Il progresso scientifico

Nel corso dell’ultimo secolo le scienze naturali, grazie soprattutto all’utilizzo di apparecchiature sempre più potenti e precise, hanno ricevuto un contributo di conoscenze superiore a quello accumulato durante tutti i secoli precedenti. Inoltre, la formulazione di alcune teorie generali è servita a semplificare e razionalizzare gli aspetti fondamentali delle principali discipline scientifiche.

La teoria evoluzionistica di Darwin, ad esempio, ha rappresentato nell’ultimo secolo il concetto unificante di tutta la biologia. Fino a quel momento la diversità degli organismi, le rassomiglianze e le differenze fra le varie specie, i diversi tipi di adattamento all’ambiente e di influenza reciproca fra organismi viventi, avevano rappresentato semplicemente una sconcertante congerie di dati a cui solo la teoria della evoluzione ha dato un significato coerente. Oggi non vi è argomento di biologia per il quale questa teoria non sia servita come principio ordinatore.

Anche nel campo della fisica terrestre non esisteva fino ad alcuni decenni fa una teoria unificatrice simile a quella che tanto successo aveva avuto in biologia, tale da inquadrare in un’unica visione fenomeni come i terremoti, la formazione delle montagne e le manifestazioni vulcaniche, i quali venivano studiati e analizzati separatamente. Si incominciò a far luce su questi argomenti agli inizi degli anni Sessanta del secolo scorso, quando si impose la teoria della “tettonica delle placche” che rivoluzionò profondamente le scienze della Terra. Ed è proprio grazie a questa teoria generale che forse un giorno si riusciranno a prevedere con congruo anticipo i terremoti e le eruzioni vulcaniche.

La stessa chimica generale fino a poco più di cinquant’anni fa consisteva in un insieme di formule, di reazioni e di alcuni argomenti teorici tutti slegati fra di loro. Il progresso fatto negli ultimi decenni con l’acquisizione di nuovi principi e con lo sviluppo di teorie unificatrici ha consentito di presentare la chimica descrittiva in forma semplice, lineare e logica. Ad esempio, la teoria delle ossido-riduzioni che spiega buona parte delle reazioni chimiche per mezzo di spostamento di elettroni da una specie chimica ad un’altra e quella di Brønsted che interpreta le reazioni acido-base con lo spostamento di protoni da una specie chimica ad un’altra, rende l’argomento relativo alla trasformazione della materia coerente e di più facile comprensione.

Per quanto riguarda la fisica, come è ben noto, i fenomeni naturali oggi vengono descritti per mezzo di due teorie fondamentali parziali: la teoria generale della relatività e la meccanica quantistica. La prima descrive la forza di gravità e la struttura dell’Universo su scale molto grandi, mentre la meccanica quantistica si occupa di fenomeni su scale estremamente piccole. Queste due teorie sono però in disaccordo fra loro e non possono quindi essere entrambe corrette. Una delle maggiori imprese della fisica di oggi è pertanto la ricerca di una nuova teoria che le includa entrambe: una teoria quantistica della gravità. Non è peraltro la prima volta che i fisici sono impegnati nella unificazione in una singola trattazione fenomeni di natura diversa. Nell’Ottocento ad esempio la forza magnetica e quella elettrica erano separate e il loro utilizzo pratico era molto limitato. Quando le due forze vennero unite in quello che si chiama “elettromagnetismo” si realizzò un notevole progresso economico e sociale che oggi è sotto gli occhi di tutti: basta accendere la luce per rendersene conto!

Le profonde innovazioni nella interpretazione dei fenomeni naturali all’interno delle diverse discipline ha portato ad una serie infinita di nuove scoperte nel campo della medicina, della fisica, della meccanica e di numerosi altri settori tecnologici, ma fra i vari ambiti scientifici forse quello che è cambiato più radicalmente nel corso degli ultimi cent’anni è la cosmologia.

IL MODELLO SUPERATO DI UNIVERSO

Fino agli inizi del secolo scorso si riteneva che al Sole, e in genere a tutto il sistema solare, fosse riservata una posizione di privilegio, ossia la collocazione al centro della Via Lattea, la quale era descritta dagli astronomi come un ammasso isolato di stelle circondato da vuoto infinito. Oggi sappiamo che la Via Lattea ossia la nostra Galassia non è tutto ciò che esiste, ma soltanto uno degli oltre 100 miliardi di sistemi stellari simili che popolano l’Universo visibile.

A quel tempo inoltre la comunità scientifica era convinta che il Cosmo fosse statico ed eterno tanto che quando Albert Einstein propose la teoria della relatività generale che descriveva la gravità in modo nuovo il modello dell’Universo statico e isolato andò in crisi. Le equazioni generalizzate di quella nuova teoria detta anche teoria di Einstein della gravitazione prevedeva infatti che l’Universo dovesse essere in espansione o in contrazione, ma non fisso e immutabile nel tempo. Per salvare le vecchie idee il fisico tedesco introdusse allora nelle sue equazioni un termine correttivo che chiamò “costante cosmologica”. Si trattava di un fattore che agiva come una forza repulsiva, una sorta di “antigravità”, che bilanciava la gravità ordinaria e rendeva possibile l’esistenza di un Universo statico, finito ma illimitato. Illimitato significa che qualora venisse lanciato nello spazio un segnale qualsiasi, ad esempio un raggio luminoso, questo, dopo avere fatto il giro del mondo, finirebbe per tornare al punto di partenza illuminando la nuca di colui che l’aveva lanciato.

A quel tempo, inoltre, nessuno immaginava che l’Universo avesse avuto origine con un’enorme esplosione (il famoso big bang) né che nei suoi primi istanti di vita si fossero sintetizzati gli elementi più semplici, i quali avrebbero continuato a formarsi nel centro delle stelle dove la sintesi sarebbe proseguita verso la formazione degli elementi più complessi compresi quelli instabili che, non essendo più presenti sulla Terra, recentemente sono stati sintetizzati dall’uomo nei laboratori di fisica.

Quando negli anni Venti fu osservato dall’astronomo americano Edwin Hubble (1889-1953) il red shift, cioè lo spostamento verso il rosso della radiazione luminosa che proveniva dalle galassie lontane (un fenomeno che venne interpretato come la conseguenza dell’espansione cosmica originata dall’esplosione iniziale) Einstein riconobbe di aver commesso l’errore più grave della sua carriera scientifica nell’aver modificato le sue equazioni introducendo in esse il termine cosmologico.

L’osservazione che tutte le galassie si allontanano da noi non significa che la nostra occupi una posizione centrale poiché anche tutti gli altri oggetti celesti si allontanano l’un dall’altro. Quando l’astrofisico britannico Arthur Eddington venne a sapere dell’osservazione di Hubble si chiese quale fosse il motivo per il quale tutti gli elementi del cosmo sfuggivano da noi come se fossimo gli appestati dell’Universo. Egli tuttavia si rese immediatamente conto che la conclusione a cui era giunto rappresentava un falso problema. Non si trattò infatti di un ritorno alla centralità tolemaica della Terra in quanto l’espansione sarebbe riscontrabile da un qualsiasi ipotetico osservatore collocato in un qualsiasi punto dello spazio cosmico. Non sono le galassie infatti a viaggiare nello spazio, come superficialmente si potrebbe pensare, ma è lo spazio stesso a dilatarsi come se si trattasse di un enorme telo di gomma che si allunga mentre le galassie poste su di esso in realtà stanno ferme.

Non tutta la comunità scientifica si convinse che l’Universo potesse essersi originato da un’enorme esplosione. Nel 1948 tre astronomi – uno inglese, Fred Hoyle, e due austriaci, Hermann Bondi e Thomas Gold – enunciarono quello che fu definito il “principio cosmologico perfetto” in base al quale la struttura e le proprietà dell’Universo sono sempre le stesse non solo nello spazio (come d’altronde prevedeva anche il modello del big bang) ma pure nel tempo. L’Universo in altre parole, secondo il modello che fu detto dello “stato stazionario”, sarebbe dovuto essere eterno e infinito.

L’indiscutibile allontanamento delle galassie – secondo Hoyle, Bondi e Gold – è dovuto ad un moto di espansione dello spazio cosmico che esiste da sempre e non come conseguenza di un avvenimento primordiale che creò dal nulla energia e materia. Una continua creazione di materia, che nel tempo si aggrega in stelle e galassie, consente di mantenere complessivamente in ogni regione la stessa densità. A compensare lo spazio vuoto conseguente all’allontanamento delle galassie è stato calcolato che sarebbe sufficiente la comparsa di un solo atomo di idrogeno per centimetro cubo ogni diecimila anni: una quantità di materia talmente irrisoria da non poter essere osservata sperimentalmente in alcun modo. In realtà la nascita di nuova materia è una palese violazione del principio per cui nulla si cerea e nulla si distrugge, ma, sostengono i fautori del modello dello stato stazionario, anche la teoria del big bang presuppone a sua volta una improvvisa creazione dal nulla e non solo di singoli atomi ma addirittura di tutta la materia e di tutta l’energia dell’Universo.

Nonostante il suo fascino, il modello dello stato stazionario poneva dei problemi. Il primo riguardava il tasso di creazione della materia che non si capiva per quale motivo dovesse essere proprio in misura tale da compensare esattamente il vuoto lasciato dall’espansione. Il secondo problema riguardava l’osservazione di un grande numero di quasar (oggetti celesti che sembrano stelle ma che emettono energia pari a quella di un’intera galassia) nelle zone lontane e di uno piccolo in quelle vicine. Dal momento che lo spazio lontano corrisponde al passato remoto quest’ultima osservazione era in netto contrasto con il modello dello stato stazionario secondo il quale l’Universo non avrebbe dovuto variare nel tempo.

Ma il colpo decisivo alla cosmologia dello stato stazionario fu assestato da un’osservazione fatta da due ingegneri, Arno Penzias e Robert Wilson, della società dei telefoni americana i quali, nel 1965 vennero incaricati di mettere a punto una grossa antenna per comunicazioni via satellite: si trattava di uno strumento molto sensibile che era il frutto di molti anni di lavoro. I due ingegneri americani notarono però che, nonostante la sua perfezione, l’apparecchio registrava un fastidioso fruscio di fondo che non c’era modo di eliminare.

Dopo avere smontato e rimontato l’apparecchio diverse volte, nella convinzione che il rumore fosse da attribuire ad una imperfezione del congegno o a un difetto del materiale, alla fine i due ingegneri si convinsero che l’antenna stava registrando una emissione di microonde che aveva origine nello spazio. Essi avevano inoltre osservato che la radiazione non proveniva da una particolare direzione ma era captata da qualsiasi parte venisse puntata l’antenna.

In quello stesso momento, nella vicina Università di Princeton, una equipe di fisici stava cercando di individuare per mezzo di antenne simili a quella utilizzata dai due tecnici dei Bell Telephone Laboratories un fenomeno previsto da George Gamow, l’astrofisico che aveva elaborato la teoria del big bang (espressione, detto per inciso, coniata da Fred Hoyle con intento di derisione) secondo il quale trecentomila anni dopo la grande esplosione si era diffusa una radiazione termica del tutto isotropa (ossia identica in ogni direzione) che nel tempo si era andata raffreddando fino a raggiungere una temperatura compresa fra i 2 e i 3 gradi assoluti. In effetti, la radiazione individuata da Penzias e Wilson era esattamente di 2,7 kelvin. Questa rappresentava la prova inconfutabile del fatto che ci troviamo in un Universo in evoluzione e non stazionario ed eterno come immaginato da Hoyle e dai due suoi colleghi austriaci.

IL FUTURO DEL NOSTRO UNIVERSO

Negli ultimi cento anni la scienza, come abbiamo detto, ha fatto passi da gigante rivoluzionando la nostra visione del mondo, ma siamo sicuri che questo progresso di conoscenze continuerà anche in futuro? Nuove scoperte porteranno ad una esemplificazione e ad un arricchimento dei fenomeni naturali o metteranno in crisi le nozioni acquisite, producendo un regresso?

Nel campo dell’astronomia ad esempio di recente è stato scoperto che l’espansione dell’Universo accelera invece che rallentare come si era sempre creduto e come era logico attendersi. Si riteneva infatti che la spinta iniziale fosse destinata a rallentare per l’azione della forza di gravità la quale, qualora la massa presente nell’Universo fosse notevole, avrebbe potuto anche fermare l’espansione e trasformarla in un’immensa implosione che porterebbe ogni cosa alla situazione iniziale.

Studi teorici che si protraevano fin dal 1985 avevano ipotizzato la presenza nello spazio vuoto di una rilevante quantità misteriosa di energia (detta energia oscura) in grado di governare l’espansione dell’Universo. Si trattava di un’ipotesi frutto tuttavia di misurazioni indirette mentre, come è noto, in fisica, quello che conta, è l’osservazione diretta. Nel 1998, esattamente dieci anni fa, due gruppi indipendenti di astronomi, osservando un tipo particolare di supernovae chiamate 1A (in verità più correttamente, come vedremo fra breve, le si dovrebbe indicare con la sigla Ia, che si legge “primo a”) dedussero che l’espansione dell’Universo si era andata accelerando nel corso del tempo.

Anche le stelle, come un qualsiasi oggetto naturale, sono destinate a morire. La fine di una stella è sempre un evento drammatico che tuttavia si realizza con modalità diverse a seconda della massa della stella originaria e della presenza nelle vicinanze di un’altra stella o di una grande nube di polvere e gas. Nel caso delle supernovae si tratta di fenomeni fra i più energetici e violenti che si possono verificare in natura.

Le supernovae sono stelle di grande massa che, quando al loro centro termina la fusione dell’idrogeno (la cui energia produce una pressione di gas abbastanza forte da resistere al collasso gravitazionale degli strati superiori) esplodono divenendo dieci miliardi di volte più luminose del Sole. L’esplosione distrugge la stella disperdendo la maggior parte del materiale nello spazio e lasciando solo qualche minuscolo residuo collassato. All’osservazione il fenomeno si presenta con un improvviso fortissimo aumento di luminosità di un corpo celeste che prima appariva debolissimo o che addirittura non era visibile, tanto che un tempo si pensava che si trattasse della nascita di una nuova stella, mentre oggi sappiamo che in realtà il fenomeno consiste nella morte di un astro preesistente.

Grazie all’utilizzo di apparecchi speciali, chiamati spettrografi, la luce di una stella può essere scomposta nelle sue diverse lunghezze d’onda. Il risultato di questa operazione è una striscia luminosa lungo la quale i colori si dispongono come nell’arcobaleno. Questa striscia colorata costituisce quello che viene chiamato lo spettro luminoso della stella. All’interno dello spettro del Sole (e successivamente anche in quello delle altre stelle) gli astronomi dell’Ottocento individuarono la presenza di numerose righe scure dette righe di assorbimento che oggi sappiamo corrispondere ad atomi i quali compongono gli strati più esterni di quei corpi celesti. Le analisi degli spettri mostrano che quasi tutte le stelle sono composte principalmente di idrogeno ed elio.

Pertanto le supernovae sono state classificate in due famiglie principali denominate “Tipo I” e “Tipo II” a seconda che nel loro spettro vi sia assenza o presenza delle righe dell’idrogeno. Le supernovae di Tipo I sono le più luminose e a loro volta si dividono in tre sottogruppi: “Ia”, “Ib” e “Ic” a seconda che nel loro spettro luminoso compaiano rispettivamente la riga del silicio ionizzato, quella dell’elio ben evidente e dello stesso elio ma appena accennata. Le supernovae di Tipo II, diversamente dalle precedenti, si producono a partire da stelle giovani di massa dell’ordine di 10 masse solari e sono meno luminose nonché meno simili fra loro di quanto non siano quelle di Tipo I.

Le supernovae di Tipo Ia possono essere considerate candele standard grazie alla loro luminosità intrinseca, uguale per tutte, in conseguenza della comune origine. Si tratta infatti di stelle di massa non molto superiore a quella del Sole le quali alla fine della loro evoluzione si trasformano in nane bianche, ossia in stelle piccole e molto compatte. Ora, se una nana bianca guadagna lentamente massa grazie al contributo di una stella vicina o al risucchio di materia che sosta in vicinanza, essa si accresce divenendo più densa e più calda fino ad innescare reazioni termonucleari che portano alla sua esplosione violenta. Poiché queste esplosioni di solito si verificano in presenza di una massa e di una densità specifiche, le stelle che ne derivano sono tutte molto simili e conseguentemente presentano una luminosità intrinseca che è la stessa in tutti gli esemplari.

L’assenza di righe dell’idrogeno nello spettro fa escludere che le supernovae di Tipo Ia si siano generate dal collasso di stelle massicce, come sono quelle di Tipo II le quali, quando esplodono, posseggono ancora un grosso guscio di idrogeno. Il tipo di supernovae che rappresentano le candele cosmiche devono dunque originarsi da un corpo praticamente privo di idrogeno come sono appunto le nane bianche. A loro volta, come abbiamo detto, queste derivano da stelle non molto grandi le quali, quando hanno trasformato tutto l’idrogeno in elio, si spengono. Ciò determina una contrazione degli strati superiori che provoca un aumento di pressione e di temperatura tale da facilitare la fusione dello stesso elio con formazione di particelle alfa, neutroni, protoni e pochi elementi più pesanti. Le piccole particelle molto energetiche reagiscono poi con i nuclei di vari elementi presenti generando a loro volta altri elementi fra cui prevalgono quelli del gruppo del silicio.

LE CONSEGUENZE COSMOLOGICHE

Lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali di oggetti molto lontani ci informa di come si muovevano questi oggetti quando la loro luce si mise in cammino, non come si muovono adesso. Per avere questa informazione, come abbiamo visto, era necessario individuare sorgenti luminose abbastanza forti da essere visibili a distanza grandissima e molto simili fra loro, affinché lo splendore apparente di esse ci desse notizia di quanto sono lontane. Le supernovae di tipo Ia si sono rivelate le più adatte allo scopo fra i vari oggetti celesti presi in considerazione.

L’espansione sempre più rapida finirà per allontanare le galassie con una velocità apparente superiore a quella della luce, facendole scomparire per sempre alla nostra vista: si verrà quindi a formare una specie di orizzonte degli eventi al contrario. Come è noto, nei buchi neri l’orizzonte degli eventi è una superficie sferica che impedisce agli eventi che avvengono al suo interno di uscire e raggiungere un osservatore lontano; nel caso dell’Universo di un remoto futuro l’orizzonte degli eventi sarebbe una superficie che impedisce alla luce inviata dalle galassie molto lontane di raggiungere la nostra.

La forte espansione dell’Universo cancellerà le testimonianze che hanno consentito di ipotizzare la sua origine, perché allontanerà le prove dell’esplosione primordiale. In verità una forte espansione dell’Universo è già avvenuta all’inizio della sua storia nella cosiddetta epoca inflazionaria (tra 10^-35 e 10^-32 secondi dopo il big bang) durante la quale l’Universo medesimo ha subito un’espansione esponenziale che ha portato la particella primordiale, miliardi e miliardi di volte più piccola di un protone, a raggiungere le dimensioni di una grossa mela. Per dare un’idea concreta di quello che deve essere successo in quel tempo lontano si può immaginare un oggetto grande quanto un atomo che in una frazione irrilevante di secondo assume le dimensioni di una galassia. La fase di espansione accelerata che si è verificata ai primordi della storia dell’Universo ha cancellato quasi tutte le tracce dell’Universo preesistente, compresi gli eventi accaduti nell’istante del big bang.

Gli astronomi hanno calcolato che fra alcuni miliardi di anni la fisionomia dell’Universo sarà profondamente cambiata. Le galassie più vicine alla nostra (Andromeda ed altre di dimensioni minori) si saranno fuse insieme per formare una supergalassia e ad occhio nudo l’uomo (se ancora esisterà) vedrà più o meno quello che vediamo noi oggi. Le stelle più grosse avranno esaurito il loro combustibile nucleare e saranno uscite di scena, ma rimarranno quelle di più piccole dimensioni a rischiarare il cielo.

La sorpresa maggiore si avrà tuttavia quando i futuri astronomi punteranno i loro telescopi per guardare a grandi distanze: non vedranno nulla. Le galassie esterne alla nostra si saranno infatti allontanate al punto da diventare invisibili. L’Universo diventerà simile a quello che si immaginava fosse prima della formulazione della Teoria della relatività generale, ossia un enorme gruppo di stelle statico ed eterno circondato da spazio vuoto.

Nulla riuscirà a far capire agli astronomi quale è stata l’origine dell’Universo in cui vivono. Ad esempio con il procedere dell’espansione cosmica la lunghezza d’onda della radiazione di fondo che attualmente ci fornisce informazioni sui primi momenti di vita dell’Universo non solo si sarà di molto indebolita ma avrà raggiunto le dimensioni di metri e quindi si troverà nella banda delle onde radio e non più delle microonde (si parlerà allora di fondo cosmico radio e non più di fondo cosmico di microonde come si fa ora). Questa radiazione sarà impossibile da osservare perché verrà assorbita e riflessa dal gas ionizzato di elettroni disperso fra le stelle della nostra galassia. Si verificherà lo stesso fenomeno che si realizza attualmente con le onde radio le quali, quando incontrano la ionosfera, ritornano a terra. Il mezzo interstellare si può infatti considerare come un’enorme ionosfera estesa a tutta la galassia.

Non verrà in aiuto degli astronomi del futuro nemmeno l’osservazione dell’abbondanza degli elementi la cui composizione sarà profondamente cambiata nel tempo cancellando quella che attualmente ci consente di avere la prova dell’origine dell’Universo. Come sappiamo, all’inizio questo era costituito di idrogeno, che rappresentava il 76% del totale e di elio, per il rimanente 24%. Oggi le cose non sono cambiate di molto nonostante che una parte dell’idrogeno sia stata convertita in elio all’interno delle stelle e si siano formate piccole percentuali di elementi pesanti all’interno delle stelle più massicce. Ma fra 100 miliardi di anni la composizione della materia all’interno dell’Universo sarà cambiata di molto e si calcola che l’idrogeno presente si sarà ridotto al 20% del totale, l’elio sarà diventato il 60% e gli elementi più pesanti costituiranno il rimanente della materia. Quindi, un osservatore del futuro remoto troverebbe l’elio primordiale sommerso da quello prodotto dalle successive generazioni stellari e non sarebbe in grado di attribuire l’origine di una parte di esso alla nucleosintesi del big bang: egli quindi dedurrà che tutto l’elio osservato è stato prodotto dalle generazioni stellari precedenti.

La conclusione è che gli esseri intelligenti di un lontano futuro, qualora non disponessero di un archivio storico con documenti molto antichi forse ignoreranno per sempre il big bang. Come è successo in precedenza che, a causa dell’inflazione, sono andate perse informazioni fondamentali sulla materia e sull’energia presenti al momento del big bang, la stessa cosa avverrà in futuro quando non sarà più osservabile il moto di allontanamento reciproco delle galassie, la radiazione cosmica di fondo a microonde si sarà diluita fino a non essere più rilevabile e innumerevoli generazioni di stelle avranno contaminato la miscela chimica originaria.

Per quanto riguarda le conoscenze relative al mondo in cui viviamo in futuro vi sarà un regresso rispetto al presente. Gli astronomi devono quindi considerare una circostanza fortunata quella che consente loro di vivere in un periodo della storia dell’Universo in cui alcuni pilastri del big bang sono ancora osservabili.

Prof. Antonio Vecchia