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L'EVOLUZIONE DEL MODELLO
DI UNIVERSO Parte I L'uomo per secoli ha ritenuto che l'Universo fosse fisso ed
La teoria della Relatività Generale di Albert Einstein (1916) ha
rappresentato il fondamento della cosmologia moderna, ma i progressi maggiori
nella comprensione della conformazione generale dell'Universo e della sua
evoluzione si sono avuti solo negli ultimi due decenni del secolo scorso, grazie
soprattutto alle nuove conoscenze sulla struttura intima della materia e sulle
proprietà delle forze. Queste nuove acquisizioni hanno consentito non solo una
descrizione più precisa e dettagliata dell'Universo nel suo insieme, ma anche,
per la prima volta, una spiegazione rigorosamente scientifica della sua origine
vera e propria.
Per farsi un'idea concreta della nuova teoria si può immaginare lo
spazio rappresentato da un materasso di gommapiuma, sul quale siano stati posti
alcuni oggetti massicci che, con il loro peso, provocano delle depressioni entro
le quali tendono a scivolare gli oggetti vicini. Quindi l'attrazione tra gli
oggetti non è prodotta da forze che agiscono a distanza e istantaneamente, come
pensava Newton, ma è semplicemente la conseguenza di una particolare
configurazione che lo spazio assume a causa della presenza in esso di oggetti
massicci.
Ora però, se lo spazio tridimensionale tende spontaneamente ad
incurvarsi, esso dovrebbe disporre di una quarta dimensione entro cui poterlo
fare, così come un piano bidimensionale, per esempio un foglio di carta, ha
bisogno di una terza dimensione per potersi ripiegare. Da qui nasce l'esigenza
di individuare una quarta dimensione da aggiungere alle tre di cui abbiamo
esperienza diretta. Einstein pensò al tempo, ma non ad esso in quanto tale,
bensì al tempo come vera e propria dimensione spaziale. Questa quarta
dimensione tuttavia differisce dalle altre in quanto è caratterizzata da
un’unica direzione: essa va solo in avanti.
Ora, avendo sostituito al concetto di forza quello di spazio deformato,
Einstein venne in possesso di tutto ciò che era necessario per descrivere
l'Universo nella sua globalità. Se la materia distorce localmente lo spazio -
egli ragionò - non è da escludere che la stessa, nel suo insieme, non possa
conferire una curvatura generale all'Universo intero, determinandone l'aspetto.
In questo modo il fisico tedesco pervenne al suo modello di Universo curvo
quadridimensionale, una struttura che sfugge tuttavia alla nostra capacità di
visualizzazione. Un'immagine bidimensionale può però servire a rappresentare
in modo intuitivo le caratteristiche del modello einsteiniano di Universo.
Pensiamo allora ad un Universo piatto ma curvo, come è ad esempio la
superficie terrestre, su cui possa muoversi una formica che, per le ridotte
dimensioni, possiamo anch’essa immaginare piatta. La nostra formica
bidimensionale potrà muoversi in ogni direzione, tornare a percorrere cammini
già percorsi e fare eventualmente anche il giro completo della Terra senza
incontrare mai ostacoli o cadere nel vuoto. Da questo punto di vista, la
superficie della Terra è illimitata, ma nello stesso tempo finita perché, per
quanto grande (soprattutto per la formica), è pur sempre misurabile. Allo
stesso modo l'Universo a quattro dimensioni, che scaturisce dalla teoria della
Relatività Generale, è illimitato e finito, potrebbe cioè essere percorso in
tutte le direzioni senza mai incontrare barriere o confini, e tuttavia avere
dimensioni misurabili, anche se enormi.
Einstein, tuttavia, era condizionato dal pregiudizio che l'Universo fosse
fisso ed immutabile. Questo convincimento affondava le sue radici nei tempi più
antichi e lo stesso Newton ne fu vittima quando, per impedire che l'attrazione
reciproca delle masse presenti in esso potesse condurre ad un collasso generale,
fu costretto ad ammettere una distesa indefinita di stelle in modo che ciascuna
di esse fosse attratta da tutte le parti da infinite altre. Anche le equazioni
conseguenti alla teoria della Relatività Generale descrivevano in termini
matematici l'attrazione reciproca dei corpi, cioè sostanzialmente un movimento
di contrazione, e pertanto Einstein, per fare in modo che l'Universo intero non
precipitasse su sé stesso, inserì nei calcoli un termine ad
hoc, la cosiddetta «costante cosmologica», con il ruolo di forza
antigravitazionale. Questa avrebbe dovuto assolvere lo stesso ruolo che, nel
modello di Newton, svolgeva la presenza di un numero infinito di stelle. Di
questo aggiustamento il fisico tedesco dovrà però pentirsi.
Frattanto, nonostante i pregiudizi e le apparenze contrarie, si andava
facendo strada il convincimento che l'Universo non fosse fisso, immutabile ed
eterno, ma che si andasse evolvendo nel tempo. E infatti, proprio nello stesso
anno in cui Einstein prospettava il suo modello di Universo statico (siamo nel
1917) un astronomo olandese, di nome Willem de Sitter, dimostrò che una
soluzione delle equazioni della Relatività Generale suggeriva la possibilità
di un Universo in espansione. Poco più tardi, il fisico e matematico russo
Aleksandr Fridmann chiarì che le equazioni di Einstein conducevano, in modo
spontaneo, ad una struttura inequivocabilmente instabile di Universo come
potrebbe essere ad esempio quella di una matita in equilibrio sulla punta.
Infine, nel 1927, il prete-scienziato di nazionalità belga Georges Lemaître,
sempre servendosi della stessa teoria di Einstein, non solo rilanciò l'idea di
un Universo in espansione, ma si spinse ben oltre immaginandone l'origine da un
«atomo primordiale», cioè da un gigantesco ammasso di densità elevatissima
che avrebbe dovuto racchiudere in sé, all'inizio dei tempi, tutta la materia e
tutta l'energia che oggi è distribuita nelle stelle e negli spazi
interstellari. Raccogliendo e comprimendo tutta la materia sparsa
nell’Universo, egli calcolò che si sarebbe formato un corpo compatto grande
quanto il Sistema solare.
I modelli teorici, tuttavia, non sono sufficienti da soli a fornire una
visione completa dei fenomeni naturali: nella scienza servono anche, e
soprattutto, i riscontri oggettivi che, anche in questo caso, non tardarono a
venire. Parte II L'osservazione del moto radiale delle
Galassie dimostra,
Nel
L'allontanamento di tutte le galassie non significa necessariamente che
noi, con la nostra, ci troviamo in posizione centrale (la visione di questo
allontanamento sarebbe infatti identica in qualunque punto dello spazio ci si
ponesse), né che le galassie si stanno muovendo attraverso gli spazi. Per farci
un'idea concreta del fenomeno bisogna pensare alle galassie come si trattasse di
acini di uvetta passa dentro un panettone che sta lievitando: su qualsiasi acino
si fissasse l’attenzione si vedrebbero tutti gli altri intorno che si
allontanano da esso. Inoltre, pur spostandosi reciprocamente, gli acini di uva
passa non viaggiano attraverso l’impasto, ma il loro movimento è determinato
semplicemente dall’espandersi della pasta che lievita, cioè da quello che
nella similitudine consideriamo essere lo spazio.
In seguito all'osservazione dell'allontanamento delle galassie lo stesso
Einstein accettò l'idea di un Universo in espansione e riconobbe di aver
commesso l'errore più grave della sua carriera scientifica quando cercò di
modificare le equazioni della sua teoria (con l'introduzione del termine
cosmologico) al fine di fornire un modello di Universo statico.
Dalla valutazione delle distanze delle galassie, delle loro velocità di
allontanamento e del tasso di decelerazione conseguente all'attrazione
gravitazionale prodotta dagli stessi corpi celesti, gli astronomi riuscirono
anche a determinare il tempo trascorso dall'epoca in cui gli ammassi di stelle
dovevano essere tutti molto vicini tra loro. Quel tempo venne calcolato in circa
15 miliardi di anni, e rappresenterebbe per l’appunto l'età dell'Universo.
Nel 1948 il fisico russo George Gamow (allievo di Aleksandr Fridmann),
rifugiatosi per motivi politici in Europa, e successivamente trasferitosi negli
Stati Uniti, modernizzò e perfezionò la teoria dell'Universo in espansione di
Lemaître, che in seguito prese il nome di «modello del Big Bang», cioè del grande
botto, un appellativo che gli fu assegnato in termini scherzosi
dall’astronomo inglese Fred Hoyle (1915-2001) per mettere in ridicolo la
teoria che lui riteneva inconsistente. Il termine invece piacque ai suoi
sostenitori, venne divulgato e finì per perdere la connotazione negativa con la
quale era stato proposto.
Gamow rappresenta il classico esempio di genio e
sregolatezza. Egli fu uno studioso attivo in vari campi del sapere scientifico
(fra l'altro fu colui che per primo intuì l'importanza biologica del DNA e ne
suggerì anche la forma), oltre che un apprezzato divulgatore. Morì
prematuramente, per gli eccessi dell'alcol, lasciando in molti il convincimento
che fosse stato defraudato, in più occasioni, del premio Nobel. Una di queste
si riferisce alla scoperta della radiazione di fondo di 3 K da parte di due
tecnici dei Bell Telephone Laboratories (la società privata americana dei
telefoni), Arno Penzias e Robert Wilson, nel 1965.
L'esistenza di una tale radiazione, che doveva rappresentare il residuo
raffreddato di quello che era stato il globo di fuoco dell'esplosione iniziale,
era stata suggerita, molto tempo prima, dallo stesso Gamow, come effetto della
continua espansione e del conseguente lento e graduale raffreddamento
dell'Universo. Secondo il modello del Big Bang,
insieme con l’espansione dello spazio, avrebbe dovuto dilatarsi anche l’onda
elettromagnetica, la quale, nei primi istanti di vita dell’Universo doveva
essere cortissima e carica di energia, ma l’espansione la rese più lunga fino
a farla diventare pari a quella che emergerebbe da un corpo molto freddo (per
l’appunto alla temperatura di 3 gradi assoluti, cioè 270 °C
sotto zero). Ma di ciò non venne mai fatto cenno
nelle relazioni che seguirono alle osservazioni dei due tecnici americani.
L'Universo non esisterebbe quindi da sempre, ma sarebbe il risultato di
una enorme esplosione avvenuta all'incirca 15 miliardi di anni fa. Il modello
del Big Bang, suggerito da Gamow, è in grado tuttavia di descrivere, in modo
soddisfacente, l’evoluzione dell’Universo solo da un certo momento in poi, e
non fin dal suo primo istante di vita. Cerchiamo di spiegarne la ragione.
Il modello di Gamow è detto classico (o standard) in quanto si fonda
sulle leggi della fisica classica, cioè su leggi che riguardano i fenomeni
macroscopici della natura e che quindi non sono in grado di descrivere l'aspetto
dell'Universo fin dall'atto della sua creazione, quando, verosimilmente, doveva
essere molto piccolo e caratterizzato da materia in condizioni fisiche molto
particolari.
In verità è lo stesso modello proposto da Gamow a suggerire che,
all'atto della sua formazione, l'Universo doveva possedere un aspetto fisico del
tutto eccezionale, con la materia tutta concentrata in uno spazio esiguo e
sottoposta a temperature elevatissime. Per descrivere il comportamento della
materia in quelle condizioni estreme sarebbe fuorviante fare ricorso alle leggi
della fisica classica, perché quelle leggi perdono di validità quando vengono
applicate a situazioni diverse da quelle entro le quali sono state ricavate.
Ma gli astronomi, nonostante tutte le difficoltà di carattere
concettuale, non si arresero davanti all'evidenza e tentarono comunque di
spingersi indietro nel tempo fino al momento della creazione dell'Universo, per
cercare di capire come questa avrebbe potuto aver luogo. Che cosa poteva essere
accaduto nell'istante stesso del Big Bang? Che forma e che consistenza avrebbe
dovuto avere l'Universo nel suo stato iniziale? Che cosa eventualmente vi fu
prima di tale evento?
Tutte domande molto impegnative, ma anche molto affascinanti e per le
quali, in un primo tempo, sembrava non dovessero esserci risposte adeguate. Oggi
però esiste la possibilità, senza scivolare nella metafisica, di rispondere
anche a domande di questo tipo. I fisici dispongono infatti di nuove teorie, le
quali descrivono con rigore il mondo microscopico degli atomi e delle particelle
subatomiche. Parte III All'inizio dei tempi l'Universo doveva
essere di dimensioni ridottissime
In base al modello standard del Big Bang, all'atto della sua
"creazione", cioè al tempo zero, l’Universo avrebbe dovuto avere
tutta la materia concentrata in un punto privo di dimensioni. Questa entità di
estensione nulla, avrebbe dovuto essere nello stesso tempo infinitamente pesante
e infinitamente calda: una situazione, come è facile capire, assurda, perché
in natura nulla può essere ridotto a zero come nulla può essere ingrandito
fino a fargli assumere dimensioni infinite. In realtà, questa particolare
condizione dell'Universo primordiale era stata ricavata per via puramente
matematica e non aveva quindi una sua consistenza fisica. Essa venne detta «singolarità»,
con chiaro riferimento alle sue caratteristiche di unicità.
I fisici teorici di nazionalità inglese Roger Penrose (1931- ) e Stephen
Hawking (1942- ) hanno dimostrato che la soluzione delle equazioni di Einstein
porta inequivocabilmente a tale risultato. Ma come è possibile, ci si chiese,
immaginare un oggetto di dimensioni nulle e, contemporaneamente, di densità
infinita? La risposta l'abbiamo già data: non è possibile! Tuttavia ciò non
vuole dire affatto che di un argomento del genere non si possa discutere al fine
di individuare una eventuale soluzione del problema: vuol dire semplicemente che
il modello standard del Big Bang è inadeguato quando lo si voglia utilizzare
per descrivere l'origine vera e propria dell'Universo.
Ben lungi dal disarmare di fronte a difficoltà concettuali, i fisici
hanno invece considerato, quello della singolarità, un problema stimolante che
aveva bisogno, per essere risolto, di idee originali e coraggiose. E in effetti
le risposte appropriate e scientificamente corrette vennero fornite, alla fine,
da una teoria, la meccanica quantistica, che era stata ideata già all'inizio
del Novecento dal fisico tedesco Max Planck (1858-1947), ma che, prima di allora
mai nessuno aveva pensato di utilizzare per spiegare l'origine dell'Universo.
Planck scoprì, non senza stupore, che un corpo radiante, come potrebbe
essere ad esempio il filo incandescente di una lampadina, emetteva energia in
quantità discrete e non con flusso continuo e graduale come suggeriva la teoria
di quel tempo. La luce infatti, e tutta la radiazione elettromagnetica in
genere, quindi anche le onde radio, i raggi X, le microonde e così via, era
interpretata, con piena soddisfazione di tutti, come si trattasse di un fenomeno
ondulatorio. Ora però Planck scopriva che, in alcuni casi, una tale teoria non
poteva essere accettata, perché la radiazione mostrava un comportamento
particellare, quindi antitetico a quello ondulatorio. I corpuscoli di energia a
cui Planck dette il nome di «quanti», furono in seguito ribattezzati «fotoni»
da Einstein.
Poco tempo dopo, un giovane aristocratico francese, con lontane origini
italiane, certo Louis Victor de Broglie, morto nel 1987 alla bella età di 95
anni, ipotizzò nella sua tesi di laurea che, se la radiazione elettromagnetica
si comportava in duplice modo (cioè come onda e come particella), anche gli
oggetti materiali, e in particolare gli elettroni, forse possedevano la doppia
natura. In effetti gli esperimenti dimostrarono in modo inequivocabile che gli
elettroni, oltre al normale comportamento particellare, presentano anche quello
ondulatorio. In seguito fu osservata la natura ondulatoria di altre particelle
materiali, ma sempre di piccole dimensioni.
Nasceva in questo modo un dualismo onda-corpuscolo sia della radiazione,
sia della materia ed essa metteva in luce come le teorie, impiegate per spiegare
i fenomeni del mondo macroscopico, non potevano essere utilizzate per
interpretare anche i fenomeni del mondo microscopico. Il comportamento duplice,
ora da corpuscolo ora da onda delle particelle subatomiche, appariva infatti del
tutto diverso da quello degli oggetti macroscopici, i quali non si comportano
mai in modo ambiguo: un'entità macroscopica, ad esempio una palla da tennis, si
comporta sempre come corpo materiale e mai come onda, e d’altra parte l’onda
del mare non appare mai con le sembianze di un pallone. Questa osservazione
dimostrava che mentre per interpretare i fenomeni macroscopici erano pienamente
funzionali le teorie note, per spiegare il comportamento dei costituenti ultimi
della materia si rendeva necessaria la formulazione di una nuova teoria. La
diversità fra gli oggetti macroscopici e le entità più recondite della
materia tuttavia non risiedeva semplicemente nelle dimensioni estremamente
ridotte di queste ultime, ma in qualche cosa di più profondo ed essenziale che
coinvolgeva la loro stessa natura. Le entità microscopiche della materia
dovevano possedere, in altre parole, una natura tutta particolare, e molto
diversa da quella dei corpi del mondo ordinario che appaiono ai nostri sensi
duri, compatti e di forma definita.
La nuova teoria prenderà il nome di «meccanica quantistica» e sarà
una teoria prettamente matematica. Dovendo infatti rinunciare, per i motivi che
abbiamo appena esposto, alla possibilità di una rappresentazione visiva
concreta di entità che a volte si comportano come onde, a volte come
corpuscoli, la teoria si vedrà costretta a ripiegare sulla loro descrizione
espressa nei simboli del linguaggio matematico astratto. La meccanica
quantistica è infatti una teoria statistica che descrive le particelle atomiche
in termini probabilistici.
A differenza però di altre discipline che si fondano anch'esse su metodi
di analisi statistica, come per esempio quelle inerenti a problemi demografici o
a quelli economici, la natura probabilistica della teoria quantomeccanica non è
dovuta alla scarsa conoscenza dei particolari, ma, come abbiamo appena detto,
alla specifica natura della materia stessa che non si lascia indagare nel suo
profondo. In altre parole, per quanto riguarda le particelle ultime della
materia, la conoscenza dei dettagli non sarebbe possibile nemmeno teoricamente.
Questa constatazione condurrà al cosiddetto «principio di indeterminazione»
formalizzato dal fisico tedesco Werner Heisenberg (1901-1976).
Affinché un oggetto possa essere studiato in termini scientifici, esso
deve poter essere misurato. Quindi, da un punto di vista scientifico, per
conoscere è necessario misurare: se non si può misurare non si può nemmeno
conoscere. In verità non è sempre indispensabile eseguire materialmente la
misurazione: difficoltà tecniche potrebbero rendere impossibile l'operazione.
E’ necessario però che la misura stessa sia, almeno concettualmente,
fattibile: per fare un esempio, è possibile immaginare di determinare il numero
delle stelle presenti nella galassia di Andromeda, o camminare su Marte, anche
se in pratica nessuno lo ha mai fatto. Ma non è possibile immaginare di
viaggiare a velocità doppia della velocità della luce, o di dividere in due
l'elettrone, perché rigorose leggi fisiche lo proibiscono.
A parte i limiti dettati dalle leggi fisiche che non possono essere
violate, esiste tuttavia anche un principio di natura che impone delle
restrizioni alla possibilità di cogliere, anche solo teoricamente, il valore
esatto di una grandezza fisica. Questo è quanto afferma il principio di
indeterminazione, a cui si è fatto cenno in precedenza. Cercheremo di capire
nel prossimo numero quali potrebbero essere le conseguenze di una tale
limitazione. 1. continua |
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