La NASA e il paradosso dei due gemelli

Mark e Scott Kelly, i due fratelli gemelli astronauti che la NASA vuole studiare per il suo esperimento di “salto temporale”

L’influenza determinante della massa sullo scorrere del tempo. La NASA inizia a sperimentare i viaggi nel tempo? Oppure si prepara ad una missione umana interstellare?

di Giancarlo Barbadoro

La NASA e la Relatività ristretta di Albert Einstein

La NASA si sta apprestando a eseguire un affascinante esperimento di fisica che ha lo scopo di sperimentare un fenomeno di “salto temporale” su due astronauti attraverso la manipolazione del tempo secondo quanto previsto dalla teoria della Relatività di Albert Einstein.

Nel 1905 il fisico tedesco aveva formulato la sua teoria sulla Relatività ristretta che si basava su due postulati. Uno riferito alla prospettiva soggettiva del ricercatore con cui vengono osservati i fenomeni naturali e l’altro con l’affermazione che la velocità della luce (300.000 km al secondo) costituisce una costante universale e rappresenta un limite della velocità di ogni altro oggetto indipendentemente dalla sorgente.

Ad esempio, se per ipotesi si sommasse la velocità di due astronavi che si allontanano tra di loro alla velocità prossima della luce, il risultato non sarà mai superiore alla velocità della luce.

Un fenomeno inspiegabile se valutato con il luogo comune con cui siamo abituati a convivere nel nostro universo sensoriale, ma che rivela la reale architettura dell’universo in grado di attribuire, per via logica, al tempo e allo spazio valori relativi.

Soprattutto Einstein, con la teoria della Relatività, ha voluto dimostrare che non esiste un tempo assoluto identico in tutto l’universo, ma lo scorrere del tempo dipende dal sistema di riferimento nel quale viene misurato. Ovvero quello che succede qui adesso sulla Terra non è simultaneo a quanto accade sul Sole o sulla Luna.

In effetti non esiste sincronicità temporale nell’universo poiché il tempo è soggetto all’influenza delle masse esistenti nello spazio e la velocità della cosiddetta “Freccia del tempo” muta continuamente in ragione di questo fenomeno.

Inoltre, la teoria relativistica prevedeva che un oggetto che si trovasse ad andare alla velocità prossima a quella della luce aumenterebbe la sua massa tanto da rallentare sensibilmente, anche in questo caso, lo scorrere del tempo. Un fenomeno già verificabile in un acceleratore di particelle. Una qualsiasi particella sub nucleare che fosse fiondata a velocità prossima di quella della luce potrebbe aumentare la propria massa sino a rallentare il suo tempo di decadimento altrimenti conosciuto in tempi più accelerati.

Il tempo è soggetto all’influenza delle masse. Una particella subatomica lanciata in un “Collider” a velocità prossima a quella della luce vede aumentare la sua massa e il tempo del suo decadimento rallenta. Se si stabilizzasse potrebbe divenire un mini buco nero

Più siamo vicini alla superficie della Terra, e quindi alla sua massa, e più lentamente scorre il tempo. Più ci allontaniamo dalla massa del pianeta e più il tempo scorre veloce. Il tempo a bordo di un satellite scorre più veloce di quello riscontrabile su un prato sulla Terra.

Il “paradosso dei due Gemelli”

Le premesse della teoria relativistica consentirono, nel 1937, al fisico francese Paul Langevin di formulare il cosiddetto "Paradosso dei due gemelli”.

Il “Paradosso dei gemelli” è una delle componenti più avvincenti della teoria della Relatività. Il fisico aveva ipotizzato il caso di due gemelli, uno che partiva verso lo spazio a bordo di una astronave che avrebbe viaggiato alla velocità di 260.000 km al secondo per raggiungere una stella posta alla distanza di 45 anni luce. L’altro che rimaneva a terra ad aspettare.

Entrambi i gemelli al momento della partenza avevano ciascuno 20 anni di età. Ma quando l’astronave sarebbe ritornata, dopo molti anni, i due gemelli non sarebbero stati più eguali. Al loro incontro non avrebbero avuto più la stessa età.

Il tempo risulterebbe trascorso in maniera dif­ferente per ciascuno di loro. Il gemello astronauta avrebbe 48 anni di età, mentre per quello rimasto sulla Terra il tempo trascorso risulterebbe di ben 102 anni.

Questo fenomeno, che sfugge al luogo comune con cui siamo abituati a vivere ordinariamente, sarebbe dovuto a quanto prevede la teoria della Relatività. A causa della velocità dell'astronave, prossima a quella della luce, la sua massa sarebbe aumentata a dismisura rallentando di conseguenza il tempo di bordo sino a differenziarsi sensibilmente da quello rilevato sulla Terra alla partenza dell’astronave.

Curiosità storiche dell’antico mondo celtico

L’effetto temporale sull’uomo suggerito dal paradosso dei due gemelli non è nuovo. Le menti speculative dell’antico druidismo celtico avevano già inserito l’evento nell’esperienza umana del tempo.

Abbiamo il caso della leggenda dell’eroe mitico Ossian o Oisin, “l’eroe che viaggiò attraverso il tempo”. Una leggenda che, curiosamente, cita ante litteram il postulato einsteniano degli effetti della massa sul tempo con l’esempio dei due gemelli che si ritrovano ad avere differenti età biologiche dopo che uno dei due era partito su una astronave che viaggiava a velocità subluminale. Ossian, innamoratosi di Niamh, una principessa celeste, salì su una nave di cristallo per viaggiare attraverso il cielo sino a Tir Nan Og, il paese dell'eterna giovinezza.

Il “Paradosso dei due gemelli” teorizzato in base alla teoria della Relatività ristretta enunciata da Einstein. Uno dei due, dopo aver viaggiato a una velocità prossima della luce, al suo ritorno risulterebbe più giovane del suo gemello rimasto sulla Terra

Secoli dopo Osin, avendo nostalgia della sua terra, ritornò dal suo popolo, ma le cose durante il tempo da lui passato a Tir Nan Og erano cambiate: i cristiani avevano scacciato da secoli gli antichi Dei. La leggenda dice che San Patrizio, impietosito dalla nostalgia del povero Osin per il suo mondo perduto, divenne suo amico e si fece raccontare tutte le storie riguardanti i suoi antenati. Cercò anche di convertirlo, ma Oisin desistette e visse ancora molti anni, conservando la memoria perduta delle tradizioni del suo popolo nei propri canti e poemi.

Possiamo ancora citare, tra gli altri racconti celtici, il mito a tema “temporale” di re Herla che, anche lui, “viaggiò attraverso il tempo”.

La leggenda narra che Herla, arcaico re dei più antichi Bretoni della terra di Bretagna, fu avvicinato dal re degli Inferi. Questi era vestito di scuro, aveva la testa grandissima e sembrava un pigmeo per via della sua bassa statura, che non superava quella di una scimmia.

Il misterioso personaggio invitò il re bretone a raggiungere il suo mondo per partecipare ai festeggiamenti delle sue nozze. Dopo un anno re Herla si mise in cammino, accompagnato da una nutrita scorta di cavalieri, guidato dal pigmeo. Giunti ad una altissima rupe entrarono in una lunga cavità costellata da lumi (un wormhole ante litteram?). Giunto in un palazzo simile a quello del dio Sole vennero celebrate le nozze e quindi il re Herla prese congedo per ripartire carico di doni e passando ancora una volta per il lungo cunicolo ritornò sulla Terra.

Uscito dal cunicolo alla luce del sole ed al proprio regno, re Herla incontrò un vecchio pastore e gli chiese notizie della regina sua moglie, ma il contadino guardandolo con stupore rispose che capiva a stento la sua lingua perché lui era Sassone e parlava male il bretone. Aggiungendo che la regina apparteneva alla leggenda popolare e che era ormai da più di duecento anni che i Sassoni avevano conquistato le terre in cui si trovavano in quel momento.

Il paradosso e la verifica con gli orologi atomici

Il paradosso dei due gemelli non rappresenta solamente l’esito virtuale di una teoria matematica che porta alla sua enunciazione. Infatti, nel tempo, sono stati eseguiti anche esperimenti basati su una precisa strumentazione che hanno dimostrato la sua realtà fenomenica e che quindi hanno convalidato la teoria della non sincronicità degli eventi che era stata predetta da Einstein.

Negli anni ‘60 in Italia venne condotto un esperimento per verificare il fenomeno di rallentamento del tempo in rapporto all’azione delle masse gravitazionali applicando l'effetto Mossbauer, che consente di utilizzare i nuclei atomici come orologi estremamente precisi.

Due orologi atomici dopo essere stati tarati sullo stesso tempo vennero separati. Uno fu portato in cima al Cervino, in Piemonte, l'altro rimase in attesa in la­boratorio.

Mark Kelly durante la conferenza al CERN di Ginevra documentata da Shan Newspaper

Quando, al termine dell'esperimento, i due orologi furono messi a confronto, quello tenuto in vetta risultò essere in anticipo di qual­che miliardesimo di secondo rispetto a quello lasciato al livello del mare. Ovvero in cima alla montagna il tempo scorreva più veloce.

Nel 1972, negli USA, venne ripetuto l'esperimento con altri due orologi atomici all'idrogeno. Uno di questi venne caricato su un aereo mili­tare che si alzò per volare per alcune ore ad alta quota, mentre l’altro rimase nel laboratorio dei tecnici in attesa.

Quando fu riportato a terra, l'orologio aveva anticipato di un miliardesimo di secondo il suo gemello lasciato a terra. Risultò evidente che a bordo dell'aereo, lontano dalla mas­sa della Terra, il tempo era scorso più velocemente di quanto era avvenuto al suolo.

L’esperimento attuale della NASA

La NASA non ha ovviamente la possibilità di far viaggiare un’astronave a una velocità prossima a quella della luce, ma ha disposizione nel suo organico due astronauti gemelli, Scott e Mark Kelly, che può utilizzare per attuare un esperimento che possa comunque verificare gli effetti della teoria relativistica di Einstein sugli esseri umani.

È previsto che nel marzo del 2015 uno dei due, Scott Kelly, raggiungerà il cosmonauta russo Mikhail Kornienko sulla ISS, la Stazione Spaziale Internazionale, per una missione della durata di un anno. L’astronauta Scott Kelly si troverà a viaggiare in orbita per 365 giorni alla velocità di 27 mila chilometri orari, ad una altezza posta tra i 278 km e i 460 km lontano dalla Terra e quindi fuori dall’effetto di rallentamento temporale dovuto alla sua massa gravitazionale.

Suo fratello Mark resterà invece, per tutto il tempo dell’esperimento, sulla superficie della Terra.

Alla fine della missione i due gemelli si ritroveranno nuovamente insieme e la NASA dovrà accertare se sono ancora fisiologicamente identici, confermando, ancora una volta, la teoria einsteniana.

La NASA spera di ricavare dall’esperimento anche altre varie conoscenze utili sulle modifiche che un organismo subisce in una lunga permanenza nello spazio.

La verifica dell’invecchiamento dell’astronauta in orbita

“Per la prima volta”, ha detto Craig Kundrot, dello Human Research Program della NASA, ”faremo esperimenti su due individui che sono geneticamente identici e li studieremo a fondo, dal livello biomolecolare a quello psicologico”.

Uno dei dieci esperimenti della NASA in programma prevede di somministrare contemporaneamente ai due gemelli un vaccino anti influenzale e capire meglio perché il sistema immunitario si indebolisce in orbita. Un altro test riguarderà la visione ottica, dato che gli astronauti nella Stazione non riescono più ad usare gli occhiali che andavano bene sulla Terra.

Verranno studiati anche i batteri che favoriscono la digestione, facendo mangiare ai due gemelli lo stesso cibo.

I cinque astronauti della ISS al CERN di Ginevra (dal reportage di Shan Newspaper)

L’ultimo esperimento, riguardante in specifico la verifica del paradosso einsteniano, sarà riferito all’esame dei telomeri del DNA, le parti terminali del cromosoma, dei due gemelli messi successivamente a confronto. L’accorciamento dei telomeri è messo in relazione all’invecchiamento degli esseri umani. Nello spazio il decadimento dei telomeri dovrà risultare più accelerato, pertanto quando Scott tornerà sulla Terra risulterà certamente essere più vecchio di Mark.

Se così sarà, come ci si aspetta, ancora una volta verrà data conferma alla teoria della non sincronicità degli eventi nello spazio enunciata da Albert Einstein.

Perché la NASA si occupa di questo esperimento?

Ma perché la NASA vuol fare una ricerca sulla manifestazione del Paradosso sugli esseri umani? Solamente curiosità scientifica fine a se stessa? Oppure c’è dell’altro?

La NASA si prepara forse a studiare la possibilità dei viaggi nel tempo utilizzando l’alterazione del flusso temporale che si sta prospettando negli esperimenti effettuati negli acceleratori di particelle degli scienziati di tutto il pianeta che stanno aumentando sempre più le loro capacità elettromagnetiche?

Del resto, costruire una “macchina del tempo” non sembra più appartenere al dominio della sola fantascienza. Oggi molti ricercatori moderni delle varie università di ricerca sono convinti che sia possibile costruirla, almeno sul piano teorico. Alcuni vanno anche più in là.

È di questa idea lo statunitense Kip Thorne, noto negli ambienti scientifici per aver scritto un poderoso trattato sulla relatività, che suggeriva l’utilizzo della massa di un buco nero per consentire agli astronauti di viaggiare perlomeno verso il futuro.

Condividono la sua tesi gli astrofisici statunitensi Ulvi Yurtsever e Michael Morris e l’équipe di ricercatori francesi del Centro Nazionale di Ricerca Scientifica di Meudon presso Parigi.

Si aggiunge a questa convinzione anche lo scienziato inglese Stephen Hawking, secondo il quale viaggiare nel tempo oggi non è più un’utopia, né una semplice speculazione filosofica, ma è solamente una questione di fondi finanziari da destinare all’impresa, lasciando anche intendere che probabilmente qualche gruppo di ricerca governativo americano è già al lavoro sul tema.

Due scienziati israeliani, Amos Ori e Yakir Aharonov dell’università di Tel Aviv, hanno proposto la possibilità di mettere a punto concretamente una macchina del tempo utilizzando un mini buco nero da costruire in laboratorio a mezzo di un Collider. Il buco nero non dovrebbe avere necessariamente grandi dimensioni, ma avrebbe egualmente la capacità di sovvertire il flusso unidirezionale della “Freccia del Tempo” e quindi consentirebbe a una capsula temporale e ai suoi “crononauti” di spostarsi, a piacere, avanti e indietro attraverso le epoche. E non solo attraverso il tempo, ma consentirebbe anche di spostarsi rapidamente da una stella all’altra dello spazio accorciando istantaneamente le distanze esistenti.

E se la NASA stesse invece pensando di organizzare una missione interstellare umana nello spazio?

Il progetto di una nave interstellare della NASA dotata di propulsori Vasimr destinata a portare astronauti sino alle più vicine stelle della Terra. La propulsione al plasma consentirebbe di coprire in breve tempo grandi distanze dello spazio

Tutto porta a pensare che una missione spaziale dalla Terra destinata a raggiungere una stella, anche verso una di quelle che sono in prossimità del nostro pianeta, sia molto più complessa e difficoltosa rispetto a quella sulla Luna delle missioni Apollo, e che possa comportare grandi sacrifici tra i componenti degli equipaggi che vi parteciperanno, prevedendo un viaggio che richiederebbe, tra andata e ritorno, molte decine di anni di permanenza nello spazio.

Ma questo ad oggi sembrerebbe essere un problema facilmente sormontabile. Nel 2000 venne avviato da parte di Franklin Chang-Diaz un progetto definito “VASIMR”, ovvero Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, che prevedeva la realizzazione di un nuovo tipo di propulsore, non più basato sulla combustione di propellente ordinario, ma sull’emissione a impulsi di getti di plasma. Con un propulsore VASIMR si potrebbe andare sino alla più vicina stella, rimanerci in orbita e ritornare sulla Terra in un periodo massimo di tre-quattro anni in totale.

Il primo propulsore ionico operativo fu costruito da Harold R. Kaufman nel 1959 presso le fabbriche della NASA nel Glenn Research Center. Era simile al disegno generico di un propulsore ionico a griglia elettrostatica che usava mercurio come carburante. Durante gli anni Sessanta seguirono i test suborbitali del motore che nel 1964 venne mandato in volo suborbitale sulla SERT-1, la “Space Electric Rocket Test 1”. Il motore a spinta ionica funzionò con successo per 31 minuti nello spazio per poi ricadere sulla Terra.

Tuttavia, la tecnologia spaziale da allora è evoluta. Nel 2003 l’agenzia spaziale giapponese ha inviato la sonda Hayabusa nello spazio profondo sino alla fascia degli asteroidi, dotata della spinta di ben quattro motori ionici allo xeno, generati da microonde ECR e un materiale in carbonio composito per la griglia di accelerazione resistente all’erosione. La sonda giapponese ha raggiunto e fotografato con successo l’asteroide 25143 Itokawa, rimanendovi in prossimità per molti mesi raccogliendo campioni e varie informazioni.

E per la cronaca, proprio in questi ultimi tempi, si stanno ultimando dei prototipi ufficiali di propulsori VASIMR che l’azienda commerciale Ad Astra sta vendendo alla NASA, da destinare alla ISS per aiutarla nella sua stabilizzazione orbitale. La ISS infatti deve continuare a correggere la propria orbita per non precipitare sulla Terra, con un grande dispendio di carburante e di denaro. I propulsori VASIMR consentiranno di svolgere la stessa missione, ma con maggiore efficienza e con costi infinitamente inferiori.