Sono possibili comunicazioni interstellari superluminali, ossia a velocità maggiori di quelle della luce? Forse…
La fantascienza ha introdotto ormai da oltre un secolo l’idea del viaggio interstellare su immense distanze misurate in anni luce, effettuabile in ore o giorni. Negli stessi anni in cui le fervide menti degli scrittori di fantascienza del secolo scorso creavano fantasmagoriche ambientazioni spaziali per le loro storie, le due teorie della relatività speciale e generale vietavano apparentemente in modo categorico qualsiasi tipo di moto fisico con velocità maggiori di quella della luce, definite anche superluminali.
Le prove di questa impossibilità si sono accumulate nel tempo, e sono così diventate anche conferme della correttezza di questa teorie; ricordiamo ad esempio il rallentamento degli orologi atomici estremamente precisi posti su aerei in movimento, l’aumento di massa di particelle elementari come gli elettroni quando la loro velocità si avvicina a quella della luce e la rilevazione al suolo dei muoniIl muone è una particella elementare instabile, il cui decadimento più probabile è quello che produce un elettrone, un neutrino muonico ed un antineutrino elettronico; la durata della “vita” di questa particella prima del decadimento, è di circa 2.2 micro secondi. Un muone prodotto dalla collisione dei raggi cosmici con atomi e molecole della nostra atmosfera, si muove con velocità di poco inferiore a quella della luce: in questo intervallo di tempo per gli effetti relativistici della dilatazione del tempo e dell’accorciamento della distanza percorsa, la particella raggiunge il suolo contrariamente a quanto previsto dalla meccanica classica. prodotti dalle collisioni degli atomi e molecole dell’atmosfera con i raggi cosmici. Ed ancora,in questa era sommamente “tecnologica”, i navigatori satellitari basati sui satelliti GPSI fenomeni fisici che influenzano il funzionamento dei ricevitori del sistema Global Positioning System e di cui è necessario tenere conto per evitare imprecisioni sono principalmente il moto del satellite che fa rallentare il suo orologio come descritto dalla Relatività Speciale, il campo gravitazionale della Terra che modifica sia il periodo dell’orologio sul satellite che la propagazione dei segnali inviati ai ricevitori al suolo come previsto dalla Relatività Generale e gli effetti causati dalla rotazione del nostro pianeta sul suo asse..
La relatività, molto brevemente.
La due teorie della relatività sono estremamente complesse per il formalismo matematico necessario al loro utilizzo, quanto semplici nei concetti basilari.
Per la teoria della relatività speciale abbiamo la costanza della velocità della luce, che è anche il limite massimo invalicabile dai sistemi fisici, e l’invarianza delle leggi fisiche nei sistemi di riferimento inerziali. Nella relatività generale troviamo il principio di equivalenza per massa inerziale e gravitazionale e l’estensione dell’invarianza per le leggi fisiche anche ai sistemi di riferimento non inerziali; la gravità è una deformazione dello spazio-tempo non euclideo causata dalla massa: lo spazio cessa di essere separato dal tempo con cui forma una unica entità quadrimensionale ed è quindi “curvato” dalla presenza della materia e dell’energia, anziché essere considerato piano come nella teoria newtoniana della gravitazione. La gravità non è più una forza, ma una proprietà geometrica dello spazio tempo e dei moti che si verificano per la sua azione.
Tutto qui. Ma come dicevo prima, descritto con un formalismo matematico molto complesso.
Propulsione a “curvatura”: no, almeno per adesso…
Però, per coloro che lo maneggiano, e con l’approfondimento dei concetti meno evidenti della teoria dalla relatività generale è possibile estrarre soluzioni a dir poco “bizzarre”, che descrivono tipi di moto particolari; una di queste, pubblicata nel 1994, ha descritto un moto superluminaleMoto con velocità maggiore di quella della luce., ossia il motore a “curvatura” della fantascienza o propulsore Alcubierre dal nome del fisico che lo ha proposto. Peccato che non funzioni… o meglio, sembra impossibile da realizzare praticamente, per motivi complessi e svariati, legati comunque alla disponibilità in gran quantità di un tipo particolare di energia, l’energia negativaIn base alla meccanica quantistica anche lo spazio vuoto ha energia e tutto ciò che ha energia minore dello spazio vuoto ha energia negativa. Si veda anche la definizione di “Mare di Dirac“ ottenibile “spendendo” per così dire immani quantità di energia “normale”: secondo alcuni neppure tutta l’energia dell’Universo basterebbe per avere l’energia negativa necessaria a far muovere a velocità superluminali una nave interstellare.
Comunicazioni a curvatura: forse…
Ma una cosa invece pare invece possibile: “chiaccherare superluminalmente”, come descritto in questo articolo, “spendendo” indicativamente un’energia dell’ordine dei 200 milioni di Joule, necessaria per ricavare quella negativa necessaria alla “telefonata” interstellare.
Ma quanto è questo “spendere poco”? Vediamolo con un piccolo esempio.
In termini di energia nella realtà in cui si svolge la nostra vita quotidiana, conosciamo meglio come unità di energia il kilowattora, un numerino che nelle bollette energetiche vorremmo fosse sempre il più piccolo possibile… Un chilowattora equivale a circa 3.6 milioni di Joule: le chiacchere interstellari necessiterebbero allora di circa 55.5 kilowattora. Per dare un idea di quanta energia stiamo parlando, prendiamo una lampadina a basso consumo, non particolarmente performante come rendimento, una classe “D”: consuma circa 8 watt (7.8, secondo il foglio informativo), ossia 7.8 Joule di energia in ogni secondo di funzionamento; ricordiamo che il Watt è l’unità di misura della potenza, ossia l’energia prodotta od utilizzata nell’unità di tempo: quindi abbiamo in formula: potenza = energia / tempo, ovvero utilizzando le unità di misura 1 W = 1 J / 1 s.
Dividendo quindi 200 milioni di joule della chiamata interstellare per 7.8 della lampadina usati in ogni secondo di tempo e convertendo i secondi in giorni, otteniamo circa 300 giorni: non è quindi una quantità di energia piccola ma pensate che in questo modo potremmo quindi “parlare” con un interlocutore a distanze interstellari, quasi istantaneamente. Possiamo anche rifare questo stesso calcolo usando il dato indicato sulla confezione della lampadina di un consumo di 8 kWh in un tempo di 1000 ore, ossia convertendo i kWh in joule abbiamo un consumo di circa 28.8 milioni di joule durante 1000 ore; con una semplice proporzione vediamo che i 200 milioni di watt vengono consumati dalla nostra lampadina in un tempo, espresso in ore di circa (200000000 x 1000) / 28800000, ossia 6944 ore: troviamo, convertendo le ore in giorni, il valore 289, in accordo con la valutazione precedente, a meno di errori di approssimazione nel calcolo.
In realtà, le cose sono ovviamente un pochino più complicate… Ed ora vedremo il perchè.
Quali sarebbero le modalità della comunicazione superluminale?
Nell’articolo in cui si descrive questa ipotesi, viene anche indicata un esempio di modalità che utilizza deformazioni spaziali molto piccole di forma tubolare, che si muovono con un percorso e un profilo di velocità predeterminati; l’autore definisce fantasiosamente le bolle di curvatura in rapido movimento come “Iperonde” ed i tubi di densità energetica utilizzati per guidarle “iperguide” ed ammette scherzosamente di essere stato influenzato dalle storie fantascientifiche di Asimov, scritte nel 1942, nella scelta di questa nomenclatura.
La trasmissione di informazione avverrebbe dunque creando una “iperonda” e la necessaria “iperguida”, inserendo nell’iperonda alcune particelle, che verrebbero rilasciate quando la bolla di curvatura decelera arrivando a destinazione. Le particelle emesse in questo modo sono dotate di un eccesso di energia rispetto a quando sono partite e questo sarebbe il segnale trasmesso, ovvero un singolo bit di informazione con valore 1; l’arrivo di una iperonda priva di particelle rappresenterebbe invece un bit con valore 0. Ma un singolo bit non è un messaggio; ed inoltre cos’è un bit?
La codifica di un messaggio.
Abbiamo parlato in precedenza di chiamate interstellari, il che equivale a dire che vogliamo ovviamente scambiare messaggi con un interlocutore remoto. Vediamo allora in quale modo attualmente funzionano, da un punto di vista basilare, le tecnologie usate per trasmettere dati.
Tutte le nostre tecnologie di informazione sono basate sull’utilizzo diretto di dati digitali oppure sulla conversione di segnali analogici, come ad esempio il suono della persona con cui stiamo parlando mediante il cellulare, in digitali, codificati con varie regole e protocolli di trasmissione, aventi lo scopo di portare correttamente la nostra comunicazione a destinazione.
Senza entrare nei dettagli della teoria dell’informazione, che dopo quasi un secolo è ancora la base dei sistemi di trasmissione che usiamo quotidianamente, una chiamata con il nostro cellulare viene scomposta in valori numerici discreti, e questi “numeri” sono codificati mediante le unità di informazioni elementari, ossia i bitContrazione delle due parole in lingua inglese BInary digiT..
Il bit può, per così dire, fare solo due cose, o meglio può assumere solo due valori: 0 oppure 1. E quindi, come possiamo usare il bit, se per così dire, “fa così poco”?
Prendiamo ad esempio il lancio di un dado, con le facce numerate da 1 a 6; se vogliamo codificare l’esito con valori inferiori a 4 e superiori a 3, possiamo farlo utilizzando un solo bit di informazione. Praticamente fissiamo la convenzione seguente per i lanci: il nostro bit di informazione avrà valore 0 per gli esiti “1”, “2” e “3”, oppure varrà 1 per gli eventi “4”, “5” e “6”. Una sequenza di tre lanci del dado potrebbe corrispondere agli eventi “6-1-2” ossia la sequenza di bit “100”; conoscendo la convenzione utilizzata, la descrizione è molto compatta ed anche agevole da trasmettere.
Questo semplice esempio serve per mostrare come una certa quantità di informazione, ossia un valore numerico situato in un intervallo specifico, possa essere descritto usando un singolo bit. E se invece avessimo voluto codificare il numero situato su una delle facce del dato? Per codificare quattro numeri decimali servono due bit e per codificarne invece otto ne occorrono tre, quindi anche per codificare sei numeri dobbiamo utilizzare tre bit.
A questo punto, potremmo pensare che il problema di invio del segnale a velocità superluminale sia solo una questione tecnica, ossia avere abbastanza energia negativa… dimenticavo di dire che al momento non è ancora chiaro come produrla, anche se si pensa di sfruttare fenomeni fisici quantistici come l’effetto Casimir… quindi, con energia negativa e codifica del messaggio siamo pronti ad spedire messaggi verso le stelle. Come? Inviando bolle di curvatura contenenti una o poche particelle elementari od inviandole senza nessun contenuto. Per quello che abbiamo detto prima sui bit, la bolla contenente particelle elementari sarebbe un bit con valore “1” e quella senza invece sarebbe un bit a valore “0”.
C’è ancora un ultimo problema, pratico: una codifica del messaggio come quella indicata che utilizzi la nostra attuale tecnologia digitale basata sul bit, deve essere nota al ricevente dall’altra parte, che potrà quindi interpretarla. Senza questa conoscenza, l’arrivo di bolle di curvatura contenenti messaggi codificati sarebbe interpretato come una sequenza apparentemente casuale di “pirotecnici” lampi di energia e particelle privi di significato.
Ma questi sono problemi del futuro, risolvibili assemblando messaggi che contengano al loro interno anche una chiave per decodificarli, come descritto nel film “Contact”.
Concludo con una curiosità: quanta energia sarebbe necessaria per inviare il solo testo di questo articolo, verso le stelle, con una comunicazione superluminale? Senza le immagini, il testo scritto ha una lunghezza di circa 10 kbytes, ossia 10000 bytes e poichè 1 byte è codificato con 8 bit, dobbiamo moltiplicare il valore di 200 milioni di joule per 10000 e poi per 8; quindi 200000000 x 10000 x 8 = 1.6 teraIl tera (1012) è il prefisso decimale che indica una quantità mille volte maggiore del giga (109) e quindi un milione di volte maggiore del mega (106) Joule, o 4.4 milioni di kilowattora. Ricordate la nostra lampadina a basso consumo? Questi 4.4 milioni di kilowattora di energia vengono consumati durante 55 milioni di ore del suo funzionamento, ossia 2.3 milioni di giorni, od ancora circa 6278 anni.