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BIG-BANG E RELATIVITA': SOGNO, TEORIA E REALTA'
IL BIG - BANG.
Principio antropico. In fisica vige il principio di causa ed effetto: data una causa deve verificarsi un effetto, e viceversa se si nota un effetto deve cercarsi una causa. E' ovvio che all'inizio c'è non un effetto ma una causa. Noi ormai siamo quasi certi dell'effetto Big-Bang: rimane da cercare la sua causa. Per quanto mi riguarda questa ricerca non mi toglie il sonno, mi basta, almeno per ora, sapere che c'è stato e ciò mi affascina e mi fa fantasticare a sufficienza. Quel che trovo invece non conveniente è il passare dalla ricerca di una causa per il Big-Bang (problema di fisica) alla ricerca di un "perché". Mettendo da parte la risposta religiosa (non si chiede a Dio "perché" ha fatto qualcosa!) rimane da discorrere brevemente del cosiddetto principio antropico, secondo il quale l'infinita sequenza di avvenimenti dal Big-Bang ad oggi ha avuto l'unico scopo di creare l'uomo che osserva ciò che è avvenuto. Cioè il fine ultimo insito nella Natura (personificata!) è quello di creare il suo osservatore, cioè ancora i cani esistono solo perché l'UOMO possa portarli a passeggio la sera con guinzaglio e museruola, cioè ancora se questo universo non avesse creato l'uomo non avrebbe creato neppure i cani, né le pulci che abitano su di essi, né..... e così via indietro nel tempo. Se io fossi abbastanza superbo, potrei dire che l'unico scopo di tutta la creazione è stato farmi nascere, e quando io sarò morto, con me sarà morto il miglior prodotto del big-bang, ragion per cui l'universo rimarrà senza nessuno scopo! Insomma, per farla breve, se non c'è osservatore, non c'è niente da osservare! E' questo per sommi capi il principio antropico (antropos = uomo in greco) e ciò per me è più vicino al principio di un Dio creatore che alla fisica.
Da un punto di vista meno metafisico (la metafisica studia di più i "perché" delle cose anziché i "come") alcuni studiosi pongono quest'altra definizione: le caratteristiche chimiche e fisiche, comprese le costanti universali come la velocità della luce, la costante di Planck, la carica dell'elettrone, ecc. sono state "fatte" in modo che in questo universo abbia potuto nascere l'uomo. In realtà se la Terra fosse stata più vicina al Sole, oppure con meno acqua, oppure senza ossigeno, ecc. l'uomo non avrebbe potuto nascere. Ne segue che, visto che le possibilità a noi offerte sono state così peculiari rispetto alle infinite combinazioni, deve esserci un qualche Ente che ha voluto far sì che accadesse quel che è accaduto. Ma, allo stesso tempo, non pregiudica il fatto che ci siano infiniti altri universi nei quali la vita come noi la conosciamo non esiste, oppure che ci siano altri infiniti universi nei quali la vita è completamente diversa dalla nostra.
Molti sono stati i modi inventati dalle diverse culture per spiegare la genesi del nostro universo. Uno dei noti a noi occidentali, ma non solo a noi, è quello descritto nella Bibbia, proprio con il nome di Genesi, cioè nascita della Terra e di tutto il visibile sulla volta celeste. In modo molto sommario la Genesi suppone che esista da sempre e sempre esisterà un ente superiore, chiamato Dio, il quale per suoi fini, ha creato il tutto dal nulla. E finché si resta nel campo della fede e della religione non c'è nulla da obiettare: ciascuno è libero di credere quel che gli pare, secondo anche solo quello che la sua tradizione culturale pretende. Diverso è il caso quando si passa alla Scienza con la s maiuscola. In questo caso è indispensabile conoscere le leggi che regolano i fenomeni naturali, si pongono delle ipotesi e si studia una teoria da sottoporre a verifiche e prove sperimentali. Se le verifiche prolungate nel tempo danno risultati certi e conformi alla teoria, solo allora si accetta la teoria come vera.
Negli ultimi cento anni si sono susseguite con ritmo sempre più incalzante scoperte e invenzioni che hanno portato, verso la fine degli anni venti del secolo scorso, alla formulazione di una teoria di natura fisica e astronomica che riguarda proprio la genesi del nostro universo, nota sotto il nome di teoria del big-bang. Alcune delle scoperte sono: 1) le nebulose (nuvole) sono in realtà aggregazioni di miliardi di stelle, che noi ora chiamiamo galassie; 2) il moto di allontanamento delle galassie fra loro (che noi ora chiamiamo espansione dell'universo); 3) l'attività nel campo della radiazione x delle galassie più antiche; 4) il processo di formazione degli elementi in modo artificiale negli acceleratori di particelle; 5) lo spostamento verso il rosso, red shift, (o verso il violetto) della radiazione luminosa (effetto Doppler); ecc.
Quella del Big-Bang è appunto una teoria sulla nascita dell'Universo come lo conosciamo ora. Il Grande Scoppio è avvenuto tra 15 e 25 miliardi di anni or sono. Il nostro Sole è una stella giovane poiché ha "solo" 5 miliardi di anni. La grande incertezza sulla data di "nascita" dell'universo dipende dalla, per ora, impossibilità di determinare con "esattezza"(*) la distanza delle stelle più lontane e la loro velocità. Tutto dipende dal valore da dare a una costante (costante di Hubble) la quale può variare, a seconda degli studiosi, da 50 a 100, per cui l'età del nostro universo può essere 10 o 30 miliardi di anni. E' però generalmente accettata la teoria del Big-Bang. Le discussioni, sempre più ampie, nascono quando si cerca di definire: 1) cosa c'era all'istante t = 0; 2) cosa è accaduto fra t = 0 e t = 10-35 s(**); 3) cosa accadrà nel futuro. Chiaramente nessuno scienziato si pone il problema di studiare per quale motivo ciò è avvenuto: agli studiosi interessa conoscere il "come" e il "quando"(***), mentre il "perché" è di pertinenza della religione. I conflitti nascono quando la religione si occupa del come e del quando del mondo fisico (vedi le vite di Copernico, di Keplero, di Galileo, ecc.), oppure quando lo scienziato pieno di fede in una certa religione affianca ai risultati sperimentali una spiegazione sul "fine" dei fenomeni osservati, del tipo: ciò accade per punire o premiare gli uomini.
La teoria del Big-Bang per ora poco può dirci su ciò che accadde nei primi centomilionesimi di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo, ma ci sono ottime spiegazioni di ciò che avvenne da allora ad oggi. In particolare, dopo 3 minuti dall'inizio era tutto finito, cioè l'universo da allora ad oggi non poteva funzionare in nessun altro modo che quello che vediamo: tutto ciò che ci circonda e noi stessi abbiamo il nostro passato e il nostro futuro scritto in quei 3 minuti. Avremmo potuto essere diversi (o non esserci del tutto) se in quei 3 piccolissimi minuti fosse successo qualcosa di diverso da quello che è successo.
Nascita del nostro universo: prima fase
(seguendo il libro "L'universo alle soglie del duemila" della prof. Margherita Hack, Biblioteca universale Rizzoli, 1996)
All'inizio c'era un uovo …. Si potrebbe cominciare così la storia del nostro universo, ma qualcuno potrebbe giustamente chiedere: per fare l'uovo prima deve esserci la gallina …. Ecc ecc. Riprenderemo nel seguito questa questione, per ora diciamo che ci è impossibile sapere cosa c'era prima dell'uovo. Chi vuole può tranquillamente pensare che la gallina c'era da sempre e aspettava semplicemente la voglia o la necessità di fare un uovo. L'importante è rendersi conto che il big-bang è un evento assolutamente singolare per noi e quindi per ora non siamo in grado di stabilire con certezza cosa c'era prima e cosa ha determinato il cambiamento di situazione che ha portato alla nascita di questo universo.
C'era un uovo …. Dove? Quando? Secondo la teoria del big-bang il dove non esiste perché il luogo, cioè lo spazio, nasce insieme all'uovo: il primo luogo è quello dove si trova l'uovo e non ce ne sono altri; man mano che l'uovo cresce si crea lo spazio, l'uovo stesso con le sue dimensioni è lo spazio.
Possiamo anche dire che per noi lo spazio è rappresentato dalla distanza fra due oggetti distinti: ma se siamo in un punto matematico (e quindi senza dimensioni!), se l'oggetto è uno solo, allora non possiamo misurare distanze, cioè lo spazio non esiste. Immaginiamo di avere un palloncino di gomma inizialmente grande come un punto matematico, dentro il quale si trova un microbo ancora più piccolo, il quale costringe il palloncino a gonfiarsi. All'inizio per il microbo esiste lo spazio? Certo che no! Conosce qualcosa fuori del palloncino? Certo che no! Per lui lo spazio è quello che man mano si va formando con la dilatazione del palloncino. Vedremo una ipotesi (fluttuazione di un campo di forze) sul palloncino iniziale, ma subito possiamo dire quale cosa lo fa gonfiare: una energia di intensità straordinaria!
Seguiamo lo schema suggerito dalla professoressa Margherita Hack. Supponiamo che tutto ciò che conosciamo, stelle, pianeti, calore, luce, galassie, ecc. si avvicinino all'infinito fra loro a causa della attrazione gravitazionale. Quale conseguenza si ha? Una molto semplice: maggiore pressione, maggiore temperatura; la temperatura è una diretta conseguenza dell'agitazione degli atomi, i quali si scontrano con sempre maggiore energia sino a "rompersi" nei loro costituenti più intimi. Come possiamo affermare una cosa del genere? E' questo un risultato sperimentale ottenuto negli acceleratori di particelle, macchine nelle quali elettroni e protoni sono portati a velocità simili a quella della luce e fatti scontrare fra loro: a quella velocità i protoni si "rompono" in particelle più piccole chiamate quark.
Ma la temperatura raggiunta quando tutta la materia dell'universo si concentra in un punto è ben maggiore di quella ottenuta nelle nostre macchine: più alta di 1032 °K! E quanto spazio occupa questa "cosa"? Tendenzialmente uno spazio zero, perché non c'è motivo per cui la concentrazione della materia si fermi, in quanto l'attrazione gravitazionale è sempre più "forte" man mano che la distanza fra le particelle diminuisce: minore è la distanza, maggiore è la forza, minore lo spazio occupato, sino a ridursi ad un punto nel quale lo spazio non ha più significato!
E' la situazione che ancora oggi si verifica nel cuore dei buchi neri. Per avere un'immagine visiva, prendiamo una pinza a coppette e raccogliamo una porzione di gelato e immaginiamo che più stringiamo e più piccole diventano le coppette, sino a quando gelato e coppette diventano un punto.
Ecco: era questa la situazione al momento del big-bang e questa sarà la situazione fra 15 o 20 o 30 miliardi di anni se l'espansione dell'universo si arresterà e inizierà la contrazione verso un nuovo big-bang.
Cosa succede quando la contrazione finisce? Cosa succede al tempo zero nel quale tutto comincia? A queste domande non si può rispondere perché a tempo zero e spazio zero le leggi fisiche e chimiche che noi conosciamo non valgono più e non possiamo inventare leggi e formule senza nessun esperimento che ne certifichi la validità.
Ma subito dopo l'inizio, al tempo t = 10-44 secondi, cioè un centesimo di milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo, con la temperatura scesa a 1032 °K, allora si che possiamo cominciare a ragionare, in funzione delle nostre conoscenze su ciò che accade negli acceleratori di particelle.
Cosa c'è nel palloncino che ha appena appena cominciato ad espandersi da una situazione che non possiamo immaginare? Nel palloncino ci sono particelle di materia e di antimateria, ci sono forze, ci sono fotoni, in un miscuglio indistinto e tale che le diverse cose si scambiano di natura e di ruoli.
In primo luogo ci sono i QUARK, cioè le particelle di materia che ancora oggi formano l'universo. Dicendo 1 la massa dell'elettrone si va dal quark up (su, in inglese) che vale 2, sino al quark top (alto) che vale 350.000 volte la massa dell'elettrone.
Ci sono poi i LEPTONI (dal greco leptos che vuol dire leggero, sottile) che comprendono gli elettroni, i neutrini, i muoni e i tauoni, "cose" che ora hanno scarsa importanza salvo i primi.
E infine ci sono i GLUONI, brutta parola che viene dall'inglese glue, che vuol dire "colla": i gluoni sono infatti le forze che legano fra loro ad esempio i quark i quali costituiscono i protoni (2 up e 1 down) e i neutroni (1 up e 2 down).
Ma accanto ad ogni particella ci sono le antiparticelle, con la stessa massa ma carica elettrica opposta: i positroni, cioè antielettroni, gli antiprotoni, gli antimuoni, ecc. Quando due elementi opposti si incontrano si annullano (annichilano, dal latino nihil che vuol dire "nulla") cioè scompaiono e al loro posto nasce una dose di pura energia, un raggio gamma.
Ecco la tabella delle particelle riprodotta dal libro della prof. Hack:
Questo fenomeno è di immensa importanza perché è l'ennesima conferma dell'equivalenza fra massa ed energia in quanto è indifferente per l'equilibrio dell'universo la presenza di una certa massa al posto di una data quantità di energia o viceversa. Ne segue che se l'energia è sufficiente si possono formare coppie di masse opposte, oppure se ci sono masse opposte si possono trasformare in energia: è essenziale che la somma delle masse sia zero e sia zero la somma delle cariche elettriche.
Materia e antimateria non possono esistere nello stesso luogo; all'inizio c'è tanta materia quanta antimateria: perché ora c'è solo materia? Possiamo dividere la discussione in tre parti:
1. la materia ha una vita estremamente breve ma un poco più lunga di quella dell'antimateria (è questo un risultato sperimentale) per cui fra le coppie create dall'energia iniziale sono sopravvissute solo quelle di materia che ora formano tutto l'universo a noi noto;
2. non sappiamo se da qualche parte ci sono antigalassie, antistelle, antipianeti, antialberi e antiuomini;
3. particelle di antimateria viaggiano nello spazio provenienti dalle stelle dove vengono prodotte con continuità e antimateria si produce sulla Terra nelle macchine acceleratrici.
La formazione della materia e dell'antimateria produce una diminuzione della temperatura iniziale di 1032 °K, mentre l'annichilamento la fa risalire. Però man mano la materia aumenta rispetto al suo opposto, per cui in definitiva essa diminuisce.
Quando la temperatura scende a un milione di miliardi di gradi, i quark si uniscono finalmente a formare protoni e neutroni e i loro opposti; l'universo è nato da 10-12 secondi. Vediamo di descrivere alcune di queste particelle.
I gluoni forti sono le forze che legano fra loro i quark che formano i protoni, i neutroni e i mesoni (i mesoni sono particelle effimere, cioè che scompaiono in brevissimo tempo, di massa intermedia fra protone ed elettrone; trovandosi "in mezzo" sono chiamati appunto mesoni).
I gluoni deboli servono per cambiare la natura dei quark da strange o charme in up o down.
I fotoni sono le forze che tengono insieme il nucleo e gli elettroni che ruotano intorno: per far cambiare orbita verso l'esterno ad un elettrone occorre fornire fotoni; quando l'elettrone ritorna sull'orbita di partenza, riemette lo stesso fotone.
I gravitini sono le particelle che generano l'attrazione gravitazionale e non sono doppi, cioè per ora non conosciamo l'antigravità.
I neutrini elettronici forse non hanno massa; sono prodotti in enormi quantità da tutte le stelle e viaggiano indisturbati per tutto l'universo; si calcola che ciascun centimetro quadrato di superficie sia attraversato, senza lasciare traccia, da 1.000 miliardi di neutrini al secondo! Il fatto è che il neutrino è soggetto solo al gluone debole il quale agisce a distanze molto minori del raggio del nucleo, per cui ben difficilmente può essere catturato e quindi rivelato in tutta la sua natura.
E' importante ricordare che tutte le caratteristiche non materiali sono quantizzate, cioè possono essere scambiate (acquistate o cedute) solo in quantità intere multiple di una quantità minima detta appunto "quanto". A questa regola sfugge solo la gravità, rappresentata dal gravitone, che è invece una grandezza continua che permea tutto l'universo. Ma anche la gravità, come la luce, non ha velocità infinita, ma si propaga nello spazio alla velocità della luce, producendo ad esempio onde gravitazionali che sono simili per certe caratteristiche alle onde elettromagnetiche.
SVILUPPO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10