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Nella seconda metà del secolo scorso cominciò a serpeggiare fra
la gente comune un senso di delusione nei confronti della scienza: generalmente
indirizzato a tutte le discipline esclusa l’astronomia.
Come mai l’astronomia, in quella atmosfera di
contestazione, conservava e conserva a tutt’oggi lo stesso fascino che aveva
in passato? Si ritiene che ciò possa dipendere in parte dalla connotazione
mistica di questa disciplina così come ci è stata tramandata dalle civiltà
antiche e, in parte, dal fatto che fra tutte le scienze naturali l’astronomia è
quella considerata la più “pulita”. Poiché non si possono di certo
accusare gli astronomi della bomba atomica, dell’inquinamento atmosferico,
della diffusione dei cibi OGM o dell’AIDS, si deve convenire che le scoperte
di questi ricercatori non hanno mai minacciano la vita delle persone né messo
in pericolo alcun posto di lavoro.
Tuttavia, nonostante i fenomeni celesti risveglino presso
l’opinione pubblica un così alto interesse, non mancano argomenti che
suscitano fra gli appassionati perplessità e difficoltà di comprensione. 1.
La scoperta che una stella di grosse dimensioni potesse
collassare vittima del proprio peso ed uscire di scena in modo catastrofico,
quasi fosse una specie di Triangolo delle Bermuda dello spazio, costituiva un
fatto veramente singolare tanto che gli scienziati hanno usato, per un simile
evento, proprio il termine di “singolarità”. Prima di entrare in argomento
dobbiamo però chiarire la natura della gravità ossia della forza maggiormente
responsabile del fenomeno che ci apprestiamo a trattare.
Fra le forze naturali: nucleare forte, elettromagnetica, nucleare
debole e gravitazionale, quest’ultima è quella che ci è più familiare,
perché fra l’altro ci permette di stare ben saldi con i piedi in terra. La
leggenda narra che questa forza fu scoperta quando una mela, cadendo sulla testa di
Newton, portò lo scienziato ad interrogarsi sulla causa che aveva determinato
la caduta di quel frutto dall’albero e ben presto comprese che la medesima forza doveva essere
capace di attrarre tutti i corpi l’uno verso l’altro.
Fra le quattro forze che agiscono in natura la gravitazionale, pur
essendo di gran lunga la più debole, è però anche quella che agisce a
distanze grandissime, anzi il suo raggio di azione è infinito. Quindi, malgrado
che l’intensità di questa forza sia bassa, gli effetti sono considerevoli
perché essa è quella che assicura la coesione dell’Universo intero e determina
il moto di tutti i corpi che lo compongono.
L’intensità della forza gravitazionale fra due corpi qualsiasi dipende
da due fattori: dalla quantità di materia contenuta in essi e dalla loro
distanza. Più vi è materia più grande è la forza gravitazionale: su Giove,
la cui massa è 318 volte maggiore di quella della Terra, una persona di media
corporatura peserebbe più di duecento kilogrammi e si muoverebbe con grande
difficoltà mentre sulla Luna, la cui gravità è un sesto di quella della
Terra, un individuo dello stesso peso potrebbe divertirsi a fare salti e
capriole senza sforzo. L’attrazione gravitazionale è inoltre proporzionale
all’inverso del quadrato della distanza fra i due corpi. Se
Vediamo ora cosa succederebbe con questa legge se Terra e Sole si
avvicinassero invece che allontanarsi. Se
Dagli esempi descritti sopra si deduce che l’attrazione
gravitazionale a mano a mano che aumenta la distanza fra Terra e Sole (ma anche
fra due corpi qualsiasi) si avvicina sempre più a zero, mentre, diminuendo la
distanza, essa tende all’infinito. A un centesimo della distanza attuale fra
Terra e Sole la forza di gravità crescerebbe di diecimila volte, a un millesimo
diventerebbe un milione di volte più grande e a un milionesimo raggiungerebbe
un valore addirittura di cento miliardi di volte maggiore dell’attuale.
Ora però è necessario riflettere un po’ meglio sulle
conseguenze che questa legge implica: a un milionesimo della distanza reale dal
Sole, il baricentro della Terra si verrebbe a trovare a 150 kilometri dal
baricentro dell’astro intorno a cui gira, ma questo è un globo di gas con un
raggio di 696.000 kilometri; quindi a quella distanza
L’attrazione gravitazionale di cui abbiamo parlato fin qui è infatti
la forza esercitata da un corpo su un altro ad esso esterno. Solo allora infatti
è lecito trattare tutta la massa del corpo come se fosse concentrata nel suo
centro, e quindi determinare il valore dell’attrazione gravitazionale. Se
Ma, come abbiamo visto, la stessa forza mostra i suoi effetti anche su di
un singolo corpo. La gravità del Sole ad esempio non viene esercitata solo sui
pianeti che gli stanno intorno, ma agisce anche su di esso. Ciò significa che
lo stesso materiale che costituisce il Sole viene attratto verso il centro e se
non esistesse questa forza, i gas ad altissima temperatura che circondano la
superficie della nostra stella sfuggirebbero nello spazio.
La forza di gravità che agisce sul Sole e che tende a spingere tutto il
materiale verso il centro è bilanciata dalla pressione generata dalle alte
temperature che si realizzano in seguito alle reazioni nucleari prodotte nel
nucleo dell’astro. Immaginiamo allora che, in seguito all’esaurimento del
combustibile nucleare, venga a mancare la pressione esercitata dai gas verso
l’esterno: la gravità in quel caso avrebbe modo di agire nel senso di ridurre
le dimensioni della nostra stella. Questa riduzione delle dimensioni, pur
rimanendo costante la massa, farebbe aumentare la densità la quale creerebbe
una forza di gravità ancora maggiore che tenderebbe a far comprimere ancor di
più il Sole ma ciò provocherebbe un ulteriore aumento della gravità alla
superficie e così via. La compressione però farebbe anche aumentare la
pressione interna che, opponendosi alla forza di gravità, alla fine
comunque ne uscirebbe vincente. Se il raggio si riducesse a un po’ meno di tre
kilometri non esisterebbe più pressione sufficiente a salvare la situazione e
il Sole sparirebbe nel nulla.
La legge dell’inverso del quadrato non vale solo per il Sole, ma per
qualsiasi corpo. Se ad esempio 2. I BUCHI NERI
Laplace pensava che la luce fosse fatta di particelle colorate che
viaggiano alla velocità di 300.000 kilometri al secondo e aveva calcolato che
una stella sufficientemente grande (che fra l’altro a quel tempo non era mai
stata individuata) avrebbe avuto una velocità di fuga pari o superiore a quella
della luce: tanto che questa non sarebbe potuta uscire da quell’astro il
quale, di conseguenza, sarebbe apparso nero.
La velocità di fuga è la velocità iniziale che occorre imprimere ad un
corpo in modo da farlo uscire dall’astro su cui si trova senza che possa fare
più ritorno al luogo di partenza. Per
In tempi successivi, quando prevalse la teoria ondulatoria della
luce su quella corpuscolare di Newton, l’idea di Laplace fu abbandonata, perché
si pensava che un’entità immateriale qual è l’onda elettromagnetica non
potesse risentire della forza di gravità. L’idea fu però ripresa, come
vedremo, dopo che Einstein sostituì alla forza di gravità la deformazione
dello spazio generato dalla presenza in esso di corpi massicci.
La riscoperta delle strane “stelle nere” di Laplace inizia nel
gennaio del 1916 durante il sanguinoso primo conflitto mondiale. Nell’armata
prussiana prestava servizio, come volontario, un giovane fisico tedesco di nome
Karl Schwarzschild (1873-1916), il quale, basandosi sulla teoria della relatività
generale che era appena stata formulata da Einstein, calcolò il comportamento
della materia fortemente concentrata in una stella prossima a morire.
Schwarzschild coniò il termine di “raggio gravitazionale” una misura
critica che rappresenta il limite minimo di un corpo celeste di una determinata
massa oltre il quale non è possibile una configurazione stabile della materia e
il corpo si avvia a sparire nel nulla. Questo limite per il Sole vale circa 3
kilometri e per
Per chiarirci le idee, facciamo ora l’esempio di un’astronave che si
venisse a trovare in vicinanza di una stella fortemente massiccia tanto da
creare una notevole depressione dello spazio ad essa circostante. Il nostro
veicolo spaziale sarebbe costretto a seguire un percorso curvo destinato a
chiudersi su sé stesso qualora finisse a distanza inferiore al “raggio
gravitazionale” del corpo intorno a cui orbita e per allontanarsi da quella
posizione dovrebbe muoversi a velocità superiore a quella della luce, ma una
tale velocità è proibita dalle leggi della relatività. Naturalmente la stessa
cosa accadrebbe alla luce la quale, ai bordi di un corpo tanto massiccio,
sarebbe costretta ad assumere una traiettoria circolare e per allontanarsi
dovrebbe muoversi a velocità superiore “alla sua”. La superficie sferica
del buco nero avente il raggio di Schwarzschild è chiamata “orizzonte degli
eventi” perché, come per l’orizzonte terrestre, che preclude
all’osservatore la visione delle cose che stanno al di là di esso, anche in
questo caso un osservatore esterno non potrebbe in alcun modo aver notizia degli
eventi che accadono all’interno di quel corpo celeste.
Il lavoro di Schwarzschild era il frutto di uno studio puramente teorico
ma venne in seguito confermato e approfondito dall’astronomo inglese Arthur
Eddington (1882-1944) secondo il quale non c’era limite alla compressione
della materia dato che gli atomi sottoposti a forti pressioni possono rompersi
in mille pezzi e i frammenti concentrarsi ulteriormente.
Nel 1939, due fisici americani, J. Robert Oppenheimer (1904-1967) - noto
per aver diretto il gruppo di scienziati impegnati nel progetto Manhattan per la
costruzione della bomba atomica - e Hartland Snyder (1913-1962), analizzando le
proprietà delle stelle di neutroni, avevano previsto anche la possibilità che
una stella di massa superiore a 3,2 volte quella del Sole si contraesse fino a
ridursi ad un punto, ossia ad una singolarità.
In una stella di grande massa, dopo un’esistenza piuttosto breve
rispetto a quella delle stelle di massa minore, si realizzerà uno degli eventi
più violenti e spettacolari che si possono verificare nel mondo fisico: una
tremenda esplosione che manderà all’aria (si fa per dire) la parte esterna
mentre il nucleo imploderà. Il fenomeno si chiama supernova
e prevede che durante il collasso il nucleo si contragga e la velocità di
rotazione, all’inizio lenta, aumenti notevolmente in seguito ad un fenomeno
simile a quello di una ballerina che per acquistare maggiore velocità di
rotazione su sé stessa avvicina le braccia al corpo. A questo punto cosa
succederà del nucleo imploso? Si formerà una singolarità coperta da un buco
nero o una singolarità nuda?
Non è facile rispondere a questa domanda perché nessun fisico fino ad
ora è riuscito ad elaborare un modello completo che descriva la complessa
situazione che si crea all’interno di una supernova. Qualche congettura, però,
si può fare.
2.
Il termine di “buco nero” venne assegnato a questo oggetto celeste
nel 1967 dal fisico americano John Archibald Wheeler (nato nel 1911) e il nome
incontrò subito il favore del pubblico: esso infatti è proprio un buco,
anzi un pozzo infinitamente profondo perché la materia che vi entra non può più
uscire ed è nero perché nemmeno la
luce può abbandonarlo e di conseguenza risulta invisibile.
Abbiamo quindi visto che la massa è la responsabile del destino finale
di una stella ma anche altre sue caratteristiche come la carica elettrica e la
velocità di rotazione giocano un ruolo importante nell’evoluzione degli
astri. In precedenza si è accennato al fatto che in fisica esiste una legge
fondamentale, detta della conservazione del momento angolare, la quale asserisce
che se un corpo rotante diminuisce la sue dimensioni esso deve necessariamente
aumentare la velocità di rotazione intorno al proprio asse. Ebbene, il modello
di buco nero finora descritto è quello che prende in considerazione una stella
sferica e statica ma, in natura, stelle rispondenti ad un simile modello teorico
non esistono. Tutte le stelle, seppure con velocità diverse, ruotano intorno al
proprio asse (il nostro Sole, ad esempio, compie una rotazione ogni 25 giorni)
come si può dedurre osservando il diverso grado di schiacciamento dei loro
poli.
Nel 1962 il matematico neozelandese Roy Kerr descrisse la formazione di
un buco nero a partire da una stella rotante, ma dopo questo lavoro abbandonò
la ricerca per diventare un giocatore di bridge di fama internazionale. La
differenza sostanziale fra il modello di Schwarzschild e quello proposto da Kerr
sta nel fatto che una stella con velocità angolare molto elevata, al momento
della contrazione, si potrebbe anche frantumare e in tal caso si formerebbe la
singolarità, ma non il buco nero. La singolarità priva della copertura del
buco nero, come abbiamo accennato, viene detta “singolarità nuda” e la luce
che esce da quel punto può viaggiare nello spazio e portare l’informazione ad
un osservatore lontano.
Questo tipo di singolarità si potrebbe formare anche all’interno di un
buco nero qualora questo fosse in rotazione o fornito di carica elettrica. Il
questo caso infatti invece che un unico orizzonte degli eventi, come avviene nel
modello statico di Schwarzschild, se ne formerebbero due, uno interno
all’altro, a separare due regioni con diverse caratteristiche. Là dove vi era
un punto privo di dimensioni ora appare un anello piatto che sarebbe possibile
attraversare. Si formerebbe infatti una specie di tunnel spazio-temporale (la
teoria della relatività richiede di considerare lo spazio tridimensionale e il
tempo unidirezionale come parti di uno spazio-tempo unificato a quattro
dimensioni) che collegherebbe il nostro ad un altro Universo. Pertanto, se un
osservatore cadesse in un siffatto buco nero finirebbe nel tunnel
spazio-temporale e quindi emergerebbe, attraverso una struttura che potremmo
chiamare “buco bianco” (perché da esso la materia invece che entrare esce),
in un Universo parallelo. Naturalmente questo percorso potrebbe essere ripetuto
più volte e l’osservatore, dopo essere sbucato in un secondo Universo,
potrebbe immergersi in un altro buco nero e, con la stessa tecnica precedente,
riemergere attraverso un buco bianco in un terzo Universo, e così via in un
viaggio senza fine.
Oltre a quella descritta sopra, questi particolari buchi neri hanno
un’altra caratteristica: un osservatore che si venisse a trovare all’interno
dell’orizzonte degli eventi nel punto più prossimo alla singolarità nuda
potrebbe esaminare quest’ultima da vicino perché essa invierebbe informazioni
che potrebbero essere da lui analizzate, ma non portate all’esterno.
Immaginiamo quindi che un astronauta temerario si avventuri all’interno
di un buco nero: in prossimità della singolarità che in nessun modo
riuscirebbe ad evitare perché all’interno di un buco nero ogni cosa materiale
procede verso il punto centrale, egli noterebbe che spazio e tempo si sono
scambiati di ruolo. Come sappiamo, nell’Universo nel quale viviamo è
possibile muoversi in qualsiasi direzione all’interno di uno spazio
tridimensionale mentre per il tempo è possibile un’unica direzione: dal
passato al futuro. Ebbene all’interno del buco nero le due coordinate, quella
spaziale e quella temporale, si ribaltano e mentre la coordinata spaziale punta
verso un’unica direzione, ossia verso la singolarità, quella temporale si può
muovere in ogni direzione. In virtù di questa caratteristica unidirezionale
dello spazio (che nel mondo esterno appartiene alla coordinata temporale)
diventa impossibile, all’interno di un buco nero, per gli oggetti materiali,
sfuggire alla singolarità.
Lo scambio di ruoli fra spazio e tempo può però condurre ad alcuni
equivoci come quello di immaginare il buco nero come una specie di macchina del
tempo. Se infatti il tempo al suo interno si comporta come lo spazio
all’esterno di questa strana struttura è ipotizzabile che lo si possa
percorrere in senso contrario a quello normale violando le leggi della casualità,
le quali impongono che la causa debba precedere l’effetto di un evento e non
viceversa. Se infatti il tempo procedesse dal futuro al passato allora sarebbe
possibile per una persona andare nel passato e, per esempio, uccidere i propri
genitori prima che questi generino il figlio assassino.
Nel 1911 Ernest Rutherford (1871-1937) in uno dei suoi tanti
esperimenti divenuti famosi per la semplicità e la genialità
dell'impostazione, dimostrò che l'atomo non poteva avere una struttura
omogenea, come l'immaginava il fisico inglese Joseph John Thomson (1856-1940),
ma doveva possedere un nucleo di dimensioni molto piccole e di carica elettrica
positiva, nel quale era concentrata praticamente tutta la sua massa. Gli
elettroni, necessariamente, dovevano muoversi su ampie orbite, intorno al nucleo
centrale, come i pianeti ruotano intorno al Sole. Per questo motivo, il modello
atomico di Rutherford, venne anche detto "modello
planetario".
Tuttavia, nonostante che il modello del grande fisico neozelandese
fosse molto seducente, soprattutto per la descrizione unitaria che dava della
struttura del micro- e del macrocosmo, esso aveva il difetto di essere
assolutamente incompatibile con le leggi della meccanica e della elettrodinamica
esistenti. Secondo queste leggi infatti, un corpo carico di elettricità che si
muova con moto che non sia rettilineo ed uniforme, irradia energia a scapito
della propria. L'elettrone pertanto, nel suo moto circolare intorno al nucleo,
poiché è soggetto ad una continua accelerazione centripeta, e cambia quindi
velocità ad ogni istante, dovrebbe irradiare e subire una progressiva
diminuzione della propria energia. Ciò lo porterebbe a cadere, seguendo una
traiettoria a spirale, sul nucleo. E' stato calcolato che l'atomo, se fosse
costruito secondo il modello proposto da Rutherford, sarebbe destinato a
disintegrarsi in una frazione di secondo laddove esso, per nostra fortuna, è
stabile. Alla fine,
come sappiamo, con la nascita della meccanica quantistica, tale contraddizione
venne risolta perché per la costruzione del modello atomico fu possibile
servirsi dell’aspetto ondulatorio degli oggetti di piccole dimensioni.
Quando, nei primi anni Sessanta del secolo scorso, divennero noti i
teoremi matematici che descrivevano la singolarità, i fisici cominciarono a
preoccuparsi per le conseguenze che la comparsa di una tale entità avrebbero
avuto per il mondo fisico. Quando poi venne scoperta la possibilità che la
singolarità potesse anche essere nuda con le implicazioni paradossali che una
tale eventualità portava con sé, si pensò alla necessità di escludere almeno
quest’ultima ipotesi. Nel 1969, il matematico e fisico teorico britannico
Roger Penrose (nato nel 1931) pensò infatti di eliminare le singolarità nude
ipotizzando l’esistenza di un fantomatico “censore cosmico” che ne
vieterebbe la comparsa nascondendole alla nostra vista con il manto di un buco
nero.
Tuttavia il collasso gravitazionale, se è valido per una stella di
grandi dimensioni, a maggior ragione dovrebbe esserlo per l’intero Universo il
quale, se contenesse una quantità sufficiente di materia, alla fine
dell’espansione in atto, dovrebbe contrarsi e terminare la sua esistenza per
l’appunto in una singolarità. Ma esso stesso sarebbe nato da una singolarità
nuda da cui scaturì il big bang. Almeno nel momento della nascita
dell’Universo il censore cosmico (sempre che esista) dovrebbe essersi
distratto.
I buchi neri, le singolarità racchiuse nel loro interno, gli ipotetici
squarci aperti verso altri Universi, il destino stesso dell’intero Universo
sono solo congetture, ma qualora lo studio e i calcoli dei fisici teorici
dovessero essere confermati da osservazioni e da esperimenti si potrebbe
giungere alla formulazione di una teoria del tipo di quella che dette
giustificazione del modello atomico. Essa dovrebbe essere in grado di fornire
alla materia una connotazione comprensibile e in tal caso anche le singolarità
potrebbero essere accettate dalla comunità scientifica come realtà concrete.
Infine, per completezza di informazione, dobbiamo ricordare che una
spiegazione matematica del collasso gravitazionale potrebbe anche non essere mai
trovata. La gente è convinta che il progresso scientifico non avrà mai fine e
che qualsiasi aspetto della natura, per enigmatico che possa apparire, troverà
prima o poi una spiegazione. Vi sono invece sistemi talmente complessi,
soprattutto nel campo delle scienze biologiche, che pretenderne la descrizione
(si pensi ad esempio alla digestione o alla riproduzione dei mammiferi)
attraverso espressioni matematiche, sarebbe una pretesa eccessiva. |
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