Appunti e riflessioni sull’articolo di L.H. Ford e T.A. Roman su "Le scienze"

1.  L’energia negativa

Esiste l’energia negativa? Esiste il meno di nulla? Se da uno spazio si toglie tutta la materia e poi si eliminano le radiazioni, dovrebbe rimanerci il vuoto, ma, secondo la fisica quantistica, una regione di spazio può contenere meno di nulla, e la sua densità di energia può essere meno di zero.

Il concetto di energia negativa deriva dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che richiede che la densità di energia di un campo (magnetico, elettrico o qualsiasi) fluttui casualmente, anche quando è nullo il valor medio della sua densità di energia (come avviene nel vuoto). Il vuoto quantistico non è il vuoto nel senso classico del termine, ma esso è un turbinoso mare di particelle virtuali che compaiono e scompaiono spontaneamente. A questo vuoto, con tutte queste fluttuazioni, corrisponde l’energia nulla. Se si riuscisse a smorzare le ondulazioni, il vuoto avrebbe meno energia del solito, cioè meno di zero!

Si sono prodotti stati di campo speciali, "spremuti" (squeezed) associati a zone di energia alternativamente positiva e negativa. Poiché l’energia totale di uno spazio è positiva, spremendo il vuoto si crea energia negativa in un sito, ma per compenso sarà presente un eccesso di energia positiva in un altro posto.

L’energia negativa non ha nulla a che fare con l’antimateria, che, invece, possiede energia positiva. Infatti se un elettrone e la sua antiparticella, il positrone, collidono, i raggi gamma che vengono prodotti possiedono energia positiva. Se le antiparticelle avessero energia negativa, l’energia finale dovrebbe essere nulla!

1. L’energia negativa  2. I buchi neri    3. I wormhole  4. Il motore superluminale  5. La macchina del tempo  6. Il moto perpetuo

2. I buchi neri  

L’energia negativa è strettamente legata ai buchi neri.

I buchi neri, misteriosi oggetti galattici, hanno un campo gravitazionale così intenso da non lasciar sfuggire nulla che si trovi dentro al loro confine, detto orizzonte degli eventi.

Secondo Hawking, i buchi neri evaporano emettendo radiazione, più sono piccoli, più evaporano, e, in accordo con le leggi della termodinamica, raggiungono l’equilibrio termico con l’ambiente circostante. Ma come può un buco nero emettere energia? Per il principio di conservazione dell’energia, alla produzione di energia positiva (radiazione di Hawking) si deve necessariamente accompagnare un flusso di energia negativa verso l’interno del buco nero. Questa energia viene prodotta dall’enorme curvatura dello spazio-tempo in prossimità del buco nero, che turba le fluttuazioni del vuoto.

Secondo la relatività generale, un buco nero nasce quando una stella ha esaurito il suo combustibile e collassa: si forma una singolarità, cioè una regione in cui il campo gravitazionale raggiunge un valore infinito, producendo fenomeni che nessuna legge fisica può descrivere. Ma la singolarità è nascosta entro l’orizzonte degli eventi, mentre fuori i fenomeni non ne sono influenzati e accadono normalmente. Per questo Penrose ha proposto l’ipotesi della "censura cosmica", secondo la quale non esistono singolarità nude, cioè non schermate dall’orizzonte degli eventi. Ci sono però dei buchi neri speciali carichi o rotanti, detti buchi neri estremi, per i quali un piccolo incremento della carica o dello spin, o una diminuzione della massa, potrebbe distruggere l’orizzonte e convertire il buco nero in una singolarità nuda. Mentre falliscono i tentativi di caricare o di dotare di spin i buchi neri, usando la materia ordinaria, si potrebbe invece produrre una riduzione della massa di un buco nero dirigendo su esso un fascio di energia negativa e sovvertendo così la censura cosmica. Basterebbe poca energia negativa, realizzabile con uno specchio mobile, per distruggere un buco nero!

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3. I wormhole 

Secondo Einstein la presenza di materia ed energia, curva la struttura geometrica dello spazio-tempo; la gravità è la distorsione spazio-temporale che producono la massa e l’energia positiva. Se invece fosse la materia esotica (con valori negativi di energia o massa) a curvare lo spazio-tempo, potrebbero verificarsi wormhole, cioè varchi spazio-temporali, ossia scorciatoie che collegano luoghi remoti dell’Universo. Se questi cunicoli fossero abbastanza grandi per una persona o per un’astronave, sarebbe possibile, entrando in una di queste porte nello spazio-tempo sulla Terra, percorrere una breve distanza e trovarsi ad esempio su Andromeda! Questi varchi richiedono energia negativa, che producendo repulsione gravitazionale impedisce al varco stesso di collassare. I raggi luminosi che entrano nell’imboccatura del varco sono convergenti, essi attraversano il collo, si sfocano, poi escono dalla parte opposta divergendo. Quindi, la materia ordinaria produce un campo gravitazionale attrattivo, che, come una lente, converge i raggi luminosi all’ interno di un cunicolo. Nel collo di un varco, invece, ci sarà energia negativa, il cui campo gravitazionale, come una lente divergente, permetterà ai fasci di luce di uscire dall’altra parte del cunicolo. In corrispondenza del collo ci sarà una sfocatura.

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Il varco spazio-temporale

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4. Il motore superluminale 

Secondo Einstein non è possibile superare la velocità di un segnale luminoso percorrendo il suo stesso cammino. Ma se lo spazio è curvato, si potrebbe anticipare il segnale luminoso, seguendo una scorciatoia creata dalla contrazione dello spazio-tempo davanti alla bolla, e dalla sua espansione dietro di essa. Sui lati della bolla deve essere presente energia negativa. Lo spazio-tempo si contrae di fronte alla bolla, riducendo la distanza del punto di arrivo, e si espande dietro di essa, aumentando la distanza dal punto di partenza Una bolla spazio-temporale potrebbe, come un motore superluminale, trasportare un’astronave a velocità arbitrariamente alta rispetto ad un osservatore esterno. Il problema è che la bolla non può essere guidata dal suo interno, essa dovrebbe essere programmata in anticipo dall’esterno. Krasnikov, per ovviare a questo problema, propone un tunnel superluminale ossia una specie di tubo di spazio-tempo modificato che connetta la Terra con una stella lontana. Anche questo tunnel, come la bolla di curvatura e come ogni altro metodo che consenta di superare la velocità della luce, implica energia negativa.

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Il motore di curvatura

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5. La macchina del tempo 

Il tempo è un tema ricorrente in molte opere filosofiche e letterarie. S.Agostino nelle sue memorie scriveva: "Cos’è il tempo? Quando nessuno me lo chiede, so cos’è; se voglio spiegarlo a chi me lo chiede, non lo so più". Thomas Mann, 1500 anni dopo, nel suo romanzo "La montagna incantata si chiedeva: "Cos’è il tempo? Un mistero vano e onnipotente. Una condizione del mondo fenomenologico, un movimento, strettamente connesso all’esistenza dei corpi nello spazio e ai loro moti. Se non ci fosse movimento, allora il tempo non esisterebbe? E se non vi fosse il tempo, non esisterebbe il moto?".

Il trascorrere del tempo è relativo, esso dipende dalla velocità dell’osservatore. Se un viaggiatore riuscisse a superare la velocità della luce, magari infilando la scorciatoia di un varco spazio-temporale, o mediante un motore di curvatura, potrebbe fare un viaggio nel passato e tornare prima di essere partito. Potrebbe anche verificarsi il paradosso di uccidere il proprio nonno prima che egli abbia concepito il proprio padre! Nel 1992 Hawking dimostrò che la costruzione di una macchina del tempo in una regione finita di spazio-tempo, richiede necessariamente energia negativa.

6. Il moto  perpetuo 

Nella realtà è impossibile che un vetro rotto si aggiusti da solo! Il disordine, o entropia, di un sistema non può diminuire senza un dispendio di energia. Il calore passa spontaneamente da un corpo caldo ad un corpo freddo e non viceversa! Inoltre, secondo le leggi della termodinamica, non è possibile convertire completamente il calore in lavoro. L’energia negativa entra in conflitto con i principi della termodinamica. Se avessimo un laser esotico, che crei un fascio di energia negativa costante, si avrebbe per il principio di conservazione dell’energia, un flusso di energia positiva. Puntando il raggio verso un bicchiere d’acqua , lo raffredderebbe, fornendo allo stesso tempo energia positiva sufficiente ad alimentare un piccolo motore: avremmo così un frigorifero che non richiederebbe energia esterna, una macchina a moto perpetuo, contrariamente ai principi della termodinamica.

I limiti

Le "disuguaglianze quantistiche" impongono che un forte impulso di energia negativa deve essere breve, un impulso piccolo può durare più a lungo. Inoltre un impulso iniziale negativo deve essere seguito da un impulso più grande di energia positiva, tanto più è lungo l’intervallo di tempo tra i due impulsi, tanto più grande deve essere quello positivo, per effetto di un interesse quantistico.

L’energia negativa può essere considerata come un prestito di energia: proprio come un debito è una quantità negativa di denaro che deve essere pagata, l’energia negativa è un debito di energia. Secondo le disuguaglianze, i varchi spazio-temporali e i motori di curvatura, o devono essere strutture submicroscopiche, o se sono macroscopiche, allora l’energia negativa deve stare in bande incredibilmente sottili. I progettisti di varchi spazio-temporali si troverebbero di fronte al grave problema di confinare grandi quantità di energia negativa in volumi estremamente ridotti. I motori di curvatura sono ancora più limitati: una bolla abbastanza grande per contenere un’astronave di 200 m richiederebbe una quantità di energia negativa pari a 10 miliardi di volte la massa dell’Universo osservabile. Stessi problemi anche per il corridoio superluminale.

Un oggetto caldo raffreddato da un impulso di energia negativa verrebbe subito riscaldato dall’impulso di energia positiva successivo. Usando un debole impulso di energia negativa, più distanziato nel tempo dalla sua controparte positiva, avremmo effetti simili a normali fluttuazioni. E’ difficilissimo separare l’energia positiva da quella negativa. Nel caso della violazione della censura cosmica, succederebbe che un impulso di energia negativa potrebbe distruggere l’orizzonte degli eventi, esponendo la singolarità che sta all’interno, ma l’impulso sarebbe seguito da un impulso di energia positiva che riconvertirebbe la singolarità nuda in un buco nero, con l’effetto di un lampeggiamento cosmico. Se poi si tentasse di rendere massima la separazione temporale tra i due impulsi, il valore dell’energia negativa sarebbe molto piccolo, come imposto dalle disuguaglianze quantistiche, pertanto non si potrebbe vedere l’immagine della singolarità nuda se non molto confusamente. Ultimamente si è scoperto che le disuguaglianze quantistiche sono ancora più restrittive. L’impulso positivo che segue quello negativo iniziale, deve non solo compensarlo, ma sovracompensarlo. Più aumenta l’intervallo di tempo tra i due impulsi, più aumenta l’energia positiva. L’energia positiva deve sempre dominare, per l’effetto degli interessi quantistici. E’ come se l’energia negativa fosse un debito energetico da pagare con gli interessi: più passa il tempo, più interessi si pagano.

Questa insolita forma di energia pone oggi interrogativi inquietanti, ma potrebbe portare a nuovi sorprendenti sviluppi.

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