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L'EVOLUZIONE DEL MODELLO DI UNIVERSO Parte IV Recentemente i fisici hanno tentato
d'indagare la natura
Il principio di indeterminazione di Heisenberg, con il quale ci siamo
lasciati nel numero precedente, afferma che non è possibile ottenere
informazioni dirette (nemmeno in linea di principio) da oggetti di dimensioni
molto piccole, a causa della particolare natura della materia. In conseguenza di
queste limitazioni non è quindi nemmeno possibile immaginare la consistenza e
le dimensioni dell'Universo all'atto della sua creazione, qualora lo stesso
fosse effettivamente scaturito da una singolarità. Prima di vedere se esiste
una possibilità alternativa, è necessaria una premessa di carattere generale.
Immaginiamo di trovarci nella necessità di dover estrarre delle
informazioni dall'interno di uno spazio molto ristretto e di doverlo fare entro
un tempo definito. Prima di azzardare una risposta dobbiamo chiederci se esiste
eventualmente un limite alle dimensioni dello spazio e dell’intervallo
temporale, o se le due grandezze possono essere ridotte di dimensione quanto si
vuole. Ebbene, questo limite effettivamente esiste. Infatti, affinché da un
luogo di esigue dimensioni possa uscire un'informazione di qualsiasi tipo,
bisogna che in esso vi sia spazio sufficiente per contenere una certa quantità
di energia, la quale, a sua volta, per poter portare con sé l'informazione,
dovrebbe emergere da quel luogo e colpire il nostro occhio o un qualsiasi altro
apparecchio rilevatore.
Il segnale che affiora dal nostro ambiente di dimensioni anguste, per
quanto lo si possa immaginare rapidissimo, non potrà certo essere di durata
nulla, altrimenti il segnale stesso non esisterebbe affatto. Se si trattasse ad
esempio di un segnale luminoso, esso dovrebbe durare almeno il tempo sufficiente
per permettere all'energia elettromagnetica, che lo caratterizza, di compiere
un'oscillazione completa, cioè il tempo necessario per il formarsi di una
singola onda; questo è un tempo indubbiamente molto breve, ma non nullo.
Inoltre, si intuisce facilmente che, se l'onda è lunga, ci vuole più tempo
perché si formi, se l'onda è corta, ci vuole meno tempo.
Ora si può dimostrare che quanto più corta è l'onda relativa ad un
determinato segnale elettromagnetico, tanto maggiore è l'energia in essa
contenuta, e quanto più lunga è l'onda tanto minore è l'energia posseduta:
energia e lunghezza dell'onda che la trasporta sono quindi grandezze
inversamente proporzionali. Per fare un esempio concreto si pensi ad una
radiazione gamma che rappresenta un segnale molto energetico: essa è
trasportata da un’onda molto corta, quindi di durata molto breve. Un segnale
di bassa intensità, invece, come ad esempio un'onda radio, conterrà poca
energia, ma sarà trasportato su di un'onda molto lunga e quindi si protrarrà
molto a lungo nel tempo. Da quanto detto si deduce che, per avere
un'informazione entro un intervallo di tempo molto piccolo, si devono impiegare
energie molto grandi, e viceversa. Naturalmente, quello che abbiamo detto per
l'energia di tipo elettromagnetico, vale per qualsiasi altra forma di energia,
altrimenti sorgerebbero contraddizioni nelle leggi della fisica.
Planck calcolò quali avrebbero dovuto essere le grandezze fisiche minime
al di sotto delle quali non sarebbe stato più possibile ottenere alcuna
informazione, neppure in linea di principio. Risultò così, ad esempio per
quanto riguardava le dimensioni lineari, che la lunghezza minima al di sotto
della quale non era possibile compiere una misurazione doveva essere di 10-
Ritorniamo ora al problema dell'origine dell'Universo. Secondo la teoria
della Relatività Generale, l'Universo, al tempo t=0, avrebbe dovuto essere di
dimensioni nulle, una condizione teorica che è stata chiamata «singolarità»
e che da un punto di vista fisico deve essere scartata, perché priva di
significato. Si ricorderà che in seguito a questa osservazione abbiamo concluso
che le leggi della fisica classica non sono in grado di descrivere lo stato
dell'Universo fin dalla sua origine.
Cerchiamo ora di capire se sia possibile ottenere un risultato migliore,
facendo ricorso alla meccanica quantistica. In questo caso, come abbiamo appena
visto, non è consentito estrapolare il tempo, né le altre grandezze fisiche,
fino al valore zero, perché anche in questo caso le leggi perdono di
significato quando si scende al di sotto di certi valori minimi. Pretendere
quindi di ottenere (anche solo teoricamente) una qualche informazione su ciò
che potrebbe essere accaduto nell'Universo prima del tempo di Planck,
semplicemente non ha senso.
A questo punto non rimangono che due possibilità: o aspettare che
vengano scoperte nuove leggi fisiche applicabili agli oggetti di dimensioni
nulle, ovvero che vengano avanzate teorie in grado di eliminare la singolarità,
e nel frattempo rimanere a braccia conserte, oppure utilizzare ciò che abbiamo
a disposizione per avanzare una risposta purchessia alla nostra domanda. In
quest’ultimo caso dobbiamo immaginare che l'Universo possa essere emerso dal
nulla, tutto intero e già bello e formato nei suoi contenuti essenziali, però
di grandezza non inferiore alle dimensioni di Planck, per esempio sotto forma di
“pallina” con un volume non inferiore a 10-99 cm3.
Quest'ultima eventualità non sarebbe per nulla assurda, perché la
meccanica quantistica prevede che particelle di materia possano effettivamente
emergere dal nulla all'improvviso e senza motivo ed inserirsi fra quelle già
esistenti. La stessa teoria prevede però che subito dopo la loro comparsa tali
particelle debbano sparire senza lasciare traccia di sé. Queste particelle che
compaiono all'improvviso e poi scompaiono senza dare il tempo per la loro
registrazione sono dette "virtuali" per distinguerle da quelle
"reali", che invece resistono più a lungo.
Possiamo quindi immaginare l'Universo, all'inizio dei tempi, come
qualcosa di estremamente piccolo (un'entità di dimensioni molto inferiori
perfino a quelle di un elettrone) che compare dal nulla. Questa strana
"pallina", però, invece che scomparire immediatamente, come prevedono
le leggi di natura, avrebbe dovuto perdurare nel tempo e svilupparsi fino a
diventare l'Universo che possiamo osservare. Il problema è ora di vedere se
esistano leggi fisiche che consentano il verificarsi di un tale evento.
Affermare che una particella di dimensioni ultramicroscopiche possa
emergere improvvisamente dal nulla, sopravvivere per una frazione irrilevante di
secondo, e quindi scomparire senza lasciare traccia di sé, non sarebbe in
contraddizione con le leggi della meccanica quantistica. Quelle leggi affermano
infatti che se una particella appare per un istante brevissimo, tale da non
lasciare il tempo materiale per la sua rilevazione, è come se essa non fosse
mai esistita. In una situazione del genere non risulterebbero nemmeno violate le
leggi di conservazione della materia e dell'energia, cioè quelle leggi che
affermano che in natura nulla può essere creato dal nulla e nulla può svanire
nel nulla.
Come avevamo anticipato, le particelle create e distrutte prima di poter
essere rilevate si dicono «virtuali», per distinguerle da quelle che
sopravvivono per tempi più lunghi che sono dette «reali». Ci si potrebbe
allora chiedere come si faccia a sapere se una particella virtuale è
effettivamente esistita, quando non è possibile registrarla prima che scompaia.
Ebbene, senza entrare nei dettagli, possiamo affermare che le particelle
virtuali, quando compaiono, lasciano sulla materia reale delle tracce che
possono essere registrate. La presenza delle particelle virtuali è nota quindi
per via indiretta.
Utilizzando le nostre conoscenze di meccanica quantistica possiamo quindi
immaginare l'Universo, agli inizi dei tempi, emergere improvvisamente dal nulla
sotto forma di particella virtuale. In realtà i cosmologi chiamano «vuoto» il
nulla da cui sarebbe scaturito l'Universo: un concetto che, come chiariremo
subito, assume nella cosmologia quantistica un ruolo di fondamentale importanza.
Normalmente si pensa al vuoto come a ciò che rimane quando, da un dato
luogo, si toglie tutto ciò che vi è contenuto. Questa idea di vuoto è stata
profondamente modificata con l'avvento della meccanica quantistica. All'interno
di questa teoria, infatti, il vuoto non è più il nulla in assoluto, perché in
realtà esso è sede di un gran numero di eventi individualmente non rilevabili
(perché protetti dal principio di indeterminazione), ma osservabili tutti
assieme attraverso gli effetti della loro azione eccitante sullo spazio
circostante. In definitiva, anche dove siamo convinti di vedere il vuoto, ossia
il nulla, in realtà vi è tutta una serie di fenomeni connessi con la comparsa
(e la scomparsa) di particelle virtuali e di "lampi" effimeri di
energia.
L'Universo potrebbe quindi anch'esso essere comparso sotto forma di
particella virtuale all'interno di questo cosiddetto «vuoto quantistico» ed
essa avrebbe dovuto avere, all'inizio, dimensioni non inferiori a quelle imposte
dai limiti di Planck. Ora però ci si chiede in che modo la particella
primordiale da cui si sarebbe sviluppato l’Universo intero avrebbe potuto
conservarsi e ingrandirsi, visto che le leggi impongono che una particella
quantistica non possa sopravvivere che per frazioni irrilevanti di secondo.
In realtà, la meccanica quantistica afferma che in uno spazio
"piatto" (ossia di enormi dimensioni), quale sarebbe quello in cui
viviamo, una particella che emerge dal vuoto debba immediatamente sparire per
non violare le leggi della conservazione dell'energia. Nell'Universo primordiale
però lo spazio non era come quello attuale, ma fortemente incurvato e in quelle
condizioni, dice sempre la teoria, non valgono le leggi che vigono nell'Universo
attuale. Quindi in quella situazione del tutto particolare non ha senso parlare
di conservazione dell'energia; anzi è stato dimostrato che in uno spazio curvo
una particella quantistica sopravviva tanto più a lungo quanto più è leggera;
così che, se fosse di massa nulla, sopravvivrebbe per sempre e il nostro
Universo sicuramente aveva una massa molto piccola, quando emerse spontaneamente
dal vuoto tanto che per esso i fisici hanno ritenuto più appropriata la definizione di
«bolla», proprio a significare qualche cosa priva di materia e di energia, ma
piena di potenzialità. Ora, se questa «bolla» emersa dal nulla fosse stata
leggerissima (come d’altra parte dovrebbe essere una bolla), avrebbe avuto una
vita quasi infinita.
Tuttavia qualora l'Universo all'inizio dei tempi fosse stato
effettivamente di massa ed energia nulle (o quasi nulle), anche oggi dovrebbe
esserlo, perché altrimenti risulterebbero, ora sì, violate le leggi di
conservazione, prima ricordate. L'Universo attuale, come tutti possono
osservare, è però tutt'altro che privo di materia e di energia. Come possiamo
allora giustificare un bilancio materiale ed energetico nullo? Per farlo
dobbiamo supporre che nell'Universo vi sia materia ed energia positiva, insieme
con materia ed energia negativa.
Prima di procedere, è opportuno ricordare che materia ed energia sono
due entità equivalenti, nel senso che la materia può trasformarsi in energia,
e viceversa, come prevede la celeberrima equazione di Einstein: E=mc2
(E = energia, m = massa, c²= velocità della luce al quadrato). In virtù di
questa legge, possiamo considerare tutta la materia e tutta l'energia presente
nell'Universo, come l'equivalente di una massa (o di una quantità di energia)
molto grande che assumeremo di segno positivo. Dall'altra parte vi è l'energia
gravitazionale, che può essere considerata come una forma di energia (o di
massa) negativa. Cerchiamo di spiegare perché.
Si immagini di dover allontanare due corpi che stanno vicini. Per farlo
dovremo fornire loro energia allo scopo di superare la forza di gravità che li
tiene uniti: ma l'energia fornita dall'esterno verrà assunta dai due corpi i
quali si troveranno, una volta lontani l’uno dall’altro, dotati di una massa
maggiore di prima, avendo trasformato l'energia acquisita in materia.
Immaginiamo ora l'operazione inversa, cioè l'avvicinamento spontaneo di due
corpi lontani, attirati dalla forza di gravità: essi, a mano a mano che si
avvicinano, perdono massa (che si allontana sotto forma di energia) divenendo più
leggeri. La gravità può essere quindi considerata una forma di energia
negativa, in quanto, quando si manifesta, lo fa sottraendosi dall'energia
positiva della materia.
Se ora si somma algebricamente l'energia negativa della gravità con
quella positiva dell'equivalente massa-energia presente nell'Universo, si
ottiene un totale uguale a zero (o almeno molto vicino a zero). Così hanno
calcolato i fisici.
Per concludere, se l'attuale massa-energia totale dell'Universo fosse
veramente prossima allo zero, anche quando esso emerse dal vuoto sotto forma di
particella quantistica (o bolla), massa ed energia dovevano essere nulle o quasi
nulle. Rimane
ancora da chiarire il modo in cui l'Universo, una volta emerso dal nulla, si sia
poi potuto espandere e sviluppare e questo sarà oggetto di indagine nei
prossimi numeri. Parte VI
Quello del Big Bang rappresenta il modello di Universo attualmente più
accreditato. Come è noto, in campo scientifico si fa largo uso di modelli per
avere una rappresentazione sia
pur semplificata e incompleta di un oggetto
inaccessibile all'osservazione diretta. Un modello scientifico può essere
paragonato al modellino di un’automobile, che riproduce alcune caratteristiche
dell’automobile vera, ma non è identico ad essa. Questi strumenti
concettuali, pur avendo validità limitata, risultano tuttavia utili agli
scienziati perché, oltre a dare unità e coerenza agli oggetti naturali che
simboleggiano, vengono anche utilizzati per comprendere meglio il fenomeno dal
quale gli stessi hanno tratto origine. Come un qualsiasi modello, anche quello
del Big Bang non ha dunque la pretesa di rappresentare tutti i dettagli della
struttura dell'Universo reale, ma solo alcuni suoi aspetti essenziali; esso ad
esempio considera l’Universo come un fluido perfetto di materia e
radiazione distribuito in modo assolutamente uniforme su tutto lo spazio:
l’agglomerarsi della materia in stelle e galassie viene ignorata salvo poi
riprendere questo particolare argomento quando si decida di indagare
sull’origine e sulla distribuzione dei corpi celesti.
Nonostante certi risultati favorevoli, il modello standard del Big Bang
poneva tuttavia alcune questioni che lasciavano perplessi, ma prima di parlarne
bisogna accennare al fatto che questo non è l’unico modello che venne
proposto utilizzando la teoria della Relatività generale di Einstein e
l’osservazione del red shift delle
galassie.
Fu proprio quel Fred Hoyle che aveva deriso il modello di Gamow
definendolo un “grande bum” a proporne uno alternativo.
Insieme ai colleghi austriaci Hermann Bondi e Thomas Gold con i quali durante la
seconda guerra mondiale aveva lavorato al perfezionamento degli apparecchi
radar, Hoyle presentò un modello da contrapporre a quello dell'Universo in
evoluzione che prese il nome di «Modello di Universo in stato stazionario» e
rappresentò l'ultimo disperato tentativo di salvare l'idea dell'immobilismo
cosmico.
Per non cadere in contraddizione con i fondamenti primi della relatività
generale - pensarono i tre scienziati - l'aspetto dell'Universo su larga scala
dovrebbe rimanere immutato non solo nello spazio, ma anche nel tempo. Pertanto,
benché questi studiosi convengano sul fatto che l'Universo sia in espansione,
ciò nondimeno la densità della materia sarebbe dovuta rimanere costante nel
tempo e quindi, a mano a mano che le galassie si allontanavano fra loro e lo
spazio diventava sempre più vuoto, nuove galassie si sarebbero dovute formare
per compensare il diradarsi delle vecchie.
Il modello prevedeva quindi una cosa a prima vista assurda: la creazione
di materia dal nulla. Esisterebbe infatti, secondo Hoyle e i suoi colleghi, un
«campo creazionale» (in analogia con il «campo gravitazionale») generato
dalla materia già esistente, in grado di produrne di nuova: il ritmo con cui
avverrebbe la formazione di materia sarebbe tuttavia lentissimo (si formerebbe
non più di un atomo di idrogeno per metro cubo ogni miliardo di anni) e
comunque tale da rendere impossibile il suo rilevamento.
Se quindi da un lato il modello di Universo stazionario poneva il
problema sconcertante della creazione di materia dal nulla, dall'altro ne
evitava altri, non meno imbarazzanti, come ad esempio quello dell'origine.
Infatti secondo Hoyle l’Universo non ebbe inizio, né avrà fine: esso è
sempre esistito ed esisterà per sempre.
Nella storia della scienza, tuttavia, è capitato spesso che le teorie più
originali e convincenti siano state poi impietosamente demolite da osservazioni
insignificanti e fortuite: così avvenne anche nel caso del modello dello stato
stazionario. La radiazione cosmica di fondo, quella dei 3 gradi K, individuata
dai due tecnici americani dei telefoni, di cui abbiamo già parlato, non trovava
infatti giustificazione coerente all'interno del modello di Hoyle, che dovette
pertanto essere abbandonato. In verità la scoperta di Penzias e Wilson, per la
quale i due tecnici ricevettero il premio Nobel nel 1978, non fu l'unica
evidenza osservativa contraria al modello dello stato stazionario; in precedenza
si era ad esempio osservato che le quasar, i corpi celesti di dimensioni di poco
superiori a quelli delle stelle, ma che irradiano quantità colossali di
energia, erano più abbondanti a grande che a piccola distanza. Ora, poiché
guardare in lontananza corrisponde a guardare indietro nel tempo, si doveva
concludere che l'aspetto dell'Universo di miliardi di anni fa fosse diverso
dall'attuale, smentendo quel principio cosmologico perfetto che prevedeva un
Universo identico in ogni luogo e in ogni tempo, al quale si era appellato
Hoyle.
Accenniamo ora a due osservazioni a cui il modello standard del Big Bang
non era in grado di dare risposta coerente. Per prima cosa ci si chiedeva
attraverso quale meccanismo si sarebbe potuto formare dal niente l'Universo
intero; in secondo luogo, anche qualora l'Universo fosse effettivamente apparso
dal nulla, da dove avrebbe potuto poi trarre l'energia necessaria a produrre
un'esplosione di tale violenza da scaraventare lontano le galassie, tanto che
oggi, dopo 15 miliardi di anni da quell'evento, stanno ancora viaggiando a
grandissima velocità.
Alla prima domanda sta tentando di dare risposta il fisico inglese
Stephen Hawking, una specie di fenomeno vivente che rappresenta un caso
eccezionale, non tanto e non solo per il suo eccelso valore scientifico (occupa
la cattedra lucasiana di matematica - che un tempo fu di Newton - a Cambridge,
ed è considerato il più grande fisico teorico vivente), ma piuttosto per le
sue condizioni di salute estremamente precarie. Una grave malattia del sistema
nervoso lo ha infatti reso praticamente immobile su di una sedia a rotelle da
oltre trent’anni. Egli, nonostante le gravissime menomazioni (per evitare che
si soffocasse è stato anche necessario asportargli la laringe, privandolo
dell’uso della parola), ha mantenuto intatte le capacità intellettive e
lavora scrivendo e comunicando per mezzo di un computer controllato da un
interruttore, che aziona con un solo dito. Intervenendo a Padova, con l'aiuto di
un interprete, nella sala dell'Università in cui teneva lezione Galilei,
annunciò, nel 1983, di essere riuscito a derivare la funzione d'onda che
descrive l'Universo al suo apparire. La funzione d'onda è un'espressione
matematica prodotta dalla meccanica quantistica che definisce, in termini
probabilistici, le proprietà di una particella di piccole dimensioni. Le
proprietà degli elettroni che si muovono intorno al nucleo atomico, ad esempio,
sono definite anch'esse da un’analoga funzione d'onda (il cosiddetto
“orbitale”).
La necessità della descrizione del moto di una particella in termini
probabilistici deriva dalla impossibilità, imposta dal principio di
indeterminazione, di raccogliere misure precise relativamente alla traiettoria
seguita da una particella di dimensioni molto piccole. E, come per l'elettrone
in movimento è possibile una sua descrizione solo in termini probabilistici,
così anche per l'Universo al suo apparire (cioè quando era di dimensioni molto
più piccole dell'elettrone stesso) non è possibile altra descrizione se non
negli stessi termini.
Prima di rispondere alla domanda riguardante il luogo da cui l’Universo
appena emerso dal nulla avrebbe estratto l’energia necessaria per espandersi e
riempirsi a sua volta di materia e radiazione è necessario spendere qualche
parola sulle cosiddette grandi teorie unificate. 2. continua |
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