Una nuova interpretazione dei ponti di Einstein-Rosen

Nel 1935, mentre studiavano il comportamento delle particelle in regioni di gravità estrema, Einstein e Rosen introdussero quello che chiamarono un “ponte” : un collegamento matematico tra due copie perfettamente simmetriche dello spaziotempo. Non era concepito come un passaggio per viaggiare, ma come un modo per mantenere la coerenza tra la gravità e la fisica quantistica. Solo in seguito i ponti di Einstein-Rosen vennero associati ai wormhole, nonostante avessero poco a che fare con l’idea originale.

Ma in una nuova ricerca , io e i miei colleghi dimostriamo che il ponte Einstein-Rosen originale indica qualcosa di ben più strano – e fondamentale – di un cunicolo spaziotemporale.

L’enigma che Einstein e Rosen stavano cercando di risolvere non riguardava i viaggi spaziali, bensì il comportamento dei campi quantistici nello spaziotempo curvo. Interpretato in questo modo, il ponte Einstein-Rosen funge da specchio nello spaziotempo: una connessione tra due frecce microscopiche del tempo.

La meccanica quantistica governa la natura alle scale più piccole, come le particelle, mentre la teoria della relatività generale di Einstein si applica alla gravità e allo spaziotempo. Conciliare le due rimane una delle sfide più profonde della fisica. E, cosa entusiasmante, la nostra reinterpretazione potrebbe offrire una via per riuscirci.

Un’eredità fraintesa

L’interpretazione del “wormhole” emerse decenni dopo il lavoro di Einstein e Rosen, quando i fisici ipotizzarono la possibilità di passare da un lato all’altro dello spaziotempo, in particolare nella ricerca della fine degli anni ’80 .

Ma quelle stesse analisi hanno anche chiarito quanto fosse speculativa l’idea: nella relatività generale, un simile viaggio è proibito. Il ponte si restringe più velocemente di quanto la luce possa percorrerlo, rendendolo invalicabile. I ponti di Einstein-Rosen sono quindi instabili e non osservabili: strutture matematiche, non portali.

Ciononostante, la metafora del cunicolo spazio-temporale prosperò nella cultura popolare e nella fisica teorica speculativa. L’idea che i buchi neri potessero connettere regioni distanti del cosmo, o addirittura fungere da macchine del tempo, ispirò innumerevoli articoli, libri e film.

Tuttavia, non esiste alcuna prova osservativa dell’esistenza di wormhole macroscopici, né alcuna ragione teorica convincente per aspettarseli all’interno della teoria di Einstein. Sebbene siano state proposte estensioni speculative della fisica, come forme esotiche di materia o modifiche della relatività generale , per supportare tali strutture, esse rimangono non verificate e altamente congetturali.

Due frecce del tempo

Il nostro recente lavoro riprende in esame il problema del ponte di Einstein-Rosen utilizzando un’interpretazione quantistica moderna del tempo, basandosi sulle idee sviluppate da Sravan Kumar e João Marto.

La maggior parte delle leggi fondamentali della fisica non distingue tra passato e futuro, o tra destra e sinistra. Se il tempo o lo spazio vengono invertiti nelle loro equazioni, le leggi rimangono valide. Prendere sul serio queste simmetrie porta a un’interpretazione diversa del ponte di Einstein-Rosen.

Piuttosto che un tunnel attraverso lo spazio, può essere inteso come due componenti complementari di uno stato quantistico. In una, il tempo scorre in avanti; nell’altra, scorre all’indietro dalla sua posizione riflessa nello specchio.

Questa simmetria non è una preferenza filosofica. Una volta escluse le infinità, l’evoluzione quantistica deve rimanere completa e reversibile a livello microscopico, anche in presenza di gravità.

Il “ponte” esprime il fatto che entrambe le componenti temporali sono necessarie per descrivere un sistema fisico completo. In situazioni ordinarie, i fisici ignorano la componente temporale invertita scegliendo una singola freccia del tempo.

Ma in prossimità dei buchi neri, o in universi in espansione e contrazione, entrambe le direzioni devono essere incluse per una descrizione quantistica coerente. È qui che emergono naturalmente i ponti di Einstein-Rosen.

Risolvere il paradosso dell’informazione

A livello microscopico, il ponte permette all’informazione di attraversare quello che a noi appare come un orizzonte degli eventi, un punto di non ritorno. L’informazione non scompare; continua ad evolversi, ma lungo la direzione temporale opposta, speculare.

Questo modello offre una soluzione naturale al famoso paradosso dell’informazione dei buchi neri. Nel 1974, Stephen Hawking dimostrò che i buchi neri irradiano calore e possono infine evaporare, cancellando apparentemente tutte le informazioni su ciò che vi è caduto dentro, contraddicendo il principio quantistico secondo cui l’evoluzione deve preservare l’informazione.

Il paradosso sorge solo se insistiamo nel descrivere gli orizzonti temporali utilizzando una singola freccia unilaterale del tempo estrapolata all’infinito, un’ipotesi che la meccanica quantistica stessa non richiede.

Se la descrizione quantistica completa include entrambe le direzioni temporali, non si perde nulla. L’informazione abbandona la nostra direzione temporale e riemerge lungo quella inversa. Completezza e causalità vengono preservate, senza dover ricorrere a nuove e complesse leggi fisiche.

Questi concetti sono difficili da afferrare perché siamo esseri macroscopici che percepiscono il tempo in una sola direzione. Su scala quotidiana, il disordine – o entropia – tende ad aumentare. Uno stato altamente ordinato evolve naturalmente in uno disordinato, mai viceversa. Questo ci fornisce una freccia del tempo.

Ma la meccanica quantistica ammette comportamenti più sottili. È interessante notare che le prove di questa struttura nascosta potrebbero già esistere. La radiazione cosmica di fondo a microonde – il bagliore residuo del Big Bang – mostra una piccola ma persistente asimmetria : una preferenza per un orientamento spaziale rispetto alla sua immagine speculare.

Questa anomalia ha sconcertato i cosmologi per due decenni. I modelli standard le attribuiscono una probabilità estremamente bassa, a meno che non vengano incluse componenti quantistiche speculari.

Echi di un universo precedente?

Questa immagine si collega naturalmente a una possibilità più profonda. Quello che chiamiamo “Big Bang” potrebbe non essere stato l’inizio assoluto, ma un rimbalzo, una transizione quantistica tra due fasi invertite nel tempo dell’evoluzione cosmica.

In uno scenario del genere, i buchi neri potrebbero fungere da ponti non solo tra le direzioni temporali, ma anche tra diverse epoche cosmologiche. Il nostro universo potrebbe essere l’interno di un buco nero formatosi in un altro cosmo progenitore. Questo potrebbe essersi formato a seguito del collasso di una regione chiusa dello spaziotempo, del suo rimbalzo e della successiva espansione che ha dato origine all’universo che osserviamo oggi.

Se questa immagine è corretta, offre anche un modo per basare le osservazioni su questo dato. Reliquie della fase pre-rimbalzo, come i buchi neri più piccoli, potrebbero sopravvivere alla transizione e riapparire nel nostro universo in espansione. Parte della materia invisibile che attribuiamo alla materia oscura potrebbe, di fatto, essere composta da tali reliquie.

Secondo questa prospettiva, il Big Bang si è evoluto a partire dalle condizioni di una precedente contrazione. I cunicoli spazio-temporali non sono necessari: il ponte è temporale, non spaziale, e il Big Bang diventa un varco, non un inizio.

Questa reinterpretazione dei ponti di Einstein-Rosen non offre scorciatoie tra le galassie, viaggi nel tempo, cunicoli spazio-temporali o iperspazio fantascientifici. Ciò che offre è molto più profondo. Offre un’immagine quantistica coerente della gravità in cui lo spaziotempo incarna un equilibrio tra direzioni opposte del tempo e in cui il nostro universo potrebbe aver avuto una storia prima del Big Bang.

Non rovescia la teoria della relatività di Einstein né la fisica quantistica, bensì le completa. La prossima rivoluzione in fisica potrebbe non portarci a velocità superiori a quella della luce, ma potrebbe rivelare che il tempo, nelle profondità del mondo microscopico e in un universo in continuo movimento, scorre in entrambe le direzioni.