La scienza di Portal

Dopo aver parlato, la scorsa settimana, di Half-Life, continuiamo oggi analizziamo il suo “fratello di sangue”: Portal, l’incredibile saga che unisce i comandi di uno sparatutto, la risoluzione di puzzle e la fisica in un mix davvero interessante. Ma quali sono i meccanismi scientifici che portal va a toccare?
Andiamo a scoprirlo assieme!

Portali 

Ambientato nell’universo narrativo di Half-life, la saga di Portal ci porta nei laboratori segreti di Aperture Science, la corporazione rivale di Black Mesa per quanto riguarda la tecnologia all’avanguardia.

Dove questa seconda compagnia, al centro delle vicende della saga originale di Half-life, si è focalizzata sull’invenzione di dispositivi gravitazionali come la famosa Gravity Gun, Aperture science investe invece le sue energie per creare una tecnologia che permetta il trasporto immediato su grandi distanze.

Durante la saga di Half-life si scopre che questi esperimenti hanno portato al teletrasporto di un’intera nave, la Borealis, che doveva essere un ambientazione principale del gioco nel mai uscito seguito Half-life 3.
Nella saga di portal, invece, possiamo vedere questa tecnologia in azione su scala molto più piccola tramite lo strumento principale che il giocatore utilizza per risolvere gli enigmi ambientali che compongono questo gioco: la Portal Gun.

Ma come funziona un portale di questo tipo?

La fantascienza ci ha abituati a portali e wormhole ormai da decenni: quello che però non molti sanno è che questi buchi nello spazio tempo hanno un possibile fondamento scientifico. 

L’oggetto teorico più simili al wormhole studiato dalla fisica è il ponte di Rosen-Einstein: si tratta di un teorico collegamento artificiale tra due buchi neri che, almeno sulla carta, permetterebbe il passaggio di materia da uno all’altro, in modo da utilizzarli per spostarsi al di fuori dei normali vincoli dello spazio tempo e raggiungere due punti del cosmo distanti fra loro in maniera più rapida.

Un buco nero è un corpo la cui massa è stata compressa a tal punto che neanche la luce riesce a sfuggirgli: questo perché l’accelerazione di gravità di un corpo dipende sia dalla sua massa totale, sia dalla distanza dal centro di esso.
Normalmente gli oggetti del nostro mondo comune, perfino i palazzi, hanno troppa poca massa per produrre un’attrazione di gravità importante, e sono comunque corpi molto estesi nello spazio: di conseguenza, risentiamo di fatto unicamente dell’accelerazione di gravità della terra.
Questa accelerazione, che ci è nota nella vita quotidiana, ci impedisce ad esempio di lasciare il pianeta, se non tramite razzi che ci riescono solo perché raggiungono velocità incredibili: la velocità necessaria per sfuggire all’attrazione di un corpo è detta Velocità di Fuga.

Un buco nero è un agglomerato di materia talmente compressa che, sulla sua superficie, la luce stessa (l’oggetto più veloce dell’universo) non ha modo di sfuggire e di raggiungere i nostri occhi, cosa che renderebbe l’oggetto “nero”: la fotografia di un buco nero ottenuta pochi anni fa permette infatti di vedere non l’oggetto stesso, ma il suo “anello di accrescimento”, un insieme di materiali che il buco nero attira a se e che, a causa delle grandi velocità raggiunte, diventano “come incandescenti” ed emettono luce che siamo in grado di osservare.

Una teoria scientifica ci dice che i buchi neri, che producono dei veri e propri “squarci” nello spazio tempo, potrebbero essere usati come “portali” verso un altro buco nero.
Se immaginiamo lo spaziotempo come un lenzuolo e il buco nero come una specie di “imbuto” infilato a forza nel tessuto stesso, è anche facile immaginare che, se trovassimo un altro buco nero da qualche altra parte del lenzuolo, potremmo unirli con un tubo e passare attraverso di essi.
Un Wormhole, o Ponte di Einstein-Rosen, parte proprio da questo presupposto: collegare due buchi neri per permettere il passaggio tra di essi.

Ma come fare, considerando che i buchi neri hanno un’attrazione fortissima?
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 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.
Una quantità sufficiente di tale materia esotica potrebbe infatti produrre una repulsione tale da “stabilizzare” un ponte tra due buchi neri, consentendo di spostarsi tra di essi in maniera relativamente sicura.

Conservazione della quantità di moto

Andando a giocare ai titoli di Valve, ci rendiamo conto che la portal gun produce due portali di colore diverso che possono essere prodotti su determinate superfici: quando un oggetto ne attraversa uno risbuca dall’altro lato mantenendo la sua velocità iniziale.

O almeno, il “modulo” della velocità iniziale!
Il gioco chiama questa caratteristica conservazione della quantità di moto (in inglese “Momentum Conservation”), tuttavia questa affermazione è abbastanza imprecisa.

La conservazione della quantità di moto (P) è una caratteristica dei sistemi fisici che non sono soggetti ad accelerazioni esterne.
Immaginiamo ad esempio un razzo nel cosmo molto distante da stelle e pianeti: esso sarà praticamente esente da accelerazioni esterne e proseguirà invariato il suo moto sempre alla stessa velocità.
La sua unica maniera per variare la sua velocità sarà quella di usare il proprio motore: i motori a reazione, infatti, funzionano proprio per conservazione della quantità di moto, espellendo gas caldi e veloci in una direzione e ottenendo una spinta equivalente nella direzione opposta.

Quella di Portal, però, non è una vera conservazione della quantità di moto: come infatti, per un razzo, il verso della spinta ottenuta è quello opposto al gas di scarico, allo stesso modo anche su portal la direzione della propria velocità dovrebbe conservarsi.
Questo perché la quantità di moto, esattamente come la velocità, è una grandezza vettoriale: ciò significa che, oltre al suo valore numerico puro (detto modulo), questa grandezza fisica si porta dietro anche informazioni direzionali.
Per farla breve, dire che due oggetti vanno a 20 km/h non implica dire che stiano andando nella stessa direzione, o in verso opposto, mentre invece la conservazione della quantità di moto esige una corretta corrispondenza direzionale: nello specifico, per un razzo, se esso acquisisce una certa velocità questa grandezza, moltiplicata per la sua massa, sarà opposta a quella dei gas espulsi (che tenderanno a essere molto più leggeri, ma molto più veloci!).

Quella di Portal dunque non è una vera conservazione della quantità di moto bensì del suo modulo, e di alcune caratteristiche di angolazione del moto rispetto alla direzione del portale: infatti, l’angolo di entrata rispetto al portale di entrata è uguale a quello di uscita rispetto all’altro portale (ma la quantità di moto non si conserva comunque, in quanto i portali possono avere un qualunque angolo fra loro).

Viaggi nel tempo

Dopo anni di silenzio, valve ha reso scaricabile gratuitamente dalla sua piattaforma steam una piccola espansione di portal 2 creata da un gruppo di appassionati: parliamo di Portal Reloaded.
In questa espansione, un nuovo misterioso protagonista devi sottostare a una serie di esperimenti sotto forma di stanze-puzzle da risolvere con una nuova meccanica: i viaggi nel tempo.
Il giocatore ha infatti a disposizione un terzo portale che connette il la stazione di ricerca presente a una versione della stessa base di ricerca vent’anni più avanti del tempo, ormai abbandonata a se stessa e danneggiata dall’incuria.

Una divertente è nuova dinamica di risoluzione degli enigmi diventa quella della permanenza di un oggetto e perfino dei portali dal passato al futuro: immaginando che nessuno vada ad interagire con gli oggetti lasciati nelle varie stanze dal protagonista per i 20 anni successivi, sarà possibile ritrovarli nelle loro versioni future nella stessa posizione in cui si erano lasciati nel presente.

Non solo: sarà possibile manipolare gli oggetti del futuro senza intaccare quelli del presente e perfino prelevare dal futuro la versione invecchiata di un oggetto e riportarla nel presente per poter risolvere un enigma utilizzando più copie di un oggetto: questo tuttavia, funziona una sola volta (non è cioè possibile prendere nel futuro un ulteriore copia del clone di un oggetto presente), e inoltre interagire con l’oggetto originale farà sparire la sua copia; non sarà infine possibile spostare un oggetto presente nel futuro.

Questa meccanica produce un apparente violazione della famosa conservazione della massa-energia: portare un oggetto dal futuro al presente sarebbe infatti come prendere in prestito della massa e/o dell’energia dal nulla.
Questo in realtà può accadere temporaneamente anche nel mondo reale: in fisica quantistica, ad esempio, è possibile violare la conservazione dell’energia a patto che l’intero processo, in ultima analisi, ne mantenga intatto il totale.
Un esempio pratico è la creazione di coppie di particella e relativa antiparticella virtuali che avvengono nelle cosiddette fluttuazioni quantistiche del vuoto: questo fenomeno non produce particelle reali fino a che non si verifica la situazione energetica che lo consente.

Un esempio di queste situazioni è il bordo di un buco nero, il cosiddetto orizzonte degli eventi: in questa situazione il buco nero stesso può fornire energia a una coppia di particella e antiparticella virtuale facendo sì che una delle due cada nel buco nero mentre l’altra riesca a sfuggire alla sua attrazione gravitazionale: questo fenomeno, chiamato “radiazione di Hawking” in nome del celebre fisico recentemente deceduto, porta a una lenta dispersione dell’energia del buco nero e a una sua inesorabile morte.

Sempre i buchi neri potrebbero essere una soluzione ai viaggi nel tempo: infatti, non ci siamo ancora chiesti se fisicamente possibile effettuare un viaggio nel tempo come descritto in Portal.
In realtà il viaggio mostrato nel gioco è molto fantasioso, esattamente come la maggior parte dei viaggi nel tempo dipinti nei vari media di intrattenimento: tuttavia il già citato ponte di Rosen Einstein potrebbe essere la chiave di volta per permettere un vero e proprio viaggio nel tempo.
Sarebbe infatti possibile, in teoria, sottoporre una delle due entrate del ponte ad un forte campo gravitazionale esterno in grado di alterare il flusso del tempo: in questa maniera i due portali potrebbero trovarsi non solo in luoghi, ma anche in tempi diversi.
Questo ovviamente implicherebbe che sia possibile muoversi nel tempo solo tra specifiche coppie di istanti successivi alla creazione del ponte di Rosen Einstein: esso infatti permetterebbe solo di muoversi tra i tempi in cui si trovano i due portali.

Da un certo punto di vista, a tale riguardo, il viaggio nel tempo di Portal si dimostra quindi molto più realistico di molte altre macchine del tempo che vediamo nei vari media di intrattenimento.

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