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La fisica del viaggi spaziali di Star Trek


L’universo di Star Trek ha appena compiuto cinquant’anni tondi tondi, celebrati da un lato con il recente terzo episodio del reboot cinematografico (Star Trek Beyond), dall’altro con una nuova serie prevista per il 2017, Star Trek: Discovery. L’8 settembre 1966 andava in onda per la prima volta, sul canale statunitense Nbc, il serial originale, creato da Gene Roddenberry e ispirato a una serie western di successo in quegli anni, Carovane verso il West. Le avventure spaziali di Kirk, Spock e McCoy, insieme a Sulu, Uhura, Scotty e Chekov, rischiarono la cancellazione già durante la seconda stagione, ma grazie a una petizione i fan riuscirono a convincere la rete a continuare.

La serie originale si concluse in ogni caso nel 1969, eppure i trekkie non fecero che aumentare, visto che il canale televisivo aveva deciso di vendere, a chiunque li chiedesse, i diritti per la trasmissione delle vecchie puntate. Dopo diversi film e una serie animata, gli anni ottanta videro il ritorno dell’Enterprise in televisione, con Star Trek: The Next Generation e il suo nuovo equipaggio, insieme a tutti gli spinoff che da allora si susseguono.

Tra tutte le tecnologie futuristiche che la serie ha mostrato nei decenni, alcune sono rimaste nella storia e hanno ispirato le teorie di diversi fisici, come la brillante idea di viaggiare più veloci della luce.

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Che fosse impossibile superare i 300.000 chilometri al secondo l’aveva detto Albert Einstein con la teoria della relatività, eppure la fantascienza continua a sfidare apertamente questo limite. Quando compare Star Trek, infatti, la nave Enterprise può ricorrere alla propulsione a curvatura (warp drive in originale, spesso tradotto anche come ipervelocità), che spinge l’equipaggio a velocità pari a diverse volte quella della luce (in Star Trek: The Next Generation si arriva addirittura a migliaia di volte).

Nella serie, l’invenzione di questo straordinario motore, realizzato dall’immaginario scienziato Zefram Cochrane, è il segnale che la civiltà umana è in grado di viaggiare tra le stelle ed è finalmente pronta a incontrare le altre razze che popolano l’universo, un avvenimento che porterà alla nascita della Federazione dei pianeti uniti. In fondo, la velocità iperluce è cruciale per il coordinamento di un’organizzazione cosmica, racconta Lawrence Krauss ne La fisica di Star Trek (Tea, 2009): se le astronavi della Flotta stellare si allontanassero dal Comando a velocità quasi-luce, gli orologi a bordo sarebbero rallentati e, rispetto al Comando, si troverebbero nel futuro una volta arrivati a destinazione. Difficile comunicare quando ci sono effetti relativistici di mezzo, no?

Servirebbe piuttosto un dispositivo che lasci inalterato il tempo e agisca più che altro sullo spazio, consentendo di superare la barriera posta da Einstein. Fantascienza da Star Trek? Fino a un certo punto, perché un fisico teorico messicano di nome Miguel Alcubierre, nel 1994, ha descritto sulla rivista Classical and Quantum Gravity il corrispettivo scientifico della propulsione a curvatura: il motore di Alcubierre. Questo sistema di propulsione, ispirato proprio alla serie tv, funziona distorcendo la trama dello spazio, dilatando ciò che si trova alle spalle di una bolla di curvatura, dove sta il pilota e il tempo scorre normalmente, e comprimendo quel che invece ha di fronte.

Andiamo sul concreto: prendete un elastico, tagliatelo a metà, fissate su una tavola di legno le due estremità della fettuccia con due puntine, affinché resti tesa ma non troppo, e infine disegnate una tacca vicino a uno dei due capi. Ora immaginate di essere sul punto che avete disegnato e di dover arrivare all’estremità più lontana: potete percorrere, passo dopo passo, tutta la lunghezza che vi separa dalla destinazione, ma il motore di Alcubierre vi consente una scorciatoia. Basta prendere con due dita il punto in cui vi trovate e avvicinarlo al capo che volete raggiungere, senza incurvare l’elastico. Alle vostre spalle lo spazio si sarà dilatato, mentre di fronte a voi sarà compresso: la distanza per raggiungere il vostro punto d’arrivo ora sarà inferiore.

È come se la bolla di curvatura viaggiasse sulla cresta di un’onda che increspa la superficie dello spazio e la spinge in avanti verso la propria destinazione. Secondo Alcubierre, questa soluzione rispetterebbe il limite imposto da Einstein: localmente l’astronave viaggerebbe sempre a una velocità inferiore a quella della luce, mentre globalmente potrebbe essere in grado di percorrere distanze incredibili in tempi molto brevi, superando in corsa i fotoni. Se da un punto di vista teorico il motore di Alcubierre non fa una piega, dal lato fisico potrebbe esserci qualche problema. Per generare una simile distorsione dello spazio, infatti, è necessario ricorrere alla materia esotica (massa o energia negativa, le stesse che servono a mantenere aperto un tunnel spaziotemporale), su cui gli scienziati hanno ancora molti dubbi. Secondo il fisico messicano, però, per risolvere il dilemma sarebbe possibile sfruttare ciò che già sappiamo dell’energia negativa, ricorrendo all’effetto Casimir.

Nel 1948, il fisico olandese Hendrik Casimir, in base alla meccanica quantistica, fece una particolare previsione: se si mettono nel vuoto due piastre metalliche parallele, senza carica elettrica e molto vicine l’una all’altra, queste si attraggono. La motivazione è che nello spazio che le separa ci sono moltissime particelle virtuali che appaiono e scompaiono di continuo: elettroni e antielettroni spuntano e si annullano (o meglio si annichilano, come vedremo dopo) in brevissimo tempo. Attorno a noi questo ribollire di attività genera una certa pressione, che agirà anche nel caso dell’esperimento: essendo molto limitato lo spazio tra le piastre, la pressione al loro interno sarà inferiore rispetto a quella all’esterno. Nella fessura quindi ci sarà una pressione negativa che porterà le due superfici ad avvicinarsi.

La previsione di Casimir è stata confermata sperimentalmente diverse volte dal 1948, ma il problema della propulsione a curvatura è tutt’altro che risolto, perché questo effetto è di proporzioni molto ridotte. Un esperimento del 1997 condotto al Los Alamos National Laboratory ha infatti dimostrato che la forza di attrazione generata sarebbe uguale a un trentamillesimo del peso di una formica, racconta Michio Kaku nella Fisica dell’impossibile. Davvero troppo poca per riuscire a distorcere lo spazio e trasportare una nave come l’Enterprise in giro per l’universo. Sebbene diversi scienziati dichiarino di lavorare a un motore a curvatura, per ora la Nasa ritiene si tratti di un’impresa davvero poco probabile.

Nella fiction di Star Trek, invece, il motore a curvatura inventato da Cochrane ricava energia da un reattore materia/ antimateria, grazie a un processo chiamato annichilazione. In natura, per ogni particella esiste un’antiparticella, una componente subatomica che a parità di massa ha carica opposta. Un elettrone, per esempio, ha come antiparticella un positrone, mentre al protone corrisponde un antiprotone. Quando questi due corpuscoli opposti si incontrano, finiscono per annullarsi a vicenda, o meglio si annichiliscono rilasciando energia. Annichilire un grammo di antimateria con uno di materia potrebbe rivaleggiare in energia con un’esplosione delle dimensioni di una bomba atomica, quindi sarebbe un buon modo per alimentare un motore a curvatura.

Il problema con l’antimateria è che non è affatto abbondante nell’universo. Le antiparticelle, infatti, in natura si creano durante lo scontro tra particelle ad alta energia, come per esempio nel caso dei raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera terrestre. Raccogliere antiparticelle in giro per la galassia non sarebbe una strategia efficace, perciò gli ingegneri spaziali di Star Trek non avrebbero altra scelta che produrla. Sulla Terra, infatti, già oggi l’antimateria viene creata artificialmente negli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider al Cern di Ginevra, dove fasci di particelle vengono fatti scontrare ad altissime velocità. Peccato che tut- ta l’antimateria che sia mai stata creata al Cern supera di poco i 10 nanogrammi, il peso medio di una cellula umana.

Purtroppo, almeno per ora, produrre antiparticelle è un processo estremamente dispendioso da un punto di vista energetico: generare un antiprotone ci richiede molta più energia di quanta ne potremmo recuperare dalla sua annichilazione con un protone. Come hanno risolto il problema sull’Enterprise? Nell’universo di Star Trek esistono i dispositivi quantici di inversione della carica, strumenti capaci di trasformare semplicemente una particella nel proprio opposto. Troppo bello per essere vero.

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