SCIENZE

La nascita del tempo

Nel 1843 il fisico austriaco Christian Doppler osservò che la frequenza di un’onda in un fluido viene ricevuta diversamente da come è emessa se osservatore e sorgente sono in moto relativo. Se una sorgente sonora si avvicina ad un osservatore il suono viene recepito più acuto (la frequenza aumenta), se si allontana diviene più grave (la frequenza diminuisce). Ci sono però significative differenze se a muoversi è la sorgente e l’osservatore è fermo rispetto al fluido o se, viceversa, l’osservatore è in moto nel fluido e la sorgente è immobile. Anche la luce, in quanto onda, risente dell’effetto Doppler: infatti se sorgente e osservatore si avvicinano la luce tende a diventare più blu (frequenza maggiore), se si allontanano appare più rossa. Dopo l’abbandono dell’ipotesi dell’etere luminifero, non c’è nessuna differenza se attribuiamo il moto alla sorgente oppure all’osservatore: per le ipotesi einsteiniane non ha nemmeno senso chiedersi chi è in movimento e chi è fermo, perché non vi è alcuna differenza fisica fra i due sistemi inerziali.

Nel 1929 l’astronomo inglese Edwin Hubble, analizzando l’effetto Doppler della luce proveniente dalle stelle, scoprì una regolarità sorprendente: la velocità di allontanamento delle galassie (calcolata in base allo spostamento verso il rosso dello spettro luminoso) è direttamente proporzionale alla loro distanza dalla Terra.

Questa fu una vera e proprio rivoluzione scientifica, in quanto obbligò gli astronomi a rinunciare all’idea che l’Universo fosse "stazionario", ovvero immobile, immutabile ed eterno. Infatti si giunse alla conclusione che, se le stelle sono in costante allontanamento, in un lontano passato dovevano essere molto vicine se non addirittura fuse in un unico centro. Poiché la gravità tende a frenare l’allontanamento delle galassie, la velocità di espansione tempo fa doveva essere molto maggiore e all’inizio di tutto doveva essere veramente spaventosa. Si è ormai certi che tutto cominciò con una grande esplosione; il Big Bang scagliò lontano con una velocità teoricamente infinita tutta la materia prima concentrata in un punto. Ciò non significa semplicemente che la materia era pressata fino ad acquisire una densità infinita, ma che anche lo spazio era compresso fino al punto di non esistere più. Come dice Paul Davies "è importantissimo rendersi conto che, secondo questo scenario, non preesisteva un vuoto all’interno del quale sia avvenuto il Big Bang" (Gli ultimi tre minuti, pag. 34).

Inoltre, le condizioni esistenti al momento del Big Bang implicano, data l’imponente gravità, un’infinita curvatura del tempo, e quindi assegnano un limite anche al tempo. "Nell’Universo primevo il tempo cessa di essere ben definito, proprio come la direzione nord al Polo Nord della Terra. Chiedersi cosa sia avvenuto prima del Big Bang è insomma un po’ chiedersi cosa ci sia un chilometro a nord del Polo Nord. Il fatto che la quantità che noi chiamiamo tempo abbia un inizio non significa che lo spazio tempo abbia un bordo" (Inizio del tempo e fine della fisica, Stephen Hawking, pag. 68)

Un importante elemento di prova a sostegno della teoria fu la scoperta, nel 1965, della radiazione cosmica di fondo, che nei primi mesi del 2000 è stata catturata e analizzata con accurati strumenti. Questa ebbe origine circa 300000 anni dopo il Big Bang e, sebbene ora si sia raffreddata fino alla temperatura di –270 °C, rappresenta ancora una fedele immagine dell’Universo bambino.

Sebbene la teoria del Big Bang sia la più accreditata per spiegare come nacque il nostro mondo, non si è altrettanto sicuri di cosa abbia fatto della "Grande Esplosione" un’esplosione così grande. Alcuni fisici asseriscono che dopo il primo attimi ci sia stata una nuova spinta espansiva che abbia fatto crescere l’Universo in maniera esponenziale: lo spazio raddoppiava ogni cento trilionesimi di trilionesimo di trilionesimo di secondo (10^-34 s). Cento di quegli infinitesimi e un atomo raggiungerebbe le dimensioni di un anno luce! Questa teoria rende più difficile stabilire quando avvenne il Big Bang: si pensa che possa essere avvenuto dai 10 ai 20 miliardi di anni fa.

Se il nostro passato è incerto, il futuro lo è ancora di più. Tutto dipende dalla massa dell’Universo. Se la quantità di materia è superiore ad un certo valore critico, le galassie, in un futuro remoto, cominceranno a rallentare, per poi fermarsi e infine collassare di nuovo su se stesse: avverrà il Big Crunch. La massa potrebbe essere anche esattamente uguale a questo valore; in tal caso, l’Universo continuerà ad espandersi approssimandosi a una dimensione limite, mentre la velocità di allontanamento tenderà a zero. O, in ultima ipotesi, potrebbe essere inferiore al valore limite: l’Universo continuerà ad espandersi all’infinito, con velocità positiva.

Roger Penrose mostra di preferire l’ipotesi dell’universo in espansione continua. "Ci sono due ragioni per interessarsi a questo particolare caso. La prima ragione è che, se al momento si prendono le osservazioni al loro valore nominale, questo è il modello che dovremmo preferire. Secondo la relatività generale, la curvatura dello spazio è determinata dalla quantità di materia presente nell’Universo ed essa non sembra essere sufficiente per chiudere la geometria dell’Universo. Ora, può darsi che ci sia un mucchio di materia oscura o sconosciuta, di cui non sappiamo ancora nulla. In tale caso l’Universo potrebbe corrispondere a uno degli altri modelli; ma, se non c’è un mucchio di materia extra, molto più di quanto noi crediamo essere presente con le immagini ottiche della galassia, allora l’Universo deve proprio essere del tipo in esame. L’altra ragione è che questa è la teoria che io amo di più!" (Il grande, il piccolo e la mente umana, Roger Penrose, pag. 35).

Così invece commenta T. S. Eliot:

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