La fisica nella fantascienza: ciò che le leggi consentono e ciò che resta nel racconto

Il Millennium Falcon ha bisogno che il suo ipermotore funzioni per fuggire. In un’altra storia, un’astronave offre ai suoi passeggeri qualcosa di molto più quotidiano: un pavimento su cui camminare. Le due scene sollevano domande a cui la fisica può rispondere con gradi di certezza molto diversi. Per distinguerli, conviene chiedersi che cosa dovrebbe accadere fuori dallo schermo.

Iperspazio e limite della luce

Nella finzione. In L’Impero colpisce ancora, l’ipermotore del Millennium Falcon si guasta durante la fuga da Hoth. Il guasto è importante perché l’iperspazio è la via di fuga offerta dal racconto.

In fisica. La relatività speciale stabilisce che la velocità della luce nel vuoto, c, è un limite locale per la trasmissione dei segnali. Quando si accelera un’astronave dotata di massa, ogni incremento di velocità richiede più energia man mano che ci si avvicina a c. Raggiungerla richiederebbe energia illimitata. La dilatazione del tempo permette che a bordo trascorra meno tempo rispetto a chi resta, ma l’astronave continua a viaggiare al di sotto di questo limite.

Verdetto. Superare c mediante accelerazione locale contraddice la relatività. L’iperspazio della saga è una libertà narrativa. Esiste un’idea matematica diversa: la geometria di Alcubierre permette di descrivere un tragitto globalmente più veloce senza che l’astronave superi c nel suo ambiente immediato. La sua formulazione originale richiede densità di energia negative per determinati osservatori. È un’ipotesi speculativa, senza un meccanismo fisico dimostrato per realizzarla.

Massa ed energia in un recipiente

Nella finzione. In Angeli e demoni, un recipiente contenente antimateria sottratta al CERN concentra la minaccia della storia. La scena dà per risolto il problema di immagazzinare e trasportare una quantità sufficiente a produrre l’effetto mostrato.

In fisica. E₀ = mc² mette in relazione la massa di un sistema con la sua energia a riposo. Quando particelle di materia e antimateria si annichilano, l’energia iniziale ricompare nei prodotti della reazione. Nel caso ideale di una particella e della sua antiparticella inizialmente a riposo, occorre considerare la massa di entrambe. L’energia totale e la quantità di moto si conservano. Il grande valore di c² spiega perché una piccola massa può corrispondere a molta energia. Produrre antimateria, confinarla e sfruttare l’energia dei prodotti sono problemi distinti. Con le tecniche attuali, si consuma molta più energia per produrre antimateria di quanta se ne recupererebbe annichilendola.

Verdetto. L’annichilazione e l’equivalenza massa-energia sono fisica verificata. La disponibilità e la conservazione presupposte dalla scena sono libertà narrative.

Un pavimento che ruota

Nella finzione. In 2001: Odissea nello spazio, l’equipaggio può camminare all’interno di una sezione rotante dell’astronave. Il pavimento accompagna la rotazione.

In fisica. Il pavimento spinge i piedi verso l’asse e costringe il corpo a seguire una traiettoria circolare. Questa forza di sostegno si percepisce come peso. L’accelerazione ha modulo a = ω²r, dove ω è la velocità angolare e r la distanza dall’asse. A parità di accelerazione al suolo, un raggio maggiore permette di ruotare più lentamente. In un abitacolo piccolo, testa e piedi possono sperimentare accelerazioni sensibilmente diverse. Anche camminando o muovendo la testa si avvertono gli effetti di Coriolis, che modificano la percezione del movimento.

Verdetto. La fisica consente di ottenere una gravità apparente tramite la rotazione. Ciò che resta speculativo è come progettare e gestire un habitat abitabile durante una missione lunga. Contano il raggio, la velocità di rotazione e la tolleranza dell’equipaggio.

Che cosa si teletrasporta davvero

Nella finzione. In Star Trek: Strange New Worlds, Una attiva il teletrasporto e Kirk appare a bordo. La storia usa il dispositivo per trasferire una persona da un luogo a un altro.

In fisica. Il teletrasporto quantistico trasferisce uno stato quantistico a un sistema ricevente già esistente. Il protocollo impiega entanglement condiviso, una misura all’origine e un messaggio classico che permette al ricevente di completare l’operazione. Alla fine non restano due copie dello stato iniziale. Non viaggia neppure la materia del sistema originale. Finché il messaggio non arriva, il ricevente non può recuperare lo stato a piacimento.

Verdetto. Trasferire una persona come nella serie è una libertà narrativa. Se il dispositivo trasmette istantaneamente a distanza informazioni utilizzabili, questo aspetto viola il limite causale della relatività.

Superman, l’aereo e la scala

Nella finzione. In Superman Returns, Superman cerca di fermare un aereo in caduta. La domanda fisica comincia quando tocca la fusoliera. Come si trasmette lo sforzo dal punto di contatto al resto dell’aereo?

In fisica. Per frenare, occorre cambiare la quantità di moto dell’aereo. Più breve è la manovra a parità di variazione della quantità di moto, maggiore è la forza media. Anche se Superman fosse in grado di esercitarla, la struttura dovrebbe trasmetterla senza rompersi. Per un carico perpendicolare distribuito uniformemente, lo sforzo medio è forza divisa per area. Applicare la stessa forza su una zona piccola aumenta lo sforzo. Una fusoliera reale presenta ulteriori complicazioni, come la flessione, le concentrazioni di sforzo e la distribuzione dei carichi tra i suoi componenti.

La stessa idea spiega perché ingrandire un personaggio cambia il problema. Se la sua altezza raddoppia mantenendo la stessa forma e densità, il volume e il peso aumentano di otto volte, mentre l’area di una sezione simile aumenta di quattro volte. In queste ipotesi, lo sforzo dovuto al peso proprio raddoppia. Per sostenersi sarebbero necessari cambiamenti nelle proporzioni, nel materiale o nella distribuzione del carico.

Verdetto. Fermare e sostenere un aereo è compatibile con la meccanica se il carico e la decelerazione sono sopportabili. La libertà narrativa consiste nel dare per scontato che basti la forza dell’eroe e che la fusoliera e i passeggeri sopportino qualsiasi manovra.

Cinque scene, cinque verifiche

La prossima volta che una scena sembra impossibile, prova a individuare che cosa deve spiegare: una velocità, un bilancio energetico, una forza o un segnale. Ogni domanda conduce a una legge diversa. Puoi continuare a esplorarle nella sezione di Fisica.