La scienza di Half-Life

Era il Novembre del 1998 quando il primo Half-Life sbarcò sui PC di tutto il mondo, rivoluzionando il modo di giocare gli sparatutto in prima persona, portando in essi una trama profonda e una reazione “realistica” del gioco e segnando una prima pietra miliare.

Dopo tre espansioni, Half-Life 2, nel 2004, fece un secondo miracolo, mostrando una fisica mai vista prima, impersonata dall’iconica Gravity Gun, l’arma in grado di sollevare e usare come scudo o proiettile la maggior parte degli oggetti del gioco.

Ora, dopo tredici anni di silenzio da Episode 2, la seconda espansione dell’ultimo titolo, Valve torna è tornata in gran carriera con Half-Life: Alyx, segnando ancora una volta le tappe più illustri della storia dei videogiochi e riportando la saga agli antichi fasti.
Ma quali segreti scientifici nasconde un titolo con un nome preso direttamente dalla fisica, e il cui protagonista è un fisico teorico?

Emivita

Cominciamo dal nome: “Half-Life” è un termine inglese che si traduce come “Tempo di Dimezzamento” o “Emivita” e ha a che vedere con le sostanze radioattive. Ma come funziona una sostanza radioattiva?

Un atomo è formato da un nucleo (composto da protoni e neutroni) e da elettroni che occupano le zone circostanti dette Orbitali.  Nel nucleo, protoni e neutroni sono tenuti assieme da una forza chiamata interazione nucleare forte: questa forza permette a tali particelle di aggregarsi (nonostante, ad esempio, i protoni si respingano) ed è ciò che permette l’esistenza dei nuclei atomici.
Il numero di protoni in un atomo è detto numero atomico ed è quello che definisce l’elemento al quale appartiene l’atomo: ad esempio, tutti gli atomi di Carbonio hanno 6 protoni all’interno del loro nucleo.

Atomi dello stesso elemento, tuttavia, possono mostrare un diverso numero di neutroni dando vita a differenti nuclei chiamati isotopi.
In molti casi, il numero di particelle in un nucleo è correttamente bilanciata: altre volte, tuttavia, questo equilibrio è precario. Se un atomo ha un numero eccessivo di particelle, nello specifico uno squilibrio tra neutroni e protoni, cercherà di tramutarsi in una forma più stabile: questo fenomeno è detto decadimento radioattivo.

Il cosiddetto tempo di dimezzamento, non è altro che il tempo necessario affinché metà degli atomi di una sostanza si decaduta in una o più altre sostanze differenti.
Attenzione però a non cadere nel tranello: se si hanno 100 grammi di una sostanza e il suo tempo di decadimento è 10 anni, dopo questo tempo avremo 50 grammi di sostanza originale (mentre i restanti 50 si saranno trasformati in una sostanza diversa), che però a sua volta impiegherà circa 10 anni per DIMEZZARSI, riducendosi a 25 grammi e così via.
Questo comportamento può essere utilizzati a vari fini: ad esempio, il famoso esame del Carbonio 14 si basa su una buona conoscenza del tempo di dimezzamento di questo isotopo del carbonio per stimare l’età di un reperto archeologico.

Tale fenomeno mostra come tipi diversi di sostanze radioattive abbiano rischi diversi per le persone: sostanze che decadono rapidamente saranno molto pericolose sul breve periodo ma praticamente innocue sul lungo termine, mentre sostanze con un tempo di decadimento molto lungo potrebbero emettere molta poca radioattività per periodi di tempo tuttavia lunghissimi. Ovviamente poi esistono le vie di mezzo, piuttosto pericolose per diverso tempo.

Mondi paralleli

L’evento scatenante che da inizio alla saga di Half-Life è la scoperta di Xen, un “mondo di confine” tra due (o più) dimensioni. Ma cosa ci dice la scienza, nello specifico la fisica quantistica, sui mondi paralleli?
Per analizzare la Teoria a Molti Mondi dobbiamo prima introdurre un tipico concetto della fisica quantistica: l’impossibilità di determinare le conseguenze di specifici eventi quantistici prima che essi accadano.

Molti dei moderni media, tra cui la sit-com “The Big Bang Theory”, hanno portato alla ribalta il famoso esperimento mentale del Gatto di Schroedinger.
Supponiamo di chiudere un gatto in un contenitore isolato assieme a un marchingegno in grado di ucciderlo: questo marchingegno viene attivato da un fenomeno quantistico casuale (come il già descritto decadimento radioattivo) che, in un qualunque momento, ha una probabilità praticamente uguale di essere accaduto o meno.
Se l’evento non è avvenuto, il meccanismo letale non è scattato e il gatto è vivo, mentre se è accaduto il meccanismo è scattato e il gatto è deceduto. L’impossibilità tuttavia di sapere se ciò sia successo a causa del contenitore implica che, in qualunque momento, entrambe le opzioni siano possibili.
Stiamo però parlando di un sistema quantistico, e questo porta a delle strane implicazioni a livello di probabilità: nello specifico, l’incapacità di sapere lo stato di un sistema quantistico senza “osservarlo” non è dovuto a un’impossibilità umana, ma a una proprietà intrinseca dell’oggetto.

Spieghiamo meglio questo concetto: se voi sapete che in un sacchetto c’è una pallina e che essa può essere o bianca o nera, col 50% delle possibilità, una volta che la tirate fuori dal sacchetto e vedete il suo colore siete piuttosto sicuri che essa fosse di quel colore anche prima. L’indecisione precedente, cioè, derivava dalla vostra mancanza di conoscenza del sistema.
Ma se la pallina fosse uno stato quantistico, sarebbe l’atto di tirarla fuori a determinare il suo colore: essa infatti, precedentemente, non avrebbe un colore definito, e sarebbe la vostra azione a “costringerla” ad acquisirne uno. Tant’è che, rimettendola nel sacchetto per sufficiente tempo, potrebbe… cambiare colore, la prossima volta!

Ma torniamo al gatto: capiamo che a questo punto il fatto che esso sia vivo o morto non dipende dalla nostra conoscenza della sua condizione, ma solo dalla probabilità quantistica.
Esso è cioè “in una sovrapposizione di stati”, vivo e morto al 50%.
Questa lettura della realtà quantistica è detta “interpretazione di Copenhagen” ed è la più diffusa.

Tuttavia ci sono altre interpretazioni, fra cui la famosa “interpretazione a molti mondi” di Hugh Everett III, morto negli anni 80 (almeno in questo universo), che propone che le due opzioni (gatto vivo e gatto morto) non siano “mescolate” tra loro, ma si stiano semplicemente manifestando in maniera differente in due realtà parallele separate.
Quando noi apriamo la scatola e vediamo il gatto vivo, da qualche parte, in un’altra realtà, il nostro alter-ego trova il felino morto.
Questo è vero virtualmente per ogni evento quantistico, cosa che genera un’infinità di universi paralleli differenti anche solo per una proprietà di una minuscola particella.

Ma Xen e gli altri universi di Half-Life sembrano essere molto distanti da una semplice “copia” del nostro: come fa la fisica a giustificare mondi così diversi?
Una possibile teoria è quella del “Multiverso a bolle“.

Per capire questa teoria, dobbiamo dapprima affermare che, per la fisica quantistica, il vuoto non è mai “veramente vuoto”: esso ribolle di un’energia mai completamente nulla, detta Energia di vuoto, la cui esistenza è stata appurata, ad esempio, dall’Effetto Casimir, nel quale due lastre di metallo estremamente vicine tendono ad attirarsi a causa dell’interazione con questo ribollire di energia quantistica.

Una delle implicazioni di questo fenomeno è che la stessa geometria dello spazio-tempo sembra, su scale di dimensioni estremamente piccole, “ribollire” in una consistenza che gli scienziati definiscono “schiumosa”.
Una delle teorie del multiverso, quella del “multiverso a bolle”, prevede la possibilità che ogni universo sia il risultato di una bolla formatasi nella Schiuma quantistica di un universo genitore: ogni singolo universo potrebbe quindi espandersi ed evolversi indipendentemente dagli altri, giustificando dunque realtà estremamente differenti. 

Gravity Gun

E arriviamo alla chicca, l’arma preferita da tutti i giocatori di Half-Life.
La Gravity Gun, o “Zero Point Energy Field Manipulator” (manipolatore di campo di Energia di punto zero) è in grado di attirare a se e sparare via oggetti per usarli come scudi o proiettili: vediamo una simile tecnologia anche nel nuovo Half-Life: Alyx con i Gravity Gloves della signorina Vance.
Ma come fa?

Abbiamo già parlato del fatto che il vuoto quantistico non sia davvero vuoto: esso infatti è popolato da un ribollire di energia quantistica.
Sono numerosi i campi quantistici che permeano lo spazio e alcune teorie prevedono che essi non si trovino nel loro stato fondamentale, cioè quello di energia inferiore, ma in uno di “falso vuoto”.
Sarebbe possibile dunque raggiungere, sotto determinate condizioni, stati di energia di tale campo ancora inferiori: l’energia in eccesso non sarebbe persa, ma darebbe vita a fenomeni ancora sconosciuti.

Uno di questi fenomeni teorizzati è la Materia Esotica, materia che ha delle proprietà uniche: una di queste potrebbe essere un valore “negativo” di massa, in grado di produrre una “repulsione” gravitazionale, anziché un’attrazione.

E’ molto elegante, poi, che la versione potenziata della Gravity Gun faccia uso dell’Energia Oscura, fortemente usata dai Combine: ma cos’è l’energia oscura?

Gli scienziati chiamano così un’energia ancora non ben identificata, ma i cui effetti sono visibili nell’espansione dell’universo: sostanzialmente, l’espansione accelerata del cosmo non è giustificabile alla luce delle varie fonti di energia che abbiamo scoperto finora.
Di conseguenza abbiamo ipotizzato la presenza di un’energia repulsiva che agisca in maniera evidente su scale galattiche, ma che dovrebbe esistere anche (in forma impercettibile) come interazione tra oggetti comuni, in maniera simile alla gravità.
L’energia oscura è tuttavia una “vera forza della natura”, in grado, secondo alcune previsioni, di portare la morte dell’universo, strappando perfino le particelle degli atomi le une con le altre in un grosso “Big Rip”: accedere a una tale forma di energia permetterebbe senza dubbio di potenziare ulteriormente le doti della già notevole Gravity Gun.

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