La scienza di Dark


In una piovosa cittadina tedesca, al limitare di un bosco, scompaiono misteriosamente dei bambini.
Nel frattempo un uomo si uccide e un altro arriva in città... e la locale centrale nucleare rischia di dover chiudere.
Questo l'incipit di una delle serie tv di maggior successo degli ultimi anni, dove alberi genealogici, misteri da svelare, viaggi nel tempo e litri di pioggia si intrecciano alle storie personali di un gruppo di personaggi dei più svariati.
Ma questo non è un sito cinematografico e quindi non vi parlerò della qualità della serie, né della sua trama, né delle sue svolte di trama.
Questo è un sito scientifico e, proprio come dice il titolo, si parlerà di scienza, in particolare della scienza che più o meno in modo accurato gli autori hanno inserito nella loro creatura come filo conduttore della trama e vero e proprio motore della storia.


I viaggi nel tempo e la Teoria della Relatività

L’eterna corrente trascina sempre con sé tutte le epoche attraverso entrambi i regni e in entrambi le sovrasta. 
[Elegie duinesi - R.M. Dilke]

Penso che chiunque abbia anche solo sentito nominare la serie, pur senza averla vista, sa che Dark parla di viaggi nel tempo.
In realtà parla di molto altro, ma è innegabile che i viaggi nel tempo siano uno dei punti fondamentali della storia e a questi viene dato ampio spazio sia narrativamente che scientificamente.
Un concetto citato più volte è quello di Wormhole e si parla spesso di Teoria della Relatività.
Ma di cosa si sta parlando?

La Relatività Ristretta e, successivamente, la Relatività Generale, sono due teorie fisiche formulate da Albert Einstein nel 1905 e nel 1915.
Furono teorie rivoluzionarie per la fisica di quell'epoca perché fino a quel momento ci si era basati sulle leggi di Newton e sulla cosiddetta Relatività Galileiana, per cui le leggi matematiche che governano i fenomeni naturali sono le stesse in qualunque sistema di riferimento.
Era un periodo però di grande fermento scientifico, quello di inizio novecento, e già si era trovato che i fenomeni elettromagnetici uscivano da questo tipo di visione del mondo, ma non c'era in effetti una vera e propria teoria matematica a supportare queste evidenze.
Einstein riuscì con le sue teorie non solo a dare a questi dati un fondamento matematico, ma a rivoluzionare completamente la fisica (ma non solo!), smentendo contemporaneamente la teoria dell'Etere (una sorta di fluido invisibile che si credeva pervadesse tutto e in cui si muovevano le onde elettromagnetiche) e inoltre a introdurre il concetto di spazio-tempo.

rappresentazione semplificata
della deformazione dello
spazio-tempo
Cosa succede se lasciamo cadere una pietra? Certo, questa cade per effetto della forza di gravità terrestre. Ma cos'è davvero la gravità?
Dobbiamo considerare che la Terra non agisce direttamente sulla pietra, ma in un certo senso possiamo dire che la Terra agisce sullo spazio-tempo in cui è immersa, creando come effetto, quindi, ciò che noi chiamiamo gravità.
Immaginiamo lo spazio-tempo come un enorme telo teso, e su questo telo poniamo un peso, come ad esempio la Terra.
Questa deforma il telo creando un avvallamento.
Se ora noi mettiamo sul telo una pallina più piccola e leggera, vedremo che essa tende a finire dentro questo avvallamento creato dalla Terra pesante.
Un'altra cosa che noteremo è che man mano che la pallina si avvicina al centro dell'avvallamento (la cosiddetta singolarità), inizierà ad andare più veloce.
Ecco perché parliamo di spazio-tempo, perché non solo abbiamo una deformazione dello spazio, ma anche del tempo che non è più una costante immutabile, ma è diverso a seconda di dove ci si trova.
Se immaginiamo che la nostra pallina sia un'astronave al cui interno c'è un uomo, avremo che quest'uomo invecchia più velocemente di, diciamo, il suo fratello gemello rimasto sulla Terra.
Sono differenze piccolissime che però posso acquistare una certa rilevanza a grandissime distanze e che hanno una certa rilevanza anche nella nostra vita di tutti i giorni, perché l'aggiustamento di queste minuscole variazioni di tempo permette ai nostri dispositivi GPS di funzionare correttamente.
Naturalmente questa spiegazione è molto semplificata, certamente la Terra non è poggiata sullo spazio tempo, ma vi è immersa, e c'è parecchia matematica a supportare il tutto, fino ad arrivare alla famosissima equazione dell'Energia e della Massa E=mc^2.

Risolvendo una di queste equazioni, un assistente di Einstein, Nathan Rosen, teorizzò la possibilità di attraversare lo spazio-tempo tramite delle scorciatoie, chiamate Ponti di Einstein Rose, ma che comunemente sono conosciuti col nome Wormhole.
rappresentazione di uno wormhole
Rosen immagina di riuscire a piegare lo spazio-tempo talmente tanto da poterne avvicinare i due lembi. Per fare questo è necessaria una massa di dimensioni incredibili, come ad esempio quella di un Buco Nero (che cattura la materia senza lasciare sfuggire neanche la luce) e un Buco Bianco (che emette materia, ma non permette a nulla di entrare), uno da una parte e uno dall'altra del Wormhole.
Essendo però lo spazio e il tempo la stessa cosa, è possibile teoricamente spostarsi da un punto all'altro non solo dello spazio ma anche del tempo. Questo richiederebbe una quantità di energia enorme, impossibile a livello pratico, ma teoricamente parlando non ci sono particolari impedimenti ai Wormhole. Se la distanza esterna fra le "bocche" del Wormhole è abbastanza corta e la distanza interna all'interno del Wormhole è sufficientemente lunga, allora l'uscita si troverà in un punto del tempo precedente all'entrata.

Dal Gatto di Schrodinger agli Universi Paralleli

 Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica 
[Richard Feynman]

A un certo punto la serie si complica ed entra in ballo la Meccanica Quantistica.
Più o meno quello che è successo nella storia della fisica, si potrebbe dire.

Niels Bohr
Durante i primi anni del '900 c'era davvero gran fermento e oltre ad Einstein molti altri fisici elaboravano teorie rivoluzionarie che spesso erano in contrasto fra loro e i cui principi risultavano non sempre chiari ( d'altronde per molti versi è ancora così quando si parla di Meccanica Quantistica).
Uno di questi fisici era Niels Bohr, il principale esponente di quella che va sotto il nome di Interpretazione di Copenaghen: secondo questa interpretazione una particella, finché non viene sottoposta a misura, non possiede una posizione definita.
Possiamo pensare di conoscere con una certa ragionevole precisione la probabilità che quella particella si trovi in un posto o in un altro, ma finché non la misureremo, quella sarà contemporaneamente (o per meglio dire, potenzialmente) ovunque.
Questo vuol dire che dobbiamo abbandonare qualsiasi pretesa di una conoscenza approfondita della realtà che ci circonda.
Einsteinperò, pur essendone uno dei fondatori, si sente un po' a disagio con la Meccanica Quantistica, e in particolare con i Salti Quantici presenti in questo tipo di interpretazione; credeva infatti che non fosse possibile per un evento essere influenzato da qualcosa da cui risulta separato da intervalli spaziali. Non è possibile che la funzione d'onda che descrive la particella venga influenzata istantaneamente in tutto lo spazio da un'osservatore che invece si trova in un punto.
Inoltre, Einstein, trovava inaccettabile l'uso della probabilità (Dio non gioca a dadi).
Einstein non perse mai l'occasione di manifestare pubblicamente la sua insoddisfazione nei confronti della teoria, e le sue discussioni con Bohr rappresentano uno degli eventi leggendari nelle cronache della Fisica moderna.
Un altro a non essere particolarmente soddisfatto dall'Interpretazione di Copenaghen era Schrodinger, che non concordava con la suddivisione in sistemi quantistici e classici, nonché dal ruolo dell'osservatore, anch'esso fatto di atomi e quindi, secondo lui, parte del sistema.
Da qui il povero e famoso gatto: in una scatola si pone un gatto, una sostanza radioattiva e un contatore Geiger; le probabilità che la sostanza radioattiva decada entro un'ora sono il 50% e se questo accade viene azionato un meccanismo che libera una sostanza velenosa in grado di uccidere il gatto. 
Finché non apriamo la scatola e non osserviamo l'interno, il gatto è contemporaneamente vivo e morto... assurdo, secondo Schrodinger.

il gatto di Schrodinger
                                      

A questo punto si inserisce un'altra interpretazione, proposta per la prima volta dal dottorando Hugh Everett, che viene chiamata dei Molti Mondi.
Everett elimina il problema del collasso della funzione d'onda ad opera di un osservatore esterno dicendo che tutti gli esiti potenziali sono realizzati, ma non tutti nello stesso universo fisico. 
Si verrebbe a creare, quindi, un multiverso di universi paralleli, che però non possono venire in contatto fra loro.
Questo è considerato un bel problema, dato che rende impossibile verificare l'idea di Everett. Inoltre Richard Feynman (un fisico statunitense, premio Nobel nel 1965) ad esempio era preoccupato dal fatto che ogni universo contenesse una copia di noi stessi.
i molti gatti
Secondo lui ognuno di noi sa in quale modo il mondo si è diviso per cui ci è possibile seguire la traccia del nostro passato. Quando facciamo un'osservazione di questa traccia, il risultato è "reale" nello stesso modo in cui lo sarebbe se l'osservazione fosse seguita da un osservatore "esterno"? Inoltre, sebbene
possiamo considerare noi stessi osservatori esterni quando guardiamo al resto del mondo, il resto del mondo include osservatori che osservano noi. Saremo sempre in accordo su ciò che vediamo? Secondo Feynman non vale nemmeno la pena di discuterne.
Tuttavia questa interpretazione ha riscosso anche molto successo, non solo fra i fisici (come ad esempio Stephen Hawking) ma soprattutto nella fantascienza che se ne è servita abbondantemente grazie proprio alla fascinazione scientifica e filosofica che si porta dietro.
Secondo David Deutsch, un fisico britannico, inoltre, ci sarebbe persino un modo per dimostrare questa teoria tramite un computer che creerebbe un fenomeno di interferenza quantistica, per cui i mondo che sono stati separati a un certo punto si ricombinerebbero... vi ricorda qualcosa? 

La Teoria del tutto

Una cosa che la serie Dark è riuscita a fare, a prescindere dalla riuscita effettiva finale, è stata prendere la Teoria della Relatività e la Meccanica Quantistica e unirle insieme in modo che convivessero e si intersecassero in un'unica trama coerente.
Una cosa che è un po' il sogno della maggior parte dei fisici.
Per ora le due teorie cardine della fisica moderna funzionano piuttosto bene nel descrivere il mondo che ci circonda nella rispettiva area di studio (l'infinitamente grande e l'infinitamente piccolo), eppure falliscono se applicate l'una all'altra.
Nemmeno a dirlo, fu Einstein il primo a cercare una teoria unificante, ma non ci riuscì e da allora ancora nessuno ce l'ha fatta, alcuni persino ritengono una tale impresa impossibile, altri ancora hanno abbandonato l'idea di una teoria unica, come Stephen Hawking il quale, dopo averla cercata per anni, decise che in fondo era meglio così:
 “Sono lieto che la nostra ricerca della comprensione non finirà mai e che avremo sempre la sfida di una nuova scoperta. Senza di essa, ristagneremmo“



 Bibliografia

  • "L'ordine del tempo", Carlo Rovelli - Adelphi
  • "Relatività: esposizione divulgativa" , Albert Einstein - Universale Bollati Boringhieri
  • "Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: a tool for teaching general relativity" , Michael S. Morris and Kip S. Thorne
  • "L'incredibile cena dei fisici quantistici" , Gabriella Greison - Salani Editore
  • "La Realtà Quantistica" , Danilo Babusci, Matteo Mascolo - INFN-Laboratori Nazionali di Frascati Via E. Fermi 40, Frascati, Italy
  • "On the Role of Entanglement in Schrodinger’s Cat Paradox" , Stefan Rinner · Ernst Werner
  • "Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer" , David Deutsch

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