leggermente più grande della Terra sulla superficie del quale potrebbe scorrere dell’acqua allo stato liquido. Si trova a 4,2 anni luce di distanza, ha una massa del 30% superiore a quella della Terra e si trova nella zona abitabile della sua stella, una nana rossa. La stella è più fioca, più fredda e più piccola del Sole (14% delle dimensioni, 12% della massa), il che significa che la zona abitabile si trova al 5% della distanza Terra-Sole. Di conseguenza, un anno sul nuovo pianeta dura solo 12 giorni terrestri.

  Per coloro fra di noi che hanno immaginato il volo interstellare, le notizie non potrebbero essere migliori, finché non scopriremo pure che il pianeta ha un’atmosfera, che ci sono le prove dell’esistenza di acqua liquida in superficie e che gli indizi ottenuti con l’analisi spettroscopica indicano la possibilità di presenza della vita. La distanza lo pone alla portata di sonde già attualmente immaginabili. Proprio all’inizio di quest’anno il miliardario Yuri Milner ha impegnato 100 milioni di dollari nella ricerca di un metodo per il volo interstellare: vele leggere spinte da una batteria di laser, chiamate Breakthrough Starshot. Si tratta di un’idea vecchia di decenni, con la prima analisi dettagliata svolta da Robert Forward negli anni ’80. La speranza di Starshot è che trasformi l’idea da concetto a progetto pilota tecnologico.
Proxima Centauri b ci chiama. Fungerà da catalizzatore per trasformare in realtà il volo interstellare? Si pensi che la nozione di vele spaziali risale ad almeno il 1929 (anzi la si può far risalire in qualche forma fino a Keplero). Queste basi furono convertite in scienza alla fine degli anni ’80 e Breakthrough Starshot sta ora cercando di far maturare la tecnologia.

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Una vela fotonica laser-assistita in assetto di volo

Se lo schema della Luna si ripeterà, avremo delle sonde in viaggio per Proxima negli anni ‘40 del secolo. Non solo: la letteratura fantascientifica per il viaggio ultraluminale risale a John W. Campbell nel 1931, mentre i primi articoli scientifici sono del 1988 e 1994. Se lo schema si ripeterà ancora, potremmo avere dei motori a curvatura che raggiungeranno il pianeta Proxima b ancor prima di Starshot.

Titolo originale Star Trek plus fifty di Marc Millis, pubblicato il 9 settembre 2016 da Centauri Dreams

traduzione e adattamento di FAUSTO MESCOLINI

editing ROBERTO FLAIBANI

REFERENCES

  • Greenwald, J. (1988). “Future Perfect: How Star Trek Conquered Planet Earth” (Viking).
  • Morris, M. S., & Thorne, K. S. (1988). “Wormholes in spacetime and their use for interstellar             travel: A tool for teaching general relativity.” Am. J. Phys, 56(5), 395-412.
  • Visser, M. (1996). “Lorentzian wormholes. From Einstein to Hawking” (AIP Press), 1.
  • Alcubierre, M. (1994). “The warp drive: hyper-fast travel within General Relativity.” Classical and Quantum Gravity, 11(5), L73.
  • Davis, E. W. (2013). “Faster-Than-Light Space Warps, Status and Next Steps” In 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (p. 3860).     
  • Maccone, C. (2011). “SETI and SEH (statistical equation for habitables)” Acta Astronautica, 68(1), 63-75.
  • Millis, M. G. (2012). “Space Drive Physics: Introduction and Next Steps.” Journal of the British Interplanetary Society, 65, 264-277.
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