![]() |
Big Bang Da dove veniamo? |
|
||||||||||||||
| rubrica a cura di Mario Bruschi Dipartimento di Fisica Universita` "La Sapienza" e-mail: bruschi@roma1.infn.it
|
In principio era il Logos In principio era il Cosmos In principio era il Caos
In principio era la
SINGOLARITÀ.
E la singolarità esplose: un grande botto, il "big
bang". tenebroso abisso di molte dimensioni, onde di fluttuazione quantica
scuotevano le acque. Cosa accadde subito dopo
l'esplosione? Dice Weinberg: nessuno c'era a vederlo. E neppure con le più ardite
estrapolazioni delle nostre teorie più ardite possiamo accostarci indefinitamente alla
singolarità (Hawkings ha provato ad aggirare l'ostacolo, navigando in un tempo
"immaginario") . Tuttavia possiamo andarci molto vicino: siamo a 10^(-43)
secondi dall'inizio, il tempo di Planck, le dimensioni dell' Universo sono di 10^(-35)
centimetri, la lunghezza di Planck, la temperatura è di 10^32 gradi. Sono solo freddi
numeri e non tutti sono abituati alla notazione scientifica: proviamo quindi a tradurre in termini di misure che ci
sono abituali. Iniziamo dalla temperatura, forse il dato più facile da immaginare.
Ebbene, 10^32 vuol dire 1 seguito da 32 zeri, cioè 100000000000000000000000000000000
gradi (Kelvin), cioè, in parole, 100 milioni di milioni di milioni di milioni di milioni
di gradi! La temperatura al centro del Sole è di circa 15 milioni di gradi, quindi
l'Universo era milioni di milioni di milioni di milioni di volte più caldo del sole
(ovviamente nessun termometro potrebbe misurare una tale temperatura: abbiamo usato la
temperatura come indice della densità di energia, concetto forse meno familiare per il
lettore). Cosa vuol dire invece 10^(-43) secondi? vuol dire
0,...(42 volte 0)...1, cioè :
Il vento di Dio si librò sull'abisso, una forza spaventosa scosse l'Universo, intere
dimensioni crollarono, altre si gonfiarono smisuratamente. E venne l' inflazione, una forza
simile all'antigravità spinse le nostre tre dimensioni spaziali a ingrandirsi
repentinamente, le altre dimensioni crollarono, arrotolandosi, chiudendosi in se stesse (e
a noi) in "cilindri" delle dimensioni della lunghezza di Planck, il "falso
vuoto" divenne "vuoto", il campo di Higgs iniziò a dominare: le cose non
furono mai più le stesse... Per quanto tempo soffiò il ruach elochim, il vento di Dio?
Forse meno di 10^(-33) secondi, meno di un milionesimo di un miliardesimo di un
miliardesimo di un miliardesimo di secondo (nostro tempo!). Ma fu sufficiente. Il seme era
stato gettato, l' Universo che emerse è il "nostro" Universo. In pratica solo 4
dimensioni sopravvissero, il tempo e le usuali 3 dimensioni spaziali. Il
"raggio" dell' Universo si era però ingrandito miliardi di miliardi di miliardi
di miliardi di miliardi di volte. Quanto era grande il nuovo Universo? Le teorie sono
discordi, ma secondo i più, ancora non molto, forse 10 centimetri. Ma la cosa più importante è che ci fu un repentino
raffreddamento, un cambiamento di fase. Le 5 panchas della tradizione vedica, le 5 forze
fondamentali non erano più unite, la gravità e l'interazione forte si staccarono dalla
forza elettro-magnetica-debole. La densità di energia era ancora spaventosa, il fuoco
ardeva ancora... ma dal e nel vuoto, il "normale" attuale vuoto quantistico,
danzavano ora particelle più usuali: essenzialmente quarks e antiquarks nei loro
"sapori" e gluoni nei loro "colori". Una zuppa caldissima di quarks
"su, giù, strani, incantati, belli, bassi" che si godevano una libertà che non
avrebbero più avuto. E poi fotoni e i tre leptoni (elettroni, muoni e tauoni) e le loro
antiparticelle e i loro neutrini danzavano anch'essi la danza di SHIVA (definizione di F.
Capra): un caldissimo vuoto di energia che si fa materia che si ritrasforma in energia che
riforma nuova materia che... Lentamente comunque l'Universo
continuava ad espandersi e a raffreddarsi. Lentamente... E fu l'era degli adroni, e fu l'era dei leptoni, e fu l'era della
radiazione. Adroni, leptoni, fotoni. Tutte le
particelle (tranne i fotoni e forse i neutrini) acquisiscono massa dal campo di Higgs
(mediato dal bosone di Higgs, la particella
di Dio secondo Lederman, non ancora trovato). Sappiamo dalle nostre teorie fisiche e dai
nostri esperimenti che a fronte del mondo vi è un anti-mondo: se cambiassero
improvvisamente le cariche elettriche da positive a negative e viceversa, se la destra
diventasse sinistra, il davanti dietro, l'alto divenisse basso, e viceversa, e se infine
il tempo scorresse all'indietro, vivremmo nell'antimondo. Tuttavia non ce ne accorgeremmo.
In termini più tecnici, ogni particella conosciuta ha un suo partner, una anti-particella
con carica, parità e tempo invertiti: l'elettrone ha il positrone, il protone ha
l'antiprotone, il neutrino l'antineutrino (in questo mondo di coppie, solo il fotone, il
quanto di luce, è 'single', nel senso che l'anti-fotone è esattamente identico al fotone
stesso; in altri termini, la luce è la stessa nel mondo e nell' antimondo). Una
peculiarità di queste coppie di gemelli-opposti è che esse possono sorgere gratis dal
nulla, dal vuoto, in forma virtuale ( di fatto lo stanno facendo di continuo, anche qui,
anche ora, davanti ai nostri occhi, intorno a noi, ma noi non lo percepiamo, la danza di
Shiva). Possono poi essere prodotte in modo "reale" se abbiamo una energia
sufficiente per creare la loro massa (a riposo). E in effetti ne produciamo di tutti i
tipi nei nostri laboratori. Una seconda peculiarità di queste coppie materia-antimateria
è nella loro attrazione fatale: nascono dalla pura energia, scompaiono (si annichilano)
in pura energia appena ritornano in contatto. L'energia dell'Universo dopo l'inflazione
era pur così alta che tutte le coppie di tutte le particelle, quarks e anti-quarks,
leptoni e anti leptoni, erano prodotte in continuazione dalla pura energia e in
continuazione si ritrasformavano in energia. Epperò è chiaro che, espandendosi
l'Universo e raffreddandosi di conseguenza, venne inevitabilmente il tempo in cui l'
energia non fu più sufficiente per produrre le masse delle particelle più pesanti e poi
mano mano di quelle più leggere. Fu in fondo una evoluzione semplice... I quarks persero
la loro libertà, incatenati per l'eternità (?) in coppie e triplette nei cosiddetti
adroni (mesoni, protoni, neutroni, particelle che interagiscono "forte")- fine
dell' era adronica-; rimase attiva per un po' la produzione di coppie di leptoni -era
leptonica-, infine la danza fu solo di coppie di elettroni e positroni, (le particelle più leggere). Ma il fuoco si sta spegnendo, il
"freddo" aumenta: siamo a
"soli" 30 miliardi di gradi ora... e ancora la temperatura scende, 20 miliardi,
10 miliardi di gradi. Qui i neutrini e gli antineutrini si "disaccoppiano",
iniziano cioè a comportarsi come particelle libere e indipendenti dal resto della materia
(la densità di energia-materia è ancora alta: 380.000 volte quella dell'acqua). Nel
frattempo anche l'unione tra le forze deboli e elettro-magnetiche si rompe. E la
temperatura continua a scendere: tre miliardi di gradi Kelvin, iniziano a formarsi i primi
nuclei stabili (He4) ; un miliardo di
gradi... quasi tutte le coppie di elettroni-positroni si sono ormai annichilate: sta
finendo l'era dei leptoni, sta iniziando quella della radiazione. Infatti l'Universo è
ora in gran parte fatto di neutrini e anti-neutrini (che, come fantasmi, praticamente non
reagiscono più con niente) e di neutroni e di elettroni liberi e di fotoni, con una
percentuale di nuclei di idrogeno (cioè protoni), di nuclei di deuterio e trizio ed elio:
un miscuglio indifferenziato in equilibrio
termico. Ci sono miliardi di fotoni (particelle di luce) per ogni protone (elettrone) e
quasi tutta l' energia è portata dai fotoni (era della radiazione). Quanto tempo è passato dall' inizio? Tre minuti e
tre quarti (i primi tre minuti del famoso libro di Weinberg), tre minuti e tre quarti del
nostro tempo. L'Universo è pieno di luce, ma la luce è prigioniera: i fotoni infatti
sono continuamente catturati e riemessi dalle particelle di questo "fluido"
torbido e ancora molto caldo che riempie l'Universo. Deve ancora passare molto tempo
perché la continua espansione dell' Universo abbassi la temperatura a "soli"
3.000 gradi Kelvin... e a questo punto Fiat lux ! E la luce fu e
iniziò l'era della materia. Quanto tempo è passato dal
Big-Bang? Dai 300.000 ai 700.000 anni. Ma occorre tener presente che ormai la densità
dell'Universo è scesa talmente che il tempo proprio di un osservatore di allora sarebbe
quasi uguale al tempo che segnano adesso i nostri orologi. Quindi mentre prima secondi o
frazioni di secondo erano in realtà intere ere, ora questi anni sono molto simili ai
nostri anni. Ma cosa avvenne di straordinario a 3.000 gradi Kelvin? Due cose,
importantissime per determinare la struttura dell'Universo attuale. L'agitazione termica
divenne insufficiente per tenere gli elettroni separati (in media) dai nuclei, così i
nuclei catturarono gli elettroni liberi formando atomi (leggeri! Il 75% era idrogeno, quasi il 25% elio, con poche
tracce di elementi più pesanti). Conseguentemente i fotoni furono liberi: come un'acqua
torbida imprigiona la luce, ma se il fango precipita l'acqua diviene limpida e
trasparente, così il fluido ionizzato "precipitò" con la cattura degli
elettroni e l'Universo divenne trasparente... E fu un colossale lampo di luce, luce a
3.000 gradi Kelvin. Questo enorme lampo, nei miliardi di anni che seguirono, si
raffreddò, come il resto dell'Universo. Eppure possiamo ancora vederlo con i nostri
strumenti, e in effetti lo abbiamo visto, debole e freddo ormai, a soli 3 gradi Kelvin
(270 gradi sotto lo zero del vostro termometro, appena 3 gradi sopra lo zero assoluto): è
la radiazione di fondo, che captiamo come micro-onde con lo spettro del corpo nero, con la
stessa intensità da ogni direzione del cosmo, il fossile della luce primordiale. Ma
appena la radiazione fu libera la sua pressione efficace, che aveva tenuto la materia in
uno stato "fluido", divenne insufficiente per contrastare l'attrazione
gravitazionale: la materia cominciò a raggrumarsi, il processo di formazione di stelle e
galassie ebbe inizio, ebbe inizio la nostra era, l'era della materia. E furono nebulose, e
ammassi, e galassie, e quasars e stelle di prima generazione. Un processo non ancora ben compreso,
nubi di idrogeno ed elio si addensarono formando strutture immense (in uno spazio che
continuava a crescere tutto intorno). Forse 5 miliardi di anni furono sufficienti per
avere strutture come quelle che osserviamo ora nei nostri telescopi (dato che la luce, pur
veloce, richiede tuttavia tempo per viaggiare ne segue che più lontano vediamo nello
spazio, più lontano vediamo nel tempo). Le prime stelle ardono ora nell'Universo,
gigantesche stelle di colore azzurrino, immense fornaci nucleari in cui l'idrogeno viene
trasformato in elio (e in energia e in luce). Ma il carburante nucleare non è
inesauribile: spenta la fornace, la tremenda e inesorabile morsa della gravità stringe la
materia e la porta a temperature e densità e pressione enormi. In questo crogiuolo si
creano gli atomi pesanti, ferro e oro, e piombo e uranio... quegli elementi che non si
erano creati all'inizio. E le stelle esplodono,
e dalle loro ceneri nuove stelle nascono. Le giganti azzurre di prima
generazione si trasformano (abbastanza velocemente, su scala cosmica) in super-nove,
esplodendo con gloria: il loro splendore uguaglia quello delle galassie! Le loro ceneri,
gas ribollenti, turbinano nello spazio, formando nuove ruotanti nebulose, ricche di tutti
i cento elementi chimici (per converso il loro cuore collassa, formando stelle di neutroni
e buchi neri). Dalle nebulose, lentamente, per attrazione gravitazionale, nuove stelle si
formano, le nostre stelle, bianche, dorate, rosse... e giganteschi pianeti di gas e
piccoli pianeti di roccia ruotano intorno a questi soli della seconda generazione. In una
di queste nebule, frutto di una esplosione stellare, 5 miliardi di anni fa, noi eravamo in
gestazione... * 4 miliardi e 700 milioni di anni
fa, collassa la nostra nebulosa protosolare * 4 miliardi e 500 milioni di anni
fa, si formano i pianeti, solidificano le rocce * 3 miliardi e 900 milioni di anni
fa, pianeta Terra, nasce la vita (microscopica), era archeozoica * 2 miliardi di anni fa, pianeta
Terra, si sviluppa una atmosfera ricca di ossigeno, era proterozoica * 1
miliardo di anni fa, pianeta Terra, nasce la vita macroscopica, era
paleozoica * 500 milioni di anni fa, pianeta
Terra, i primi pesci * 400 milioni di anni fa, pianeta
Terra, le prime piante di terraferma * 200 milioni di anni fa, pianeta
Terra, i primi mammiferi, era mesozoica * 60 milioni di anni fa, pianeta
Terra, i primi primati, era cenozoica * 5 milioni di anni fa, pianeta
Terra, i primi ominidi * 1 milione di anni fa, pianeta
Terra, homo sapiens (?) * 100 mila anni fa, pianeta Terra,
homo sapiens sapiens (??) * 6 mila anni fa (?), pianeta Terra,
prime città * pochi anni
fa, sbarco sulla Luna Da dove veniamo dunque? Bene, sembra che la
scienza abbia fornita una risposta alquanto dettagliata. Possiamo anche scegliere a
piacere uno dei momenti topici: siamo figli della singolarità, nati dal lampo di luce che
liberò la materia, forgiati nel cuore delle stelle, concepiti nella straziante agonia
delle super-nove. È veramente straordinario che in meno di 4 secoli di evoluzione
scientifica, siamo arrivati a dare risposta a quesiti così antichi e fondamentali. In
pochi anni abbiamo acquisito la conoscenza di cosa "le cose connette e muove e
perché" ( 4 ).
Sappiamo come e quando è nato l'Universo, come è strutturato, come funziona e (con
alcune incertezze) come finirà. Cosa è rimasto da scoprire? Ben poco, dettagli... Non
più misteri, non più sorprese. Ma è veramente così?
Va di moda parlare di "fine della scienza", una fine provocata dal
troppo successo della scienza stessa. Non è una novità: alla fine del secolo scorso,
dopo la "definitiva" sistemazione teorica della Meccanica e della Termodinamica,
dopo la elegante e geniale sintesi Maxwelliana dell'elettro-magnetismo, illustri
scienziati dicevano le stesse cose, grandi Fisici invitavano gli studenti brillanti a
cambiare campo di studio, visto che la Fisica era stata praticamente completata (quello
che rimaneva da fare era tecnica, ingegneria). Eppure nel giro di pochi anni, le
"rivoluzioni" della Relatività e soprattutto della Meccanica Quantistica
scossero dalle fondamenta il solido edificio di quella che ora è nota come Fisica
Classica. La Natura ha molte più sorprese di quante riusciamo ad immaginare... La
scienza, quella vera, poggia su un meccanismo ben collaudato di 'errore'
-> 'correzione dell'errore' ; detto in altri termini, gli scienziati sono (o
almeno dovrebbero essere) sempre pronti a buttare alle ortiche una brillante e collaudata
teoria alla luce di nuovi fatti; detto ancora in modo diverso: se uno scienziato vi dice
che una cosa è vera, voi aggiungete sempre mentalmente "alla luce delle conoscenze
attuali", se uno scienziato vi dice che una cosa è impossibile, interpretate
"impossibile oggi, chissà domani". La Scienza, e qui è la sua forza, è la
terra delle verità provvisorie. Quindi, tornando all'Universo (sigh), le cose sono andate
proprio così? Gran parte della serie di
eventi riportata sopra, ci viene dalle teorie cosmologiche attuali. Dubbio di fondo: ma la
Cosmologia è scienza? Da Galileo in poi, uno dei requisiti fondamentali affinché una
qualsiasi teoria possa essere definita "scientifica" è la ripetibilità, la
riproducibilità dei fenomeni (e degli esperimenti) trattati dalla teoria stessa.
Ovviamente, per sua natura, la Cosmologia non può godere di questo requisito (provate a
riprodurre il Big-Bang...). Una seconda proprietà di un "vera" teoria
scientifica è nella sua capacità di fare previsioni verificabili (o falsificabili) per
via sperimentale (ovvero una teoria scientifica non si deve limitare a
"spiegare" i fatti noti in un certo campo, altrimenti, essendo il numero dei
fatti noti necessariamente un numero "finito", benché eventualmente elevato,
basterebbe una "qualsiasi" teoria con un numero sufficiente di parametri liberi
per "spiegare" qualsiasi cosa). Ebbene, le "previsioni" cosmologiche,
pur incerte, riguardano comunque l'evoluzione finale dell' Universo e difficilmente saremo
là per verificarle (o falsificarle). Perché dunque la Cosmologia ha un fascino così
intenso presso i profani e soprattutto perché attrae un così alto numero di fisici
brillanti? Ovviamente perché il campo di studio è affascinante, e perché per un fisico è quasi irresistibile la
tentazione di portare al limite le conoscenze che abbiamo, estrapolare al massimo quello che sappiamo... E tuttavia
questo non è sufficiente per affermare che quanto ho cercato di riassumere sopra (con
qualche licenza poetica) sia vero. Innanzitutto si dovrebbe sottolineare che non esiste
una unica teoria Cosmologica. Al contrario: negli ultimi anni sono state sviluppate molte
teorie anche in forte contraddizione tra loro. Molte sono nate e , dopo aver brillato nei
mass-media e nei congressi di luce effimera, sono morte (senza eccessivi rimpianti). Altre
continuano a convivere, con altalenante fortuna. E proprio la difficoltà (se non
l'impossibilità) di applicare pienamente il metodo scientifico in questo campo, cioè di
sottoporre le teorie stesse al vaglio dell'esperimento, impedisce di discriminare le
teorie esistenti e permette il continuo proliferare di sempre nuove teorie. Per esempio,
accanto alla teoria del Big-Bang, con le sue numerose varianti, esiste (anch'essa con
alcune varianti) la teoria dello "stato stazionario", dovuta originalmente al
famoso astrofisico Fred Hoyle (anche noto come scrittore di fantascienza, nonché come
inventore del termine Big-Bang, che nelle sue intenzioni doveva avere però una accezione
ironico-spregiativa). Tale teoria dice, in estrema sintesi, che l' Universo non è nato
né finirà: era, è e sarà sempre uguale (in media). Tale teoria sembra però aver perso
(almeno momentaneamente) la sua battaglia (nel senso di Khun) contro il gruppo di teorie
(pur molto diverse tra di loro) che chiameremo globalmente teorie del Big-Bang (o
semplicemente Big-Bang). Ma quali sono le prove del Big-Bang? Dopotutto, se dobbiamo rinunciare alla piena
verificabilità sperimentale di una teoria cosmologica, dovremmo avere, per compenso,
forti motivi "a posteriori" per accettarne una. Detto diversamente: è vero che
non basta che una teoria spieghi dei fatti, tuttavia se i fatti (spiegati) sono numerosi e
importanti e la spiegazione è particolarmente elegante, saremmo di certo più confortati
nel dare fiducia alla teoria stessa (pur sempre con beneficio di inventario!). Su quali e
quanti fatti poggia dunque il Big-Bang? Sorprendentemente pochi, anzi in sostanza solo tre
(! ...sto parlando di fatti sperimentali che riguardano specificamente il Big-Bang, non
delle estrapolazioni teoriche tratte da altre teorie accettate, e in varia misura
sperimentalmente verificate e verificabili, come la Relatività Generale o la Quanto-Cromo-Dinamica, teorie ampiamente usate
nel creare la stessa "teoria del Big Bang"). Primo "fatto": abbiamo
scoperto (Hubble) che l'Universo si espande e che la velocità di allontanamento delle
Galassie è proporzionale alla loro distanza da noi (come nell'evangelico "a chi ha,
sarà dato", così le galassie più sono lontane maggiormente si allontanano).
Secondo "fatto": la abbondanza relativa di idrogeno\elio nell'Universo sembra
essere di tre a uno. Terzo "fatto": è stato rivelato un fondo di radiazione
omogeneo con lo spettro del corpo nero a circa tre gradi Kelvin . Esaminiamo questi
"fatti" con un po' di dettaglio (premettendo già che tutti e tre questi dati
possono essere ugualmente spiegati da teorie alternative al Big-Bang, come ad esempio
quella dello stato stazionario). Vediamo dunque. Primo: le altre galassie si allontanano
da noi e lo fanno in un modo specifico, cioè con velocità crescente in modo
proporzionale alla distanza. Da questo si potrebbe dedurre che noi siamo in qualche modo
il centro dell'Universo, ma questa ipotesi, dopo Copernico e Galileo, non è presa neanche
in considerazione dagli scienziati. Resta una spiegazione più semplice: le Galassie sono
(in media!) ferme ma lo spazio si sta "gonfiando". Non è difficile da capire. Prendiamo un elastico di 7 centimetri e disegniamo
una striscia nera ad una estremità cioè a zero centimetri, poi una striscia rossa ad un
centimetro, striscia arancione a due centimetri, gialla a tre centimetri, verde a 4 centimetri, blu a 5 centimetri, viola a
6 centimetri e infine bianca all'altra
estremità, cioè a 7 centimetri. Ora stiriamo l'elastico a velocità costante (per
esempio raddoppiandone la lunghezza ad ogni secondo). È ovvio che le strisce colorate,
pur ferme rispetto all'elastico (sono disegnate sull'elastico!) si allontaneranno tra
loro. Con che velocità ? Ricordiamo che la velocità (media) di un punto rispetto ad un
altro è data dalla variazione della distanza tra i due punti diviso il tempo in cui tale
variazione si è verificata. Mettiamoci "a cavallo" della striscia gialla e
guardiamo allontanarsi tutte le altre strisce. Bene, la rossa, che era alla nostra
sinistra di un cm., dopo un secondo sarà sempre a sinistra ma a due cm. (la lunghezza
dell'elastico è raddoppiata!). Quindi
diciamo che si sta allontanando da noi verso sinistra alla velocità di 1 cm\sec (un
centimetro al secondo). Che cosa succede alla striscia verde alla nostra destra? Era ad un cm. poi dopo un secondo a due cm. e
quindi anche essa si allontana da noi sempre alla velocità di 1 cm\sec ma verso destra.
Vediamo ora le strisce a distanze diverse. La
striscia blu era a 2 cm., dopo un secondo è a 4 cm.: quindi si sta allontanando da noi
alla velocità di 2 cm\sec, esattamente il doppio della velocità della striscia verde,
dato che doppia era la distanza iniziale; la striscia viola era a 3 cm., dopo un secondo
è a 6 cm. e quindi viaggia a 3 cm\sec, tre volte la velocità della striscia verde come
tre volte era la distanza iniziale. È anche chiaro che se avessimo cambiato la nostra
posizione, per esempio se ci fossimo posti "a cavallo" della striscia verde,
avremmo visto qualitativamente la stessa cosa, cioè la striscia gialla, posta all'inizio
a 1 cm alla nostra sinistra , si sarebbe allontanata da noi alla velocità di 1 cm\sec
verso sinistra, la striscia viola posta inizialmente a 2 cm. a destra si sarebbe
allontanata da noi verso destra con velocità doppia e così via. Cioè tutte le strisce
si allontanano da tutte le altre strisce, con velocità proporzionale alla loro distanza.
Immaginiamo ora elastici in tutte le direzioni e immaginiamo che le strisce siano
galassie: il loro peculiare moto di recessione non richiede quindi un centro dell'Universo
ma solo uno "stiramento" degli elastici, cioè una espansione dello spazio.
Elegante e convincente, tanto più che quando Hubble scoprì questo moto di recessione
negli anni venti erano già note soluzioni delle equazioni della Relatività Generale che,
con grande scorno di Einstein stesso, "prevedevano" un Universo in espansione
(Einstein credeva, come quasi tutti i Fisici allora, che l'Universo fosse eterno e
stazionario, tanto che modificò le sue equazioni introducendo una misteriosa
"costante cosmologica" in modo da ottenere soluzioni che si adattassero a questo
suo pre-giudizio...). Questa concomitanza tra sorprendenti osservazioni astronomiche e una
soluzione teorica già nota fu irresistibile: l'espansione dell'Universo divenne un
"fatto" indiscutibile! E quale era la "conseguenza logica" di questa
espansione? "Se l'Universo sta
diventando più grande, evidentemente prima era più piccolo (logica di Catalano), e
quindi all'inizio piccolissimissimo: una singolarità". Penso che a nessuno sfugga la
forzatura in questa deduzione. Se qualcosa sta crescendo è certamente vero che per un
certo tempo precedente doveva essere più piccola, ma non necessariamente per tutto il
tempo (i palloni possono essere gonfiati e sgonfiati a piacere... e in effetti sono stati
proposti modelli "oscillanti" dell'Universo). Ma, soprattutto, nessuno si
sognerebbe di dire che un albero che cresce, un pallone che si gonfia, all'inizio
dovessero essere una singolarità. Questa parte non è evidentemente frutto dell'evidenza
sperimentale, bensì delle peculiari soluzioni delle equazioni di campo relativistiche
(sottolineo, non le uniche soluzioni e comunque soluzioni di una teoria che è sicuramente
incompleta - nessuno infatti è finora riuscito a conciliare la relatività generale con
la meccanica quantistica - e comunque , anche nei suoi limiti, non ancora unanimemente
accettata dalla comunità scientifica). È dunque chiaro che questa "evidenza
sperimentale" a favore del Big-Bang sia quantomeno fragile (e spero che sia altresì
chiaro come le cosiddette "verità scientifiche", che in genere vengono
ammannite al pubblico e dal pubblico recepite come "assolute", se viste anche
solo un po' più da vicino, diventano più sfumate, mediate, problematiche). Ma vi è
anche un problema più serio, un problema tecnico che dovrò necessariamente trattare in
modo molto superficiale. È il problema della misurazione delle distanze in astronomia. In
realtà siamo in grado di misurare in modo sicuro (cioè con collaudate tecniche di
misurazione) le distanze di stelle fino a soli pochi anni luce. Si pensi per converso che
solo il diametro della nostra galassia è (sembra!) di 100.000 anni luce, che la galassia
più vicina è a milioni di anni luce, che la nostra galassia fa parte di un ammasso di
galassie che fa parte di un super-ammasso di ammassi di galassie... e che gli oggetti più
lontani "visti" sono a 15 miliardi di anni luce... Come facciamo a saperlo? Come
facciamo a misurarlo? Sono stati sviluppati metodi, molto ingegnosi, molto complicati e
molto teoria-dipendenti (e quindi poco sperimentali) per misurare le distanze
astronomiche, metodi che pensiamo validi almeno all'interno del nostro gruppo di galassie.
Questi metodi, per loro natura, sono sottoposti a continue revisioni mano mano che
cambiano le nostre conoscenze teoriche. In effetti il valore "vero" della
costante di Hubble, che misura la velocità di recessione delle galassie e quindi,
indirettamente, l'età presunta dell'Universo, ci è ancora ignoto: la stima di questa
costante (e quindi dell'età dell'Universo) è
cambiata anche in modo considerevole nel corso degli anni, tantochè inizialmente sembrava
che l'Universo non potesse avere più di 5\10 miliardi di anni, in aperto contrasto con
l'età della terra, stimata dal decadimento dei materiali radioattivi, e soprattutto con
la distanza\età di alcuni oggetti astronomici che risultavano paradossalmente più vecchi
dell'Universo! Per le distanze davvero grandi esiste in realtà un solo metodo di
misurazione: la misurazione del red-shift, cioè dello spostamento a frequenze più basse
del normale della luce emessa da una sorgente in allontanamento, spostamento dovuto al ben
noto "effetto Doppler" (per
capirci, è lo stesso fenomeno per cui il suono di una sirena in avvicinamento sembra più
acuto <blu-shift>, mentre se la sirena si allontana il suono sembra più cupo
<red-shift>). Quindi Hubble e i suoi epigoni, in realtà, misurano i red-shift delle
galassie: poi, supponendo che tali red-shifts siano dovuti ad effetto Doppler e quindi ad
un allontanamento delle galassie stesse, deducono, da note formule, la velocità di
allontanamento. Confrontando queste velocità con le distanze delle Galassie, quando
queste distanze possono essere misurate indipendentemente!, si deduce la legge di Hubble,
cioè la proporzionalità distanza\velocità di recessione. Notare che la fascia di
distanze per cui questo è possibile è molto limitata: infatti i moti locali,
indipendenti dalla eventuale espansione dell'Universo, fanno sì che molte galassie vicine
non seguano affatto la legge di Hubble (addirittura molte galassie sono in avvicinamento
alla nostra e mostrano quindi un blu-shift) mentre per galassie molto lontane di fatto non
esistono metodi per misurarne la distanza... a meno che... a meno che non si prenda per
buona la legge di Hubble stessa e quindi dal red-shift si ricavi la velocità e dalla
velocità la distanza. Capirete che il dubbio di essere caduti in un vizioso ragionamento
circolare è difficile da eliminare: la legge di Hubble ci dice che la velocità è
proporzionale alla distanza ma la distanza è calcolata usando la legge di Hubble! (J.
Hart, nei suoi fumetti su simpatici omini primitivi, mette spesso il protagonista, B.C.,
alle prese con un vocabolario, ovviamente di pietra!, in cui trova definizioni del tipo:
"animale: vedi essere animato", "essere animato: vedi animale"). Chi
ci dice che la legge di Hubble possa essere estrapolata a distanze (e conseguentemente a
tempi) molto maggiori di quelle in cui è stata (difficoltosamente) derivata? Il red-shift
di numerosissime Galassie è veramente frutto del solo effetto-Doppler? Le galassie si
stanno effettivamente allontanando? Esistono spiegazioni alternative per tutto questo? La
risposta è SI: esistono spiegazioni alternative e per il red-shift e per la recessione
delle galassie (senza dover ricorrere al Big-Bang). Di più: da decenni uno scienziato
tedesco, H. C. Arp (già collaboratore di Hoyle) sta sostenendo (e perdendo) una impari
lotta con l'establishment scientifico, accusando quest'ultimo di ignorare volutamente dati
sperimentali in contraddizione con le teorie "in vigore". Se fosse vero, sarebbe
gravissimo: un vero tradimento dello "spirito" e della deontologia
scientifica... Ma che cosa ha scoperto Arp, già negli anni '70, che sembra così
difficile da accettare? Semplicemente che alcuni oggetti stellari (quasars) con altissimi
red-shift e quindi, secondo le teorie attuali, "ipso facto" lontanissimi e
antichissimi, risulterebbero in realtà collegati, fisicamente congiunti, a galassie con
bassi red-shift, e quindi molto più giovani e vicine... Ergo, se così fosse, il
red-shift non sarebbe atto a misurare le distanze delle galassie e il primo "fatto
sperimentale" su cui poggia la teoria del Big-Bang, non sarebbe affatto un
"fatto". Veniamo ora al secondo "fatto" alla base delle teorie del
Big-Bang, cioè l'abbondanza stimata degli elementi leggeri, idrogeno ed elio,
nell'Universo (circa il 25% di elio, il resto quasi tutto idrogeno). Perché questo dato
è portato a prova del Big-Bang? Perché calcoli teorici già negli anni '60, riuscirono a
stimare che, grosso modo, questa dovrebbe essere la percentuale frutto della nucleosintesi
nei tre primi tre minuti di vita dell'Universo (ovviamente ipotizzando che ci fu il
Big-Bang!). In sé, questa stima teorica, basata sulle nostre conoscenze attuali della
fisica delle alte energie, è mirabile. E tuttavia la Natura e la Scienza sono ricche di
sorprese... Infatti è sempre più largamente accettato nella comunità scientifica che,
per spiegare anomalie gravitazionali sperimentalmente osservate, si debba ritenere che per
ora riusciamo a vedere solo una piccola frazione della materia presente nell'Universo,
circa il 10%. In altri termini, non vediamo, con i nostri strumenti, ben il 90% della
materia dell'Universo! La caccia sperimentale e teorica a questa "materia
oscura" è in corso, tuttavia sembra chiaro che le sue proprietà dovrebbero essere
assai "esotiche" e sorprendenti, mentre non è affatto chiaro come collocare la
genesi di tale materia nell'ambito del Big-Bang. Veniamo al terzo "fatto": la
radiazione di fondo, il fossile del "fiat lux". Il grande fisico Gamow in una
prima rudimentale teoria del Big-Bang già negli anni '40 aveva ipotizzato l'esistenza di
una radiazione di fondo a micro-onde come residuo della esplosione iniziale. Tale
radiazione fu poi scoperta accidentalmente (come spesso avviene) da Penzias e Wilson, a
metà degli anni '60 (tra parentesi, ci guadagnarono un Nobel...). La scoperta fu
considerata la prova decisiva a favore del Big-Bang. Perché è così peculiare questa
radiazione? Perché sembra non avere una sorgente definita, sembra venire da tutte le
direzioni, e mostra la struttura caratteristica del "corpo nero", cioè di una
fonte originale in equilibrio termico a una temperatura che ora è bassissima (270 gradi
centigradi sotto lo zero) ma che, considerando le correzioni dovute al red-shift (ancora!)
, potrebbe essere stata inizialmente molto alta. La radiazione di fondo potrebbe ben
venire da un inizio di Universo caldissimo. Il punto principale comunque è la omogeneità
di tale radiazione, che è difficile da spiegare senza una espansione dello spazio, mentre
è naturale nel contesto del Big-Bang. Proviamo a spiegare con una analogia: immaginate di
avere un grande pallone omogeneamente colorato di un pallido rosso. Immaginate di sapere
che è stato colorato con un piccolo pennello: tuttavia, per quanto lo guardate
attentamente da vicino, non riuscite a scorgere traccia delle singole pennellate.
Pensereste sicuramente che tale uniformità deve essere stata molto difficile da ottenere,
che sia quindi opera di un grande maestro del pennello... Invece no, è facile: basta
infatti colorare il pallone quando questo è completamente sgonfio e la superficie è
molto piccola. Solo dopo si gonfia il pallone e così le piccole inevitabili imperfezioni
si diluiranno su una superficie molto vasta diventando in pratica impercettibili (questa
analogia offre un altro spunto: se il colore era rosso acceso, una volta gonfiato il
pallone l'intensità del colore diminuirà, così come è diminuita la temperatura della
radiazione). Bello e convincente. E tuttavia... e tuttavia, guardando più attentamente,
quelle piccole variazioni\imperfezioni devono esserci: le abbiamo di fatto cercate con
speciali satelliti ma sono risultate molto più piccole di quanto si pensasse. Così uno
dei punti di forza del Big-Bang è inopinatamente divenuto un problema per la teoria
stessa. Infatti una radiazione di fondo troppo omogenea è indice di uno stato iniziale di
quella che abbiamo chiamato "era della materia" molto omogeneo. Ma l'Universo
attuale non è affatto omogeneo, neanche su grande scala. Come già detto, abbiamo stelle
e galassie e ammassi di galassie e ammassi di ammassi e superstrutture veramente giganti ,
come la cosiddetta "grande parete", inframmezzate da zone di vuoto altrettanto
enormi (qualcuno ha recentemente ipotizzato che l'Universo abbia una struttura frattale).
Allora come si sono formate queste strutture da uno stato iniziale altamente uniforme?
Benché sappiamo veramente poco sulla genesi delle Galassie, è stato calcolato che la
formazione di un super-ammasso del diametro di 2,5 miliardi di anni luce richiederebbe
almeno 100 miliardi di anni. Bene, tali super-ammassi esistono e quindi dovrebbero essere
ben più vecchi dell'Universo stesso... se il Big-Bang ci fu veramente. Sorvolerò su
altri problemi, pur attuali e importanti e su alcune teorie ben più fanta-scientifiche
del Big-Bang stesso. Solo alcuni cenni. Abbiamo detto che dall'energia si può formare
materia: vero, ma la materia nasce sempre accoppiata con una pari quantità di
antimateria, un elettrone nasce sempre insieme ad un
positrone, un quark insieme ad un antiquark. Così il mondo può nascere dal
"nulla", ma strettamente abbracciato all'anti-mondo. Eppure non vediamo traccia
di questo anti-mondo, l'unica anti-materia che abbiamo osservato è stata creata,
recentemente e in piccole quantità e per tempi brevissimi, nei nostri laboratori. Che
fine ha fatto quindi l'antimateria? Nonostante alcuni contorti tentativi di spiegazione
proposti, in realtà non lo sappiamo. Ci sono poi altri problemi "tecnici" in
parte risolti dall'inflazione, in parte ancora misteriosi. Degno di nota è quello delle
condizioni iniziali e delle "costanti". In estrema sintesi: si pensa che le
leggi che regolano questo Universo e il valore delle costanti fondamentali che regolano
l'azione di tale leggi siano "emerse" insieme all'Universo stesso nel Big-Bang
(nel senso che, se potessimo replicare il Big-Bang, avremmo altre leggi e altre costanti ( 5 ) ). Il punto è che la "regolazione", il "tuning"
di tali leggi e del valore di tali costanti (la G della gravitazione, la h di Planck, la
costante di struttura fine...) appaiono troppo "perfetti" per essere frutto del
caso. Spiego: è stato osservato che se cambiassimo anche di pochissimo il valore anche di
una sola di tali costanti, l'Universo risultante sarebbe diversissimo da quello attuale.
Di più e sorprendentemente: nella stragrande maggioranza di queste possibili variazioni,
l'Universo risultante sarebbe immensamente squallido! Piccolissimo, o senza materia, o
troppo freddo o dalla vita troppo breve... Mistero! chi ha regolato le cose in modo così
mirabile da ottenere un improbabile Universo "interessante", come quello in cui
viviamo? Un tema diventato caro agli scrittori di fantascienza (anche perché spesso la
fantascienza è scritta da scienziati, che hanno così modo di divulgare idee estreme, non
pubblicabili ancora su riviste scientifiche...) ma un tema popolare anche nei convegni di
Cosmologia. Una possibile "spiegazione" è nella serie di teorie che prevedono
molti (infiniti?) Universi , o in successione (i respiri di Brahma, creazione e pralaya si
susseguono in diverse ere cosmiche), oppure coesistenti (schiume di Universi, noi saremmo
semplicemente in una delle tante, forse infinite, "bolle"). Se infatti il nostro fosse solo uno degli Universi
possibili o in atto, potrebbe scattare il "principio antropico": non ci deve
meravigliare che la nostra esistenza è molto, molto improbabile; infatti, dato che ci
siamo, ovviamente siamo in uno di quei pochissimi Universi in cui la nostra esistenza è
possibile... Scienza? Filosofia? Tautologia? Forse poesia? I confini sono sfumati... e
dunque, ancora, da dove veniamo? Io credo che la risposta più onesta per uno scienziato
sia: non lo sappiamo, dati insufficienti. Dati insufficienti. ( 1 ) Diceva Aristotele, l'infinito in atto non
può darsi... L'infinito è solo in potenza, un seme che può svilupparsi ma mai arrivare
a frutto. I matematici moderni hanno superato questo sbarramento. Esempi di infinito
matematico :
Cantor, che introdusse le gerarchie
dell'infinito, morì pazzo. Ma ora un nuovo campo numerico, il campo dei numeri surreali,
tratta gli infiniti (e gli infinitesimi, cioè le quantità che sono quasi zero, i vari
gradi del nulla...), con la stessa familiarità con cui la massaia fa i conti della spesa
con i numeri "naturali". I Fisici tuttavia hanno sempre
pensato che la Natura sia "finita": se il risultato di un calcolo,
l'interpretazione di un esperimento, la previsione di una teoria, danno una quantità
infinita (energia, massa, carica o quantaltro) va supposto che qualcosa non va... che c'è del marcio in Danimarca (o nel
calcolo, nell'esperimento, nella teoria). La più potente, sperimentalmente verificata ed
elegante teoria fisica, l 'elettrodinamica quantistica, nasce dopo anni di inenarrabili
sforzi per "rinormalizzarla", cioè, con le parole di R. Feynmann, estroso
premio Nobel, per nascondere la polvere (gli infiniti) sotto il tappetino. ( 2 ) Namanide (Moses ben Nahaman, 1194-1270,
commentatore biblico nella tradizione della Cabala),
Genesi 1, 4-5, "
Commentary on the Torah" , ed. C. Chavel , the Rav Kook Institute, Jerusalem 1958. ( 3 ) Galileo aveva detto già all'inizio della scienza
(occidentale) moderna che il libro della Natura è scritto in linguaggio matematico.
Perché ? è ancora un mistero. Due posizioni
estreme sono oggi considerate: per gli uni la matematica è una nostra invenzione,
inventata in gran parte per descrivere il mondo e non fa quindi meraviglia che in effetti
descriva abbastanza bene il mondo...; per gli altri (platonici, per intenderci) le verità
matematiche esistono per sé, e vengono quindi non create ma solo scoperte dagli uomini
(il teorema di Pitagora, gli spazi di Hilbert esistono in qualche mondo ideale, Pitagora e
Hilbert li hanno "visti" ma non creati, eventuali alieni avrebbero anche loro la
nostra stessa matematica). Ovviamente nel secondo caso è difficile spiegare la
straordinaria rispondenza tra matematica e realtà, se non prendendo in considerazione un
piano, un progetto, forse un fine per la realtà stessa ( e quindi implicitamente, è
necessario un Demiurgo, un architetto, un creatore). Una disamina approfondita è nel bel
libro di J. D. Barrow: "La luna nel pozzo cosmico", ADELPHI, Biblioteca
Scientifica 20, Milano, 1994 ( 4 ) Bruma, Me(ta)Faust, Prologo in terra. ( 5 ) Problema: questa formazione è essa stessa regolata da super-leggi? Mario Bruschi Tratto dal libro: "Le tre anime - chi siamo... da dove veniamo... dove andiamo" S. Nievo, M. Bruschi, U. di Grazia - Armando Editore |
|||||||||||||||
![]()
La scienza
rubrica del sito www.coscienza.org