Spiegazione Interstellar: La scienza dietro la Fantascienza

Interstellar è prima di tutto un ottimo film di fantascienza che, a modo suo, riscrive il genere mettendo al centro della storia gli aspetti umani e non le meraviglie di una tecnologia futura. Merito di Christopher Nolan e del fratello Jonathan che il film hanno diretto e scritto. Ma anche di attori che hanno saputo rendere il dramma della separazione dai propri cari e il peso della responsabilità di una missione per salvare l’umanità.

Ma anche dal punto di vista della sola fantascienza, Interstellar si distingue per una peculiarità: tra gli autori compare Kip Thorne, astrofisico del Caltech e scrittore di quello che è un irrinunciabile libro di testo per chiunque voglia studiare la relatività di Einstein. All’hype che normalmente accompagna l’attesa di ogni film di Nolan si è aggiunta (almeno nella comunità degli astrofisici) anche la curiosità di sapere quanto accurato scientificamente sarebbe risultato Interstellar.

Vediamolo insieme in questa minuziosa spiegazione di Interstellar:

Il viaggio spaziale

L’Endurance ruota su sé stessa per creare un campo gravitazionale che permette agli astronauti di non fluttuare nella stazione (situazione divertente per un poco ma decisamente scomoda per compiere qualunque azione). Questo è possibile perché, secondo la relatività di Einstein, un oggetto posto in rotazione su sé stesso genera un campo gravitazionale aggiuntivo che è solitamente tanto piccolo da essere del tutto trascurabile. Tuttavia diventa importante quando si è nello spazio e se la velocità di rotazione è sufficientemente alta (e 5.6 volte al minuto potrebbero, in effetti, bastare). Pollice su, quindi, per la Endurance.

Meno credibile è, invece, la durata del viaggio verso Saturno. Due anni sono decisamente troppo pochi. Nei viaggi interstellari si ricorre spesso all’effetto di fionda gravitazionale per avere una spinta ulteriore che aiuti la sonda a raggiungere la sua lontanissima meta. È questo il modo in cui la missione Rosetta, agli onori della cronaca di quegli anni, è riuscita ad arrivare sulla cometa 67P in dieci anni.

Per arrivare su Saturno, la Endurance dovrebbe aver chiesto aiuto ai pianeti incontrati nel suo viaggio, ma anche nelle migliori condizioni avrebbe dovuto impiegare 4.7 anni. In verità, la sonda New Horizons è arrivata nei pressi di Saturno in 2.4 anni, ma solo perché era di passaggio nel suo viaggio verso Plutone. Infatti, dovendosi invece fermare lì, la Endurance avrebbe dovuto rallentare perdendo, quindi, ulteriore tempo.

Da notare anche che non si vedono né sistemi di propulsione né serbatoi per il carburante che, sulle sonde attuali, rappresentano gran parte del peso della navicella. Certo, tutti questi problemi crollerebbero supponendo l’esistenza di un qualche tipo di propellente super efficiente e di motori ad altissima potenza (necessari anche a spiegare come mai i Ranger siano in grado di decollare dalla superficie dei pianeti senza bisogno di un razzo ausiliare come invece avviene quando lasciano la Terra). Ma appunto qui si entra nel regno della fantascienza.

Le formule alla lavagna

Ah, la matematica, questa sconosciuta! Se vi hanno spaventato le lavagne ricche di formule nello studio del professor Brand, non temete: spaventano anche molti astronomi! Si tratta, infatti, di formule prese di peso dal libro di Thorne citato prima. E per farvi capire la loro complessità, basta anche solo dire che ognuno è in realtà un sistema di equazioni la cui soluzione richiede spesso l’uso di software sviluppato appositamente.

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Inoltre, la matematica di cui si parla è ai confini di quanto è noto oggi. Prima Brand, poi Murph devono, infatti, riuscire a trovare il giusto insieme di equazioni per includere gli effetti della meccanica quantistica nella teoria della relatività generale di Einstein. Come il Dottor Mann svela a Cooper, il prof Brand era arrivato subito alla conclusione che il suo sistema di equazioni non ha soluzioni. Lo sa Brand, lo sa Cooper. E lo sa con frustrante disappunto anche ogni fisico teorico che ha assistito ai fin qui infruttuosi tentativi di riuscire nella titanica impresa di sviluppare una teoria coerente capace di spiegare la fisica dell’infinitamente piccolo con quella dell’infinitamente grande.

Servirebbero i dati quantici inviati da Tars? Difficile dirlo dato che non si capisce cosa questi dati siano, ma è altamente improbabile che si possano trasmettere in codice Morse.

Il wormhole

Un ruolo fondamentale in Interstellar è giocato dal wormhole, la scorciatoia che permette a Cooper di portare la Endurance da Saturno ad un’altra galassia in un battito di ciglia. Quanta scienza c’è in questa fantascientifica avventura? Più di quanto si possa immaginare, ma meno di quanto sarebbe necessaria.

Noto anche come ponte di Einstein – Rosen dal nome dei due fisici che ne scoprirono l’esistenza nel 1935, un wormhole è una soluzione delle equazioni di Einstein che permetterebbe di connettere un buco nero e un buco bianco (oggetto puramente ipotetico la cui esistenza non è stata mai verificata). Fu John Archibald Wheeler (coautore del libro di Thorne) a coniare il termine wormhole e a dimostrare che il ponte di Einstein – Rosen, qualora esistesse, collasserebbe istantaneamente su sé stesso.

Viaggio impossibile quindi? No, se un qualche tipo di materia esotica con massa negativa fosse presente nei dintorni per bilanciare il campo gravitazionale del wormhole tenendolo aperto. Che questo sia possibile dal punto di vista delle equazioni è stato dimostrato nel 1988 proprio da Thorne (con il suo studente Mike Morris). Ed è questo il tipo di wormhole (noto appunto come wormhole di Morris – Thorne) che la Endurance potrebbe attraversare.

Ma i wormhole esistono?

Partiamo dal presupposto che l’esistenza di un wormhole non è mai stata verificata. E mai potrebbe esserlo. Non se fosse vera la teoria della censura cosmica di Stephen Hawking secondo cui qualche legge ancora ignota della fisica vieterebbe i paradossi temporali e quindi i viaggi nello spaziotempo. Nasce spontaneo chiedersi: come apparirebbe un oggetto simile visto da fuori?

Proprio come una sfera sui cui bordi le immagini degli oggetti si riflettono in maniera distorta come su uno specchio sferico. Il fortissimo campo gravitazionale del wormhole, infatti, devierebbe la traiettoria dei raggi di luce. Un pò come fanno le lenti che al luna park, che allungano o schiacciano le immagini di chi vi si riflette. Avere un esperto di relatività come Thorne nel team di autori ha permesso questo. Ovvero ha dato modo ai responsabili degli effetti speciali di realizzare quella che è la più realistica rappresentazione di un wormhole che si sia mai vista sul grande schermo.

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Il buco nero

Continuando la nostra spiegazione di Interstellar, “atterriamo” nel tema dei buchi neri.

Gran parte della missione di Cooper e dei suoi compagni di viaggio si svolge intorno al gigantesco buco nero ribattezzato Gargantua. Nome quanto mai appropriato dato che, come il vorace gigante inventato da Rabelais, un buco nero inghiotte tutto ciò che ha la sventura di avvicinarsi troppo al suo enorme campo gravitazionale. Un’attrazione talmente forte che neanche la luce riesce più ad uscire. Ma che cos’è un buco nero? E cosa si vede in Interstellar?

Una stella è il teatro di una continua battaglia tra la gravità che tende a far collassare il gas incandescente e la pressione che lo fa invece espandere. L’equilibrio tra le due forze opposte determina le proprietà (grandezza e luminosità) dell’astro e cambia durante le varie fasi della vita dell’oggetto. Quando tutto il combustibile è esaurito, la stella muore e il suo destino ultimo dipende da tanti fattori che non è il caso di discutere qui. Tra i possibili destini, c’è il trionfo ultimo della gravità: il buco nero.

Un oggetto dal campo gravitazionale così potente che non solo la luce stessa non riesce a lasciarne la superficie, ma la materia che lo compone viene separata nei suoi componenti elementari. Ed è qui che la fisica dell’infinitamente piccolo va a combinarsi in qualche modo ancora ignoto con le teorie di Einstein.

Spiegazione del buco nero di Interstellar

Ma, se è per definizione oscuro, come è possibile vedere un buco nero? In effetti, quello che gli astronomi rivelano non è il buco nero vero e proprio, ma la radiazione emessa dalla materia che sta rapidamente precipitando verso di esso. In questo moto a spirale, il gas emette raggi X e gamma che possono essere “visti” dai telescopi terrestri. Il disco luminoso distorto che si vede in Interstellar è proprio il cosiddetto “disco di accrescimento” ossia il pasto del buco nero. Se fosse mai possibile arrivare tanto vicini al buco nero, vedremmo ciò che l’equipaggio della Endurance vede in Interstellar.

E questo perché i creatori degli effetti speciali sono partiti da simulazioni scientifiche. Quest’ultime basate sulle equazioni di un buco nero rotante sviluppate da Thorne. Simulazioni tanto avanzate che i risultati saranno descritti in un articolo pubblicato su una rivista scientifica rappresentando un avanzamento significativo non solo per un film di fantascienza, ma per la stessa scienza.

Peccato che intorno ad un buco nero Cooper e compagni non sarebbero potuti passare. Non solo la gravità sarebbe stata tanto forte da distruggere la navicella in poco tempo, c’è di più. Sarebbe tanto forte da rendere difficile l’esistenza stessa di un pianeta. Ma la radiazione gamma emessa dal disco è così intensa da “friggere” la Endurance in pochi istanti (e non ci sono scudi termici che tengano).

La dilatazione dei tempi

Cooper si danna l’anima quando scopre di aver perso quasi ventiquattro anni sul pianeta delle onde giganti. Colpa della dilatazione dei tempi prevista dalla relatività di Einstein o di un volo pindarico della mente di Nolan? Più della seconda a dire il vero.

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Secondo la relatività (altro punto indispensabile in questa spiegazione scientifica di Interstellar), un campo gravitazionale causa un rallentamento dello scorrere del tempo. Non è esattamente così, ma diciamolo per semplificare la discussione. Diciamo che è un rallentamento per cui un’ora su un corpo con gravità maggiore di quella terrestre durerebbe molto di più se si fosse invece sulla Terra. Il concetto, quindi, è corretto, ma i conti non tornano. Il pianeta acquoso ha una gravità che è il 130% di quella terrestre, ma questo causerebbe una dilatazione temporale di pochi millesimi di secondo. Ad onor del vero, i conti potrebbero essere molto più complessi data la vicinanza col buco nero ed il suo fortissimo campo gravitazionale. Pare, tuttavia, alquanto improbabile che l’effetto di Gargantua (che è comunque distante dal pianeta quanto basta a garantirne la sopravvivenza) sia tale da trasformare un’ora in sette anni.

La dilatazione dei tempi avviene anche intorno al buco nero, ma è presente in maniera graduale e uniforme. Per questo il piano di Cooper per evitare la “zona di ritardo temporale” non è realizzabile in alcun modo non essendoci appunto un confine da evitare.

Per tutte le altre curiosità sul mondo dello spazio, visitate il sito ufficiale dell’Istituto Nazionale di Astrofisica.