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L'EVOLUZIONE DEL MODELLO DI UNIVERSO
Parte X
Il modello dell'Universo inflazionario risolve alcuni problemi che il
modello standard del Big Bang non era stato in grado di chiarire: descriviamone alcuni
fa i più significativi. Il primo, a cui si è già
fatto cenno, è noto come «problema dell'orizzonte».
Immaginiamo di osservare due regioni del cosmo sistemate in posizioni
diametralmente opposte e a grande distanza (diciamo a 10 miliardi di anni luce
da noi): esse sono quindi lontane 20 miliardi di anni luce l'una dall'altra.
Queste due zone dello spazio non hanno mai potuto comunicare tra di loro
scambiandosi un messaggio perché non è trascorso ancora abbastanza tempo da
quando si verificò il Big Bang. Affinché la luce o qualsiasi altra forma di
energia (che comunque non potrà mai viaggiare più veloce della luce) abbia
potuto rimbalzare fra due punti distanti 20 miliardi di anni luce deve avere
avuto a disposizione un tempo di almeno 20 miliardi di anni, ma 20 miliardi di
anni fa l'Universo non era ancora nato. Quindi le due regioni che abbiamo scelto
per le nostre osservazioni oggi non sono sufficientemente vicine per scambiarsi
un segnale, ma non lo furono nemmeno in passato quando l'Universo era sì molto
più piccolo di oggi, ma anche la sua età era proporzionalmente minore.
Ora, la cosa sorprendente è che queste due regioni, che non sono mai
state in contatto, siano identiche. In realtà l'intero l'Universo osservabile
è molto omogeneo, cioè mediamente con la stessa densità e la stessa
temperatura in ogni sua parte, e questa coincidenza generale di forme non è per
nulla ovvia. In qualsiasi direzione si effettuino le osservazioni, e a qualsiasi
distanza, si incontrano sempre gli stessi oggetti celesti che diffondono lo
stesso tipo di energia e che operano tutti in accordo con le stesse leggi della
fisica. Questa constatazione stupisce e ci si chiede come sia possibile che zone
così lontane da non aver mai potuto comunicare tra loro e che quindi non
potevano influenzarsi a vicenda si siano trovate poi tanto d'accordo nel seguire
le stesse leggi di natura.
E' un po' come se l'insegnante constatasse, correggendo i compiti di
matematica svolti in classe dai suoi alunni, che questi sono tutti uguali,
perfino nei dettagli. Che cosa dovrebbe pensare? Ovviamente che gli allievi
hanno copiato, cioè che hanno avuto modo, durante la prova, di comunicare fra
loro. Certo, potrebbe anche pensare che gli alunni hanno svolto il tema
autonomamente e tuttavia lo svolgimento è stato identico. La cosa, anche se
possibile, apparirebbe però, agli occhi del professore, quanto meno poco
probabile.
Allo stesso modo, stupisce il fatto che regioni che in passato non sono
mai state causalmente connesse, perché si trovavano distanti più del loro
"orizzonte", cioè più di quanto fosse necessario per poter essere
mai state in un qualsiasi rapporto di causalità, si trovino oggi in condizioni
di tale omogeneità e concordanza di aspetti da lasciare pensare che in passato
ci possa essere stato "qualcuno" che abbia avuto tempo e modo di
rimescolare accuratamente il contenuto dell'Universo distribuendo materia ed
energia uniformemente. In realtà non sarebbe soddisfacente ammettere che
l’Universo oggi appare così fortemente omogeneo e isotropo perché è sempre
stato in queste condizioni, fin dalla sua origine. Ciò equivarrebbe alla
rinuncia di una spiegazione scientifica dell’osservazione.
Il modello dell'Universo inflazionario risolve invece elegantemente
questo problema. Secondo questa nuova teoria, l'Universo che siamo in grado di
osservare è infatti solo una piccola parte di ciò che ha subito l'inflazione
all'inizio dei tempi. Prima della fase inflazionaria tutte le parti
dell'Universo che oggi osserviamo erano vicinissime tra loro ed avevano avuto
modo di rimescolarsi e scambiarsi informazioni e messaggi influenzandosi a
vicenda fino ad assumere una composizione omogenea. Poi vi fu quell'esplosione
di proporzioni gigantesche che portò in un attimo, e ad una velocità ben
superiore a quella della luce, l'Universo ad ingrandirsi di miliardi e miliardi
di volte più di quello che si sarebbe potuto realizzare al ritmo di espansione
attuale. E' chiaro allora il motivo per il quale molte sue parti risultino
lontanissime tra loro e tuttavia identiche: l'omogeneità generale era già
stata raggiunta in precedenza.
Questa constatazione risolve anche un secondo problema a cui il modello
standard non era in grado di dare risposta, ossia quello relativo alla «curvatura
nulla».
Si tratta di questo: l'Universo attualmente si sta espandendo, ma questa
espansione durerà per sempre o un giorno finirà ed inizierà il fenomeno
contrario? Tutto dipende dalla quantità di materia presente in esso: se questa
è abbondante l'attrazione gravitazionale delle galassie finirà per fermare
l'espansione e l'Universo si contrarrà fino a collassare in un formidabile Big
Crunch (cioè in un'implosione); un Universo di questo tipo viene definito «chiuso».
Se invece la materia presente è in quantità insufficiente, l'Universo
continuerà ad espandersi per sempre: in tal caso esso viene definito «aperto». Nel primo
esempio la geometria dell'Universo è, come suole dirsi, di tipo sferico, cioè con
proprietà simili a quelle che si manifestano sulla superficie di una sfera, nel
secondo caso è di tipo iperbolico cioè con proprietà geometriche simili a
quelle presenti sulla superficie di una sella.
Ora, la cosa strana è che la materia esistente nell'Universo sembra
essere in quantità tale per cui lo stesso si troverebbe in una situazione
intermedia, ossia in una situazione per la quale non è possibile decidere se
sia
chiuso o aperto. Ma se l'Universo oggi è effettivamente in queste condizioni,
cioè «piatto», vuol dire che all'inizio, la violenza
dell'esplosione fu tale da allontanare la materia in modo che questa, pur
rallentando la sua corsa nel tempo, fosse destinata a non fermarsi mai. In altre
parole, sarebbe come se, all'inizio dei tempi, fosse stata calibrata la potenza dell'esplosione tenendo conto della quantità di materia
presente in modo che la conseguente espansione non risultasse né molto forte né
molto debole.
Il modello dell'Universo inflazionario è in grado di risolvere
brillantemente anche questo problema perché considera che l'incredibile
espansione a cui andò incontro l'Universo durante la fase inflazionaria avrebbe
creato uno spazio molto più vasto di quello che in realtà siamo in grado di
osservare. In pratica è come se noi oggi stessimo esaminando un piccolissimo
tratto della superficie di un pallone di dimensioni enormi. Questo piccolo
tratto di superficie ci apparirebbe piatto, come ci appare piatto un campo di
calcio benché esso rappresenti un tratto della superficie terrestre che, come tutti
sanno, è curva.
Vi è un altro enigma che la teoria dell’inflazione risolve
coerentemente ed è quello della "assenza dei monopoli magnetici". Questi sono
particelle ipotetiche con un solo polo magnetico (sud o nord) mentre, come tutti
sanno, nelle normali calamite non è possibile separare l’uno dall’altro. La
presenza di queste strane particelle (fra l’altro pesantissime) è prevista
dalla teoria inflazionaria in quanto all’inizio dei tempi avrebbero svolto il ruolo di
catalizzatori ossia di acceleratori delle trasformazioni dei leptoni in quark e
viceversa. Sennonché, la conferma sperimentale dei monopoli è impossibile perché
per produrli sarebbe necessario disporre di quantità enormi di energia;
l’unica possibilità sarebbe quella di osservarli direttamente nella materia,
ma finora, se si esclude un caso isolato ancorché dubbio, nessuno li ha visti.
Ciò evidentemente dipende dal fatto che la materia con l’inflazione si è
enormemente diluita e con essa si sono rarefatti anche i monopoli magnetici.
Parte XI Fino a pochi anni fa chiedersi cosa ci fosse stato prima
La fine del secolo che si è appena concluso ha portato con sé due
grosse novità in ambito astronomico: l’una riguardante l’osservazione che
l’Universo sta accelerando la sua espansione e non rallentando (come si era
sempre pensato) e l’altra relativa all'affermarsi di una nuova teoria che dovrebbe portare
alla unificazione di tutte e quattro le forze fondamentali della natura, ivi
compresa la gravità, che fino ad ora ne era rimasta esclusa. La
prima scoperta è destinata a cambiare le nostre aspettative riguardo al destino
ultimo dell’Universo, mentre la seconda apre nuovi scenari relativamente alla
fase precedente al Big Bang.
Iniziamo dalla prima. Fino a pochi anni fa gli astronomi erano
convinti che l’Universo stesse rallentando la sua espansione frenato dalla
forza di gravità che si oppone, anche se in modo sempre meno efficace, alla
spinta iniziale. Ora però una serie di osservazioni eseguite su alcune
supernovae hanno convinto gli astronomi che l’Universo in realtà sta
accelerando la sua corsa.
Le supernovae sono stelle molto massicce le quali terminano la loro
esistenza con una formidabile esplosione che le rende visibili anche in galassie
molto lontane. Ne esistono di vari tipi: quelle denominate Ia (tipo
primo “a”) hanno la caratteristica di essere tutte ugualmente luminose al
momento dell’esplosione, ossia di presentare la stessa luminosità intrinseca
e quindi di apparire tanto più fioche quanto più sono lontane. Luminosità
intrinseca (o assoluta), luminosità apparente e distanza di una stella sono tre
grandezze legate fra loro da una semplice relazione matematica: ragione per cui
se sono note due di esse è nota anche la terza.
Ebbene, la distanza di una supernova di tipo Ia può essere determinata
dalla misura del red shift della galassia entro la quale la stella si trova. Il
red shift ci informa che la galassia si sta allontanando tanto più velocemente
quanto più è lontana, ma non ci dice se compia tale operazione accelerando o
decelerando la sua corsa. Questa informazione ci viene invece fornita dalla
supernova: se l’Universo stesse decelerando la supernova sarebbe più vicina e
più brillante di quanto suggerito dalla misura del red shift, se stesse
accelerando la supernova sarebbe più lontana e quindi apparirebbe più debole
del previsto. Le osservazioni di fine secolo hanno mostrato che le supernovae
presenti in galassie non molto lontane sono tutte più deboli di quanto ci si attenderebbe e quindi
l’Universo starebbe accelerando la sua espansione.
Ora però osservazioni più recenti, eseguite grazie al satellite Hubble
su supernovae poste in galassie tanto lontane che i telescopi da terra non
riescono a vedere, hanno mostrato che l’Universo molto antico decelera. Ciò
è quanto si aspettavano anche gli esperti i quali ritenevano che se
l’espansione dell’Universo fosse stata sempre in accelerazione questo
continuo aumento della velocità avrebbe finito per smembrare le galassie e gli
ammassi di galassie che forse in quelle condizioni non avrebbero nemmeno avuto
modo di formarsi.
Ma se l’Universo è veramente in una fase di accelerazione allora
diventa necessario ipotizzare l'esistenza di una forma
di energia, che i cosmologi hanno chiamato “energia oscura”, la quale si
aggiunge a quella che ha provocato il grande scoppio iniziale. Non si tratta di
poca cosa perché si è calcolato che questa energia di natura misteriosa
dovrebbe rappresentare il 70% di tutta l’energia dell’Universo; il restante
sarebbe quasi interamente formato dalla cosiddetta “materia oscura” mentre la comune
materia, quella che si rende visibile agli strumenti ottici, non sarebbe
superiore all’uno per cento del totale. Si è anche calcolato che se la spinta
generata dall’energia oscura rimanesse costante nel tempo, o dovesse
addirittura aumentare in futuro, l’Universo diventerebbe sempre più vuoto e
in meno di cento miliardi di anni rimarrebbero visibili solo alcune centinaia di
galassie, mentre tutte le altre presenterebbero uno spostamento verso il rosso
della loro luce tanto elevato da risultare praticamente invisibili.
Esaminiamo ora la seconda scoperta, che non costituisce di per sé una
vera e propria novità. Nel lontano 1968 un giovane fisico italiano (oggi
sessantenne) di nome Gabriele Veneziano, scoprì che le particelle puntiformi e
prive di struttura interna previste dal cosiddetto “modello standard delle
particelle elementari” sono in realtà dei fili sottilissimi che vibrano. I
costituenti ultimi della materia sarebbero cioè minuscole cordicelle dette
“stringhe” (dalla traduzione letterale del termine anglosassone string)
le quali vibrando formerebbero tutti i costituenti fondamentali della materia e
delle forze.
La teoria che si ottiene sostituendo gli oggetti puntiformi privi di
estensione spaziale con le stringhe unidimensionali è in grado di inglobare la
forza di gravità con le altre in modo naturale. La teoria delle stringhe non è
unica: ne esistono ben cinque tipi diversi. Essi contemplano una serie di
aspetti sconcertanti del mondo che ci circonda ad iniziare da quello in virtù
del quale lo spazio non avrebbe solo le tre dimensioni di cui abbiamo esperienza
diretta ma ben nove, oltre alla dimensione temporale.
Verso la fine degli anni ‘90 si è fatto un ulteriore passo in avanti
scoprendo che le cinque teorie che frattanto erano diventate di superstringa,
per avere incluso il principio di simmetria fra bosoni (particelle mediatrici
delle forze) e fermioni (particelle di materia), sono in realtà aspetti diversi
di una sola teoria fondamentale detta M-teoria, cioè madre di tutte le teorie.
Questa prevede l’esistenza non più di dieci ma di undici dimensioni entro le
quali sarebbero presenti oggetti più estesi delle stringhe come membrane e
altre strutture a più dimensioni dette “brane” (un termine ricavato da mem-brane):
le stringhe sarebbero quindi uni-brane e il punto uno zero-brana; le membrane
sono delle bi-brane ma poi esisterebbero anche le tri-, le quadri- e così via
fino alle nove-brane. Il nostro Universo potrebbe essere una tri-brana (detta
anche brana-universo) immersa in uno spazio più grande.
Questa visione del mondo microscopico ha quindi anche implicazioni di
carattere cosmologico, perché è in grado di formulare ipotesi sulla struttura
dell’Universo all’inizio dei tempi. Secondo il modello cosmologico del Big
Bang l’Universo ebbe origine a partire da uno stato di dimensioni nulle. La
teoria delle stringhe fissa invece un limite inferiore alle distanze fisiche e
stabilisce che nessuna grandezza possa diventare più piccola di un valore
minimo. Non è difficile capirne il motivo: i punti privi di dimensioni
spaziali, per quanto si ammucchino l’uno sull’altro, creano un volume
complessivo che sarà sempre zero, mentre le stringhe, possedendo una dimensione
spaziale, se si ammassassero tutte insieme formerebbero un grumo di volume non
nullo. Questa osservazione elimina la singolarità e stabilisce che l’Universo
all’inizio dei tempi non poteva essere di dimensioni nulle.
Se un giorno (molto lontano e nemmeno certo) l’Universo dovesse
terminare di espandersi e cominciasse a collassare su sé stesso finirebbe,
secondo quanto previsto dalla teoria tradizionale, in un inesorabile Big Crunch
(un Big Bang alla rovescia) che si concluderebbe in un punto di dimensioni
nulle. Ma la teoria delle stringhe impone che nessuna delle dimensioni spaziali
possa contrarsi fino a ridursi a zero: ragione per cui arrivato vicino alla
dimensione minima (cioè a quello che nella VIII puntata abbiamo visto essere il limite di Planck)
invece che continuare a contrarsi l’Universo rimbalzerebbe ed inizierebbe ad
espandersi nuovamente. A loro volta la temperatura e la densità anziché salire
ulteriormente riprenderebbero a scendere. La nuova teoria non esclude il Big
Bang, però esso non viene più visto come l’istante iniziale di ogni cosa ma
piuttosto come un momento di transizione fra due fasi speculari con proprietà
fisiche e geometriche opposte. Il Big Bang nel nuovo modello che scaturisce
dalla teoria delle superstringhe verrebbe declassato al rango di “istante
iniziale della fase attuale di Universo”.
Per concludere è bene chiarire che anche questa, come una qualsiasi
questione scientifica, non è definitiva. Nuove osservazioni e nuove idee
modificheranno ciò che oggi gli scienziati hanno proposto e nuove teorie
sostituiranno quelle attuali. fine |
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