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IL MEGAVERSO
Nell’Universo molto si vede, ma è molto di più quello che non si
vede. Oltre agli oggetti luminosi costituti da stelle, pianeti, comete e da
tanti altri corpi minori che non emettono luce visibile, ma che producono
comunque forme di radiazione elettromagnetica come raggi infrarossi e onde
radio, vi è anche materia non visibile detta materia
oscura e soprattutto è presente una grande quantità di energia
oscura. 1.
La materia oscura non emette quindi onde elettromagnetiche e, come
vedremo, può essere rivelata solo attraverso la sua influenza gravitazionale
sulla materia visibile. Una parte di questa materia di cui si ignora origine e
composizione potrebbe essere in realtà materia ordinaria costituita da corpi
celesti dalla luce troppo flebile per essere rilevata, come ad esempio rocce,
asteroidi o stelle nane, oppure da buchi neri che non emettono alcuna forma di
radiazione elettromagnetica. Indubbiamente una parte della materia mancante è
semplicemente questo, ma si tratterebbe in ogni caso di una quantità minima
mentre la maggior parte non può essere di tale natura innanzitutto per motivi
teorici connessi con il modello del Big Bang, ma anche per precisi riscontri
oggettivi.
Il modello standard del Big Bang prevede che nel lasso di tempo,
immediatamente successivo all’origine, noto con il nome di “periodo della
nucleosintesi primordiale“ si siano costituiti i nuclei degli elementi più semplici
assemblando protoni e neutroni che si erano formati in precedenza dalla unione a
tre a tre dei quark. Quando successivamente la temperatura dell’Universo in
espansione si abbassò ulteriormente fino a raggiungere poche migliaia di gradi
Kelvin, gli elettroni rallentarono il loro moto sfrenato e i nuclei degli atomi
più leggeri, in prevalenza idrogeno ed elio, riuscirono a catturarli. La
formazione di atomi neutri non è solo frutto di una teoria in quanto oggi è
possibile, grazie ad esperimenti e ad osservazioni molto meticolose, individuare
non solo il tipo, ma anche la quantità degli elementi presenti nel Cosmo.
La teoria prevede che circa il 23% degli atomi prodotti all’origine
consistesse di atomi di elio e in effetti, misurando la quantità di questo elemento
visibile nelle stelle e nelle nebulose, si giunge ad un risultato solo
leggermente superiore a quello teorico, in quanto una piccola parte di elio si è
formata nel nucleo delle stelle a scapito dell’idrogeno. Ancora più
sensazionale è la conferma della previsione che riguarda il deuterio (o
idrogeno pesante) dato che, a differenza dell’elio, non esiste attualmente
alcun processo astrofisico che possa spiegare la produzione di questo elemento
il cui valore osservato è proprio quello previsto dalla nucleosintesi
primordiale. Le stesse conferme sperimentali riguardano il litio.
Vi è inoltre un secondo aspetto che esclude la presenza nello spazio
cosmico di materia ordinaria in gran quantità perché, se ci fosse, essa
lascerebbe una traccia inconfondibile sotto forma di una radiazione riflessa di
energia elettromagnetica che in effetti non è mai stata osservata. Oggi la
maggior parte dei fisici crede che la materia oscura sia composta da qualche
particella subatomica nuova e su questa convinzione si puntano le ricerche.
Nei pressi di Ginevra, al confine fra Francia e Svizzera, a cento metri
di profondità è stato scavato un tunnel circolare lungo circa 27 kilometri che
rappresenta uno strumento scientifico straordinario sia per le dimensioni sia
per gli scopi cui è destinato. Esso consente la collisione di protoni e
neutroni accelerati da giganteschi magneti a velocità prossime a quelle della
luce al fine di rivelare le realtà più profonde del nostro Universo. Gli
esperimenti sono organizzati dai fisici che lavorano al CERN (Conseil
Européen pour
Nell’autunno del
Il secondo obiettivo dell’esperimento è quello di scoprire la natura
della materia oscura, uno dei più importanti misteri irrisolti nel campo della
ricerca scientifica. Oggi si pensa che solo il 5% di tutto ciò che esiste
nell’Universo sia composto di materia ordinaria ossia di quella materia che
forma le stelle, i pianeti e gli stessi organismi viventi che li abitano. La
materia oscura rappresenterebbe un altro 25% mentre il rimanente 70% sarebbe
costituito dall’energia oscura, una “sostanza” ancora più misteriosa
della materia oscura.
L’idea della presenza della materia oscura fu avanzata
dallo stravagante astrofisico bulgaro-svizzero-americano Fritz Zwicky nel
lontano 1933. Osservando le galassie dell’ammasso della chioma di Berenice,
posto a circa 300 anni luce dalla Terra, Zwicky notò che esse si muovevano più
velocemente del limite di fuga stimato sommando le loro masse, il cui valore era
dedotto a sua volta dalla loro luminosità. Secondo i suoi calcoli l’ammasso
avrebbe dovuto disintegrarsi in meno di un miliardo di anni mentre esso esiste
compatto da oltre dieci miliardi di anni. Se le galassie non si sono disperse
nello spazio ciò non poteva che dipendere della presenza di una massa
aggiuntiva che agisce con la sua forza di gravità su di esse.
Nei decenni successivi al lavoro di Zwicky, sono state scoperte altre
galassie e ammassi di galassie che presentano lo stesso problema. Non si
trattava quindi di una prerogativa che riguardava solo il gruppo di galassie
dell’ammasso della chioma di Berenice, ma ora si aveva la prova che la maggior
parte delle forze gravitazionali misurate nell’Universo nasceva da sostanze
che non vediamo. Il problema della massa mancante fu ribattezzato "problema della
luce mancante" nel convincimento che la massa c’era, mentre ciò che mancava era
la luce. Ma forse la gravità in eccesso non nasce nemmeno dalla materia, bensì
da qualche cosa di più astratto. Oggi infatti, con una conoscenza più precisa
delle masse degli oggetti celesti, si parla di “gravità oscura” perché non
è certo che tutta la forza di gravità che viene registrata sia associata alla
materia. Ciò che non si capisce in realtà è proprio la gravità. 2. ENERGIA OSCURA
La stessa teoria prevede anche che un Universo, in cui la materia è
distribuita in modo più o meno uniforme, non potrebbe essere statico come al
contrario suggerivano tutte le osservazioni astronomiche effettuate fino ad
allora. Invece che annunciare al mondo intero di aver scoperto che l’Universo
doveva essere instabile, Einstein aggiunse alle sue equazioni un termine
correttivo che rappresentava la quantità di energia indispensabile per rendere
immobile l’Universo stesso. In seguito, questo termine con valore costante
(anche se ignoto) venne chiamato costante
cosmologica.
La soluzione di Einstein non incontrò il favore di tutti gli scienziati
e nel 1922 il matematico russo Alexander Friedmann dimostrò che l’Universo
statico di Einstein doveva essere malfermo come lo è una matita in equilibrio
sulla punta: la più piccola perturbazione avrebbe portato lo spazio a contrarsi
o a espandersi. In un primo momento Einstein dichiarò che Friedmann si
sbagliava ma in seguito dovette riconoscere che il matematico russo aveva
ragione e che a sbagliare era stato lui.
Alcuni anni più tardi l’astronomo americano Edwin Hubble scoprì,
attraverso osservazioni molto precise e incontrovertibili, che l’Universo si
stava in realtà espandendo. A quel punto anche i più riottosi si convinsero
della inutilità della costante cosmologica, ma verso la fine del Ventesimo
secolo si dovette di nuovo cambiare idea.
Nel 1998 due gruppi di astronomi, in modo indipendente, scoprirono che lo
spazio vuoto contiene energia la quale determina l’accelerazione delle galassie.
Fino a quel momento si era sempre pensato che l’espansione del Cosmo stesse
rallentando per effetto della gravità generata dalle masse in esso contenute,
le quali frenavano la spinta originaria conseguente al Big Bang: allora invece
si scopriva che
l’Universo non solo non rallenta, ma accelera.
La prova inconfutabile dell’esistenza di questa misteriosa forma di
energia venne dall’osservazione di alcune particolari supernove dette di tipo
Ia o SN Ia
(Super Novae di tipo “primo a”) le quali differiscono dal tipo classico di
supernove che esplodono in seguito al collasso dei nuclei di stelle massicce,
quando termina in esse la produzione di energia generata attraverso la fusione
nucleare. Le stelle SN Ia hanno
invece un’origine diversa in quanto derivano da nane bianche appartenenti a
sistemi binari.
Si è osservato che quando due stelle si trovano a breve distanza l’una
dall’altra orbitano entrambe intorno al centro di massa comune. Ora, qualora
una delle due avesse una massa maggiore dell’altra questa invecchierebbe prima
della compagna perché esaurirebbe più velocemente il combustibile e quindi si
contrarrebbe fino a diventare una nana bianca ossia una stella piccola come
Le supernove di tipo Ia si dimostrarono molto utili agli astronomi per due ordini di
motivi. Innanzitutto perché le esplosioni di queste stelle sono di una potenza
tale da essere viste anche a miliardi di anni luce di distanza. In secondo luogo
perché si tratta di stelle che, in virtù della loro origine, sono molto
simili, per cui generano, quando esplodono, la stessa emissione massima di
energia e dopo aver raggiunto il picco di luminosità si spengono tutte alla
stessa velocità.
Grazie a questa doppia proprietà le SN Ia
rappresentano delle “candele standard” luminosissime e facilmente
riconoscibili la cui emissione di energia è la stessa, ovunque esse appaiano.
Quella descritta è però la luminosità assoluta, mentre quella apparente
dipende dalla distanza a cui la stella si trova. Una SN Ia
posta ad esempio a una distanza doppia di un’altra apparirà quattro volte
meno luminosa della prima, dal momento che la luminosità apparente di una fonte
luminosa qualsiasi diminuisce con il quadrato della sua distanza
dall’osservatore.
Paragonando la luminosità apparente delle SN Ia
più vicine con quelle più lontane, i due gruppi di specialisti delle supernovae
riuscirono a determinare la velocità di allontanamento delle galassie più
distanti. 3. IL MODELLO INFLAZIONARIO
Verso la metà degli anni Novanta del secolo scorso, i cosmologi avevano
calcolato che sommando alla materia visibile quella oscura si raggiungeva una
quantità totale di essa che era meno di un terzo di quella necessaria a creare
un Universo piatto. Con la scarsa quantità di materia presente l’Universo
sarebbe stato a curvatura negativa e quindi si sarebbe espanso per sempre e ciò
in realtà non rappresentava in sé un fatto negativo, se non fosse che molti
cosmologi, orientati verso la teoria, ritenevano che lo spazio dovesse essere
piatto.
Questo convincimento derivava dal modello inflazionario di Universo che
era stato proposto dal fisico americano Alan Guth nel 1979. Il giovane fisico
ipotizzava, al fine di eliminare alcune incongruenze insite nel modello classico
del Big Bang, che nei primi istanti di vita il Cosmo si fosse espanso in modo
incredibile raggiungendo in un tempo infinitamente piccolo dimensioni enormi.
Il modello spiegava una serie di osservazioni che quello classico del Big
Bang non riusciva a chiarire ma nel contempo mostrava che l’Universo avrebbe
dovuto essere piatto. Spieghiamo questa caratteristica con un esempio.
Immaginiamo allora di gonfiare una pallina da pingpong fino a farla diventare
grande come
Ma per quale motivo l’energia oscura dovrebbe appiattire lo spazio? La
risposta sta nella considerazione che l’energia è materia. La famosissima
equazione di Einstein: E=mc² suggerisce proprio questo e cioè che una certa
quantità di energia E la si può immaginare in termini della corrispondente
quantità di massa m, uguale a E diviso per c² (velocità della luce al
quadrato). Ciò porta come conseguenza che la quantità totale della massa
presente nell’Universo è uguale alla somma dei contributi della materia
(visibile e oscura) e dell’energia intesa come massa equivalente.
Ora, se la quantità totale della materia presente nell’Universo
raggiungesse un determinato valore, lo spazio diverrebbe piatto. Tale
conclusione coinciderebbe con la predizione del modello inflazionario,
perché nel calcolo della massa totale dell’Universo non ha alcuna importanza
se essa derivi solo dalla materia o solo dall’energia del vuoto o dalla somma
di entrambe.
L’entità della spinta espansionistica dell’energia oscura ci
consente di valutarne la massa che corrisponde per l’appunto a circa il 70%
della materia presente nell’Universo. Poiché gli astronomi, come abbiamo
visto, avevano calcolato che la quantità di materia (luminosa e oscura)
presente nell’Universo valeva circa il 30% di ciò che era necessario a
rendere l’Universo piatto, ora, aggiungendo a questa la massa corrispondente
all’energia oscura si arriva al valore necessario a rendere l’Universo
piatto, cioè quello previsto dal modello inflazionario.
Attualmente l’influenza relativa della materia e quella dell’energia oscura
nel determinare la piattezza dell’Universo come ordine di grandezza sono fra
loro comparabili (30 contro 70 per cento): ma non è stato sempre così. Con lo
scorrere del tempo l’Universo è rimasto piatto ma il contributo della materia
e dell’energia oscura nel garantire questo aspetto è cambiato. È infatti
evidente che nel tempo immediatamente successivo al Big Bang l’energia oscura
non aveva alcuna influenza perché lo spazio era occupato interamente dalla
materia la quale creava tutta la gravità necessaria ad attirare le masse. Con
il passare del tempo tuttavia questa cominciò a diradarsi mentre aumentava
lo spazio a disposizione dell’energia oscura fino ad arrivare al tempo attuale
in cui, come abbiamo visto, le due grandezze sono confrontabili. In un futuro
immensamente remoto la materia sarà così rarefatta che la sua influenza sarà
quasi ridotta a zero mentre rimarrà solo quella corrispondente all’energia
oscura a mantenere piatto lo spazio. 4. I NUOVI MODELLI DI UNIVERSO
Tutto ciò che gli astronomi riescono ad osservare entro un raggio di
circa quindici miliardi di anni luce (limite determinato dalla distanza che un
segnale che viaggi alla velocità della luce ha percorso da Big Bang ad oggi)
potrebbe aver avuto origine dalla dilatazione inflativa di una regione
infinitesima del minuscolo Universo primordiale. Tuttavia questa espansione,
come abbiamo detto, potrebbe aver generato un Universo di dimensioni enormi, ma
perfino questa estensione smisurata del Cosmo potrebbe non esaurire la totalità
di ciò che esiste.
Il fisico russo-americano Andrei Linde ha suggerito che la violenta
esplosione iniziale potrebbe non essere stato un evento unico ma che condizioni
simili al Big Bang potrebbero essersi presentate svariate volte in regioni
isolate del Cosmo. Ciascuna di queste regioni si sarebbe quindi evoluta in un
Universo distinto. In ognuno di questi nuovi Universi il processo andrebbe
avanti e nuovi Universi scaturirebbero da quelli vecchi generando una rete
interminabile di nuovi mondi in espansione. Tutto questo smisurato grappolo di
Universi viene chiamato megaverso, un neologismo che deriva dalla contrazione dei termini
mega (grande) e Universo; ma forse più corretto sarebbe chiamarlo multiverso.
Anche altre congetture suggeriscono una molteplicità di Universi. Ad
esempio, ogni qualvolta si formi un buco nero i processi che avvengono al suo
interno potrebbero innescare la creazione di un altro Universo in uno spazio
disgiunto dal nostro. Traendo spunto dalla analogia fra le condizioni fisiche in
cui si trovava l’Universo prima del Big Bang e quelle di un buco nero,
entrambi caratterizzati da un’enorme densità di materia, alcuni astrofisici
hanno pensato che quest’ultimo potrebbe essere il seme da cui si formerebbe un
nuovo Universo. E se il nuovo Universo fosse simile al nostro si originerebbero
in esso stelle, galassie e buchi neri i quali ultimi produrrebbero una nuova
generazione di Universi e così via, magari all’infinito.
Alan Guth e il collega Edward Harrison hanno addirittura ipotizzato che
si possano fabbricare Universi in laboratorio concentrando una certa quantità
di materia fino a trasformarla in un buco nero. Essi immaginano quindi che il
nostro Universo, come tanti altri, possa essere il risultato di un esperimento
eseguito da un folle.
Naturalmente possiamo pensare che la fisica cambi da un Universo
all’altro. In alcuni le differenze potrebbero essere minime mentre in altri la
fisica potrebbe essere radicalmente diversa da quella che vige nell’Universo
nel quale viviamo. Ad esempio le particelle elementari e le quattro forze
fondamentali potrebbero presentare valori completamente diversi da quelli che
conosciamo e perfino – come suggerisce la teoria delle stringhe – il numero
di dimensioni spaziali potrebbe essere diverso da tre. La teoria delle stringhe
suggerisce infatti che le dimensioni dello spazio siano dieci ma di queste solo
quattro – tre spaziali ed una temporale – sono diventate astronomicamente
grandi mentre le rimanenti sarebbero rimaste strettamente arrotolate in sé
stesse e impercettibilmente piccole.
Negli altri Universi, però, le dimensioni spaziali macroscopiche
potrebbero essere solo due o addirittura nessuna, o forse nove o dieci.
Naturalmente anche le leggi di natura potrebbero cambiare da un Universo
all’altro: le possibilità sono infinite. Ebbene, esplorando questo numero
sconfinato di Universi si scopre che la maggior parte di essi non presenta
condizioni favorevoli alla vita mentre il nostro sembra essere finemente
regolato non solo per la vita, ma proprio per il nostro tipo di vita.
L’esistenza della vita, e in particolare della vita intelligente è il
presupposto necessario per potersi domandare per quale motivo il nostro Universo
abbia le caratteristiche che ha. In altre parole l’aspetto del nostro Universo è
quello che è perché, se fosse diverso, noi non saremmo qui ad osservarlo.
Questo ragionamento è la versione elegante del problema che va sotto il nome di
“principio antropico”. Esso afferma proprio questo e cioè che in un
qualsiasi Universo vi saranno osservatori che lo studiano solo se si
verificheranno certe condizioni particolari. Il Cosmo, in altre parole, non
potrebbe esistere senza qualcuno che lo osservi e alcuni cattolici integralisti
vedono in questo un sostegno alle proprie convinzioni. Essi asseriscono che
poiché all’umanità viene assegnato un ruolo centrale, il Cosmo deve essere
stato creato su misura per noi da una potenza superiore.
Un oppositore di una simile conclusione farebbe notare che tale prova a
sostegno dell’esistenza di Dio implicherebbe che costui è il creatore più
sprecone che si possa immaginare: un creatore costretto a dar vita a
innumerevoli Universi solo perché la vita possa nascere e svilupparsi in un
piccolo settore di uno solo di essi.
Inoltre, l’ipotesi che il nostro Universo possegga delle proprietà
attentamente calibrate appare antieconomica e irrispettosa del precetto di
ordine metodologico che va sotto il nome di “rasoio di Occam”. Il filosofo
inglese Guglielmo di Occam, vissuto nella prima metà del Quattordicesimo
secolo, raccomandava di escludere dal mondo e dalla scienza tutti gli enti e i
concetti superflui. Il suo precetto era il seguente: “entia non sunt moltiplicanda praeter necessitatem” (cioè non dobbiamo moltiplicare gli enti
oltre necessità). È inutile quindi immaginare una molteplicità di Universi
per poi sceglierne uno solo adatto alla vita.
Per concludere facciamo un cenno ad un recente modello di Universo
che elimina la sua nascita dal nulla, senza dover invocare un numero infinito di
essi. Il modello si ispira alla “gravità quantistica” una teoria cercata da
decenni che combina Relatività generale e Meccanica quantistica in un quadro
coerente. Un particolare aspetto di questa teoria, chiamato con termine inglese
a “loop”, descrive lo spazio come una danza di minutissimi anellini (appunto
i loop) ma, cosa più importante, nelle equazioni esclude la variabile tempo
poiché quello che emerge dai calcoli è la possibilità che il Big Bang non sia
stato un vero inizio della storia del mondo. La teoria immagina la presenza di
undici dimensioni, di cui la maggior parte “compattate”, cioè
arrotolate su loro stesse così strettamente da risultare invisibili. Noi, come
ben si sa, abbiamo esperienza diretta con solo tre di esse a cui dobbiamo
aggiungere il tempo.
Per visualizzare un modello così complesso chiamato Big
Bounce (ossia “grande rimbalzo”) dobbiamo immaginare il nostro Universo
come una “membrana” a tre dimensioni spaziali immersa in un iperspazio ad 11
dimensioni. A fianco di questo Universo-membrana, si deve supporre la presenza
di un altro che si avvicina al primo fino ad entrare in collisione con esso.
Questo scontro darebbe origine al Big Bang a cui seguirebbe il rimbalzo dei due
Universi e il loro reciproco allontanamento. Esaurita la spinta seguente allo
scontro i due Universi tornerebbero ad avvicinarsi per entrare nuovamente in
contatto e dar luogo ad un’altra collisione e così via all’infinito.
L’Universo avrebbe quindi una storia ciclica che si ripete ad intervalli di
centinaia di miliardi di anni. Come si vede il modello non tiene conto del tempo
inteso quale inizio di tutte le cose.
È importante chiarire che tutte le teorie che abbiamo esposto sono pure
speculazioni tanto che dovrebbero essere precedute da inviti alla cautela.
Tuttavia, chiedersi se esistano Universi non osservabili non è assurdo, né
privo di senso. La questione, è ovvio, non potrà essere risolta
dall’osservazione diretta, perché nulla può uscire né entrare nel nostro
Universo, nemmeno un segnale elettromagnetico, ma è sicuramente possibile
andare in cerca di dati empirici pertinenti che potrebbero condurci ad una
risposta. D’altronde nessuno ha mai visto i buchi neri o le reazioni di sintesi nucleare che
avvengono all’interno del Sole e delle altre stelle, tuttavia siamo convinti della loro esistenza perché le teorie sulle quali
questi fenomeni si fondano sono ben comprese dalla comunità scientifica. |
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