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Nel 1915 Einstein pubblicò la sua teoria generale della relatività, rivoluzionando la comprensione dei concetti di spazio, tempo, gravità, materia ed energia. Negli anni Cinquanta, la teoria di Einstein ebbe un enorme successo, ma molte delle sue previsioni erano ancora considerate improbabili e non verificabili.

Le sue equazioni mostravano, per esempio, che era teoricamente possibile che il collasso gravitazionale forzasse abbastanza materia in una regione sufficientemente piccola da diventare infinitamente densa, formando una singolarità da cui nemmeno la luce poteva sfuggire. Questi divennero noti poi come buchi neri.

Ma abbiamo un problema: all’interno di una tale singolarità, le leggi della fisica conosciute – inclusa la teoria della relatività di Einstein che la predice – non sono più applicabili. Siamo in presenza di una contraddizione strana, ma particolarmente intricata, nota come il problema della singolarità.

Le singolarità sono affascinanti per i fisici proprio per questo motivo. La maggior parte di essi, tuttavia, per molto tempo concordò sul fatto che il nostro universo sia troppo ordinato per contenere effettivamente tali straneregioni.

La scoperta dei quasar

Alla fine degli anni Cinquanta le osservazioni del campo emergente della radioastronomia gettarono in subbuglio queste idee. I radioastronomi trovarono in fatti nuovi oggetti cosmici che sembravano essere molto luminosi, molto distanti e molto piccoli.

Conosciuti inizialmente come oggetti quasi stellari – in seguito abbreviati in quasar – questi oggetti sembravano esibire troppa energia in uno spazio troppo piccolo. Anche se sembrava impossibile, ogni nuova osservazione indicava l’idea che i quasar fossero antiche galassie in procinto di collassare in singolarità

Gli scienziati sono stati costretti a chiedersi se le singolarità non fossero così improbabili come tutti pensavano. E in effetti la previsione della relatività era qualcosa di più di un semplice volo matematico di fantasia.

Cosa si intende per singolarità?

Per capire cos’è una singolarità, bisogna analizzare il destino di una stella con massa elevata. La sua evoluzione è regolata dal susseguirsi delle reazioni nucleari che avvengono al suo interno, a partire da quella iniziale con la quale l’idrogeno viene bruciato e trasformato in elio, e terminando con il bruciamento degli elementi più pesanti.

Tali reazioni nucleari, oltre a far brillare le stelle, garantiscono la loro esistenza stabile, perché la pressione esercitata dall’interno verso l’esterno equilibra la tendenza degli strati esterni dell’astro a cadere sotto l’azione della gravità.

Quando il combustibile nucleare interno è terminato, ossia quando anche gli elementi chimici più pesanti sono stati bruciati, la situazione cambia drasticamente: il peso della struttura esterna della stella non può più essere sostenuto e tutto collassa verso il centro.

Se la stella ha massa sufficiente (non è il caso del Sole, all’interno del quale non avvengono tutte le reazioni nucleari e che collassa semplicemente verso una dimensione minore, stabile), il collasso è catastrofico e porta alla formazione di un buco nero, ossia di un oggetto con una gravità così elevata (infinita) che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.

Il centro del buco nero è una singolarità: un punto in cui è compressa tutta la materia della stella. Il termine singolarità rende conto del fatto che in essa le leggi della fisica, così come le conosciamo, perdono di significato, e non possono pertanto essere applicate per una descrizione.

Ma non è tutto.

Singolarità vestite e nude

La regione di spazio che circonda la singolarità è limitata da un confine, detto orizzonte degli eventi, che individua la zona oltrepassata la quale non è più possibile tornare indietro. Qualsiasi cosa attraversa l’orizzonte degli eventi non può più uscirne. Anche la luce subisce questo destino, per cui l’orizzonte degli eventi impedisce l’osservazione di una singolarità.

Una singolarità di questo tipo è detta vestita, in quanto circondata da un orizzonte degli eventi che la nasconde. Una singolarità vestita è pertanto non conoscibile per definizione.

Tuttavia, studi teorici basati sulla costruzione di modelli successivamente verificati al computer, sembrano evidenziare la possibilità che possano verificarsi collassi stellari senza la formazione di un orizzonte degli eventi. Si parla in questo caso di singolarità nude, perché osservabili.

Se esistessero le singolarità nude, ci si potrebbe avvicinare a esse e poi si potrebbe tornare indietro. Si avrebbe quindi la possibilità di conoscere cosa avviene esattamente in una singolarità. Sarebbe quindi invalidata l’idea che è la Natura stessa a impedirci di osservare una singolarità, ipotesi nota come censura cosmica, introdotta da Roger Penrose nel 1969 mai provata e ancora dibattuta.

Nella sua versione forte, l’ipotesi afferma che la relatività generale può considerarsi una teoria deterministica: tutti i fenomeni dell’Universo descritti nel suo ambito si svolgono in modo tale che il passato determina in modo univoco il futuro. Se si si sa come ha avuto inizio l’Universo, si può conoscere il suo futuro, in ogni momento e in ogni suo punto.