Non ne abbiamo la più pallida idea (Italian Edition)
Author: Cham, Jorge; Whiteson, Daniel
Date: 2019-02-14
Publisher: Longanesi
Rights: Longanesi & C. © 2019 – Milano

Gli autori

Jorge Cham ha un PhD in robotica conseguito alla Stanford University. Divulgatore e fumettista molto apprezzato, è il creatore di PhD Comics, nota e pluripremiata striscia a fumetti che tratta temi di divulgazione scientifica e vita accademica.

Daniel Whiteson è un fisico delle particelle con un PhD in fisica conseguito a Berkeley. Collabora con il progetto ATLAS del Cern, che è stato al centro della scoperta del bosone di Higgs. Le sue ricerche sono apparse, tra gli altri, sul New Yorker e su Vice. Insegna fisica sperimentale delle particelle all’Università della California.

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VOLUME 604

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PROPRIETÀ LETTERARIA RISERVATA

Longanesi & C. © 2019 – Milano

ISBN 978-88-304-5335-7

Titolo originale

We Have No Idea

Copyright © 2017 by Jorge Cham and Daniel Whiteson

In copertina: © Robin Heighway-Bury / Getty Images

Art director: Giacomo Callo

Graphic designer: Marina Pezzotta

Prima edizione digitale: febbraio 2019

Quest’opera è protetta dalla Legge sul diritto d’autore. È vietata ogni duplicazione, anche parziale, non autorizzata.

NON NE ABBIAMO
LA PIÙ PALLIDA IDEA

Per mia figlia Elinor.

J.C.

Alla mia famiglia, per avermi sostenuto
in tutti i capitoli della mia vita,
anche quelli meno riusciti.

D.W.

Introduzione

Ti piacerebbe sapere come ha avuto inizio l’universo, di cosa è fatto e come finirà? Ti interesserebbe capire da dove vengono lo spazio e il tempo? Vorresti sapere se siamo soli nel cosmo sterminato oppure no?

Peccato! Questo libro non risponderà a nessuna delle precedenti domande.

Al contrario, parlerà di quello che non sappiamo, cioè di tutte quelle grandi questioni che pensavi fossero già state chiarite, ma che invece non lo sono.

Spesso si sente parlare di grandi scoperte che finalmente consentono di fornire risposte importanti, ma quanti di noi conoscevano la domanda prima di scoprirne la risposta? E quante sono ancora le sfide da affrontare? Lo scopo di questo libro è appunto quello di farti conoscere gli enigmi tuttora irrisolti.

Nelle pagine che seguono, ti illustreremo le principali domande sull’universo e ti spiegheremo perché rappresentino ancora oggi dei grandi misteri. Alla fine, ti renderai conto che è semplicemente assurdo pensare di avere anche solo qualche indizio su come stiano davvero le cose o su come funzioni l’universo. Se non altro, però, avrai un indizio del perché non abbiamo nessun indizio.

Lo scopo del libro non è farti deprimere, quanto piuttosto di farti emozionare al pensiero dell’incredibile vastità di territorio sconosciuto che resta ancora da esplorare. Per ogni mistero cosmico irrisolto, sveleremo quali potrebbero essere le implicazioni per il genere umano e quante strabilianti sorprese si potrebbero celare nell’ignoto. Ti insegneremo a guardare il mondo con occhi nuovi perché, una volta che si è consapevoli di quel che non si sa, ci si rende conto che il futuro offre possibilità incredibili.

E adesso allaccia le cinture, mettiti comodo e preparati a esplorare gli abissi della nostra ignoranza perché il primo passo verso la scoperta è sapere cosa non si sa. Stiamo per affrontare un viaggio attraverso i più grandi misteri dell’universo.

1
Di cosa è fatto l’universo?
In cui scoprirai di essere piuttosto bizzarro e speciale

Se sei un essere umano (e, per il momento, supponiamo di sì), non potrai fare a meno di provare una certa curiosità per quello che vedi intorno a te. La curiosità è una caratteristica della nostra specie ed è anche grazie a essa se ti ritrovi con questo libro in mano.

Non è di sicuro un sentimento nuovo. Fin dall’alba dei tempi, ci preoccupiamo di trovare risposte ad alcune domande semplici e sensate riguardo al mondo che ci circonda.

Di cosa è fatto l’universo?

I sassi grandi sono fatti di sassi più piccoli?

Perché non possiamo mangiarli?

Cosa si prova a essere un pipistrello?[1]

La prima, « Di cosa è fatto l’universo? », è davvero una domanda ingombrante. Non solo per l’argomento (nulla è più ingombrante dell’universo), ma anche perché domandarsi una cosa del genere equivale a porsi un problema che coinvolge tutti. È come chiedersi di cosa è fatta la propria casa e tutto quello che c’è dentro (voi compresi). Non serve avere una conoscenza approfondita della matematica o della fisica per capire che questa domanda riguarda ognuno di noi.

Supponiamo che tu sia il primo a dover rispondere. Tanto per cominciare potresti cercare una risposta facile, dicendo per esempio che l’universo è fatto di tutte le cose che contiene. In questo modo, otterresti una lista che inizierebbe più o meno così:

Questo modo di procedere presenta non pochi problemi. Innanzitutto, la lista rischia di diventare molto lunga, perché occorrerebbe inserirvi tutti i sassi di tutti i pianeti dell’universo e anche la lista stessa (che fa parte dell’universo). Se la lista dovesse contenere non solo tutte le cose, ma anche le singole parti di esse, potrebbe diventare infinita. Se invece si decidesse di non includere anche le parti di ciò che vi è elencato, si potrebbe ottenere una lista con un unico elemento: « l’universo ». In qualsiasi modo lo si affronti, questo approccio non sembra molto promettente.

La lista, peraltro, non risponde davvero alla domanda. Il tipo di risposta che potremmo ritenere soddisfacente non dovrebbe limitarsi a certificare la complessità di ciò che vediamo – ovvero la quasi infinita varietà delle cose che ci circondano – ma piuttosto fornirci una semplificazione. È proprio in questo che consiste il successo della tavola periodica degli elementi (quella con ossigeno, ferro, carbonio ecc.). Utilizzando poco più di un centinaio di semplici mattoncini elementari, la tavola periodica riesce a descrivere tutti gli oggetti che gli uomini abbiano mai potuto vedere, toccare o assaggiare,[2] o che si siano mai tirati addosso. Ci suggerisce che l’universo si basa sullo stesso principio dei Lego: a partire dagli stessi pezzetti di plastica, si possono costruire un dinosauro, un aeroplano o un pirata. Oppure un ibrido dinopirata volante.

Esattamente come con i Lego, pochi semplici mattoncini (gli elementi) permettono di costruire molti oggetti del nostro universo: le stelle, le rocce, la polvere, il gelato, i lama. Grazie a tale principio organizzatore, per cui oggetti complessi sono in realtà costituiti da entità più semplici, possiamo avere una conoscenza più approfondita attraverso lo studio di questi costituenti elementari.

Ma perché l’universo dovrebbe seguire la stessa filosofia dei Lego? Per quel che ne sappiamo, non c’è motivo per cui questa semplificazione sia davvero possibile. Per quanto potevano saperne i primi cavernicoli-scienziati, invece, il mondo avrebbe potuto funzionare in tanti modi diversi. L’unica cosa su cui i cavernicoli-scienziati Ook e Groog potevano basare le loro teorie era l’esperienza diretta, e l’esperienza poteva andare d’accordo con tante ipotesi diverse sulla vera natura dell’universo.

Per esempio, si sarebbe potuto ipotizzare che le tipologie di materia fossero infinite. In un universo del genere, le rocce sarebbero fatte a loro volta da particelle elementari di roccia, l’aria sarebbe fatta di particelle elementari di aria, gli elefanti di particelle elementari di elefante (chiamiamoli pure Dumbotroni). In questo universo ipotetico, la tavola periodica avrebbe un numero pressoché infinito di elementi.

Oppure – situazione ancora più bizzarra – ci saremmo potuti ritrovare in un universo in cui le cose non fossero affatto costituite da piccole particelle. In un universo come questo, le rocce sarebbero semplicemente costituite da una sorta di uniforme entità rocciosa che potrebbe essere suddivisa all’infinito in porzioni sempre più piccole, con un coltello infinitamente affilato.

Entrambe le proposte sarebbero state coerenti con i dati raccolti dai professori Ook e Groog nei loro famosi esperimenti con l’acceleratore di sassi. Parliamo di queste ipotesi non perché pensiamo che l’universo funzioni davvero così, ma perché vogliamo ricordarti che la porzione di spazio in cui viviamo avrebbe potuto essere così e, in effetti, è pur sempre possibile che in zone ancora inesplorate dell’universo esistano altre tipologie di materia.

È per questo che tutti i misteri senza risposta di cui si parlerà in questo libro dovrebbero stimolarti ed emozionarti, invece che deprimerti o demoralizzarti: il fatto stesso che esistano fa capire che c’è ancora molto da esplorare e scoprire.

Nell’universo che conosciamo e che amiamo, tutte le cose sono a quanto pare costituite da particelle piccolissime. Dopo millenni di ragionamenti e ricerche, siamo giunti a una teoria ben precisa riguardo alla materia.[3] Dai primi esperimenti di Ook e Groog fino ai giorni nostri, siamo andati oltre la tavola periodica e siamo riusciti a scrutare dentro l’atomo.

La materia che conosciamo è costituita da elementi che sono tutti elencati nella tavola periodica. Ogni atomo ha un nucleo circondato da una nuvola di elettroni. A sua volta, il nucleo contiene protoni e neutroni, ciascuno dei quali è costituito da quark up e quark down. Pertanto, utilizzando quark up, quark down ed elettroni, possiamo costruire tutti gli elementi della tavola periodica. Che conquista! Abbiamo ridotto all’osso la nostra lista di ingredienti dell’universo: all’inizio era infinitamente lunga, poi è passata ad avere il centinaio di elementi della tavola periodica, e infine è arrivata a comprendere solo tre particelle. Qualsiasi cosa abbiamo visto, toccato, annusato o scalciato nella nostra vita, può essere ottenuta a partire da questi tre semplici mattoncini. Congratulazioni al lavoro congiunto di milioni di cervelli umani.

Anche se possiamo essere orgogliosi di noi stessi come specie, questa descrizione è però incompleta per due ragioni molto importanti.

Per prima cosa, esistono altre particelle e non soltanto l’elettrone e i due quark. Per costruire la materia ordinaria queste tre particelle sono sufficienti, ma nel secolo scorso i fisici delle particelle ne hanno scoperte altre nove dotate di massa e altre cinque capaci di trasmettere forze. Alcune di queste sono parecchio strane, come lo spettrale neutrino che riuscirebbe a viaggiare per miliardi e miliardi di chilometri attraverso il piombo senza essere ostacolato da nulla.[4] Per i neutrini, infatti, il piombo è trasparente. Altre particelle invece sono simili alle tre che compongono la materia, ma molto più pesanti.

Perché ci sono anche queste altre particelle? A cosa servono? Chi le ha invitate alla festa? Quanti altri tipi di particelle esistono? Non lo sappiamo. Anzi, peggio: non ne abbiamo la più pallida idea. Nel capitolo 4, parleremo nel dettaglio di alcune di queste strane particelle dal curioso comportamento.

Questa descrizione, però, è incompleta anche per un’altra ragione, parecchio importante. Pur bastando solo tre particelle diverse per costruire stelle, pianeti, comete e cetriolini sottaceto, si dà il caso che tutte queste cose rappresentino solo una piccola parte dell’universo. La porzione di materia che noi consideriamo normale – e questo solo perché non ne conosciamo altra – è in realtà piuttosto esigua. Fra tutto ciò che compone l’universo (massa ed energia), il tipo di materia a noi familiare contribuisce solo per circa il 5 percento del totale.

Di cosa è fatto il restante 95 percento? Non lo sappiamo.

Se dovessimo disegnare un grafico a torta dell’universo, sarebbe più o meno così:

Il grafico appare abbastanza misterioso. Solo il 5 percento è composto da qualcosa che conosciamo, incluse le stelle, i pianeti e tutto ciò che contengono. Un bel 27 percento è costituito da quella che chiamiamo « materia oscura », mentre il restante 68 percento dell’universo è una misteriosa entità di cui abbiamo solo un vago sentore. I fisici la chiamano « energia oscura » e si pensa che sia la causa dell’espansione dell’universo, ma non sappiamo altro al riguardo. Nei prossimi capitoli spiegheremo entrambi questi concetti, e anche in che modo abbiamo ottenuto questi numeri.

In effetti, la situazione è perfino peggiore. Anche nell’ambito del 5 percento di ciò che conosciamo, ci sono un sacco di cose misteriose (ricordi tutte quelle altre particelle?). In certi casi non riusciamo neanche a formulare le domande giuste, quelle in grado di svelare questi misteri.

Ecco in che situazione si trova la nostra specie. Pochi paragrafi fa, ci stavamo congratulando con noi stessi per le incredibili prodezze intellettuali che ci avevano fatto descrivere tutto ciò che vediamo in termini molto semplici. E adesso tutto quell’entusiasmo sembra un po’ prematuro, visto che gran parte dell’universo è fatto di qualcos’altro. È come se stessimo studiando un elefante da migliaia di anni e all’improvviso ci rendessimo conto che ne stavamo esaminando soltanto la coda!

Dopo questa rivelazione, potresti sentirti un po’ sconsolato. Forse pensavi che avessimo raggiunto il culmine della comprensione e della padronanza dell’universo (in effetti, grazie al cielo abbiamo dei robot-aspirapolvere che puliscono la casa al posto nostro). L’importante è considerare questa situazione non come un insuccesso, bensì come un’incredibile occasione: un’occasione per indagare, imparare e andare ancora più in profondità. Cosa penseresti se ti dicessimo che abbiamo esplorato solo il 5 percento della superficie terrestre? O che hai assaggiato solo il 5 percento dei gusti di gelato esistenti al mondo? Lo scienziato che è in te pretenderebbe spiegazioni approfondite (insieme a qualche cucchiaino in più) e sarebbe emozionato davanti alla possibilità di nuove scoperte.

Pensa a quando, alle elementari, hai studiato le imprese dei più grandi esploratori della storia. Avevano veleggiato verso l’ignoto, scoperto nuove terre e disegnato la mappa del mondo. Se tutto questo ti sembrava eccitante, forse eri anche triste al pensiero che ormai tutti i continenti fossero stati scoperti, tutti gli isolotti avessero un nome e l’era delle esplorazioni nell’epoca di satelliti e GPS sembrasse ormai passata. Per fortuna, non è così.

C’è ancora una quantità enorme di cose su cui indagare. Siamo in realtà agli albori di una nuova era delle esplorazioni. Stiamo entrando in un’epoca che probabilmente ci permetterà di riformulare la nostra comprensione dell’universo. Pur essendo consapevoli di sapere molto poco (il 5 percento), abbiamo qualche idea di quali siano le domande giuste da porsi. Inoltre, stiamo costruendo marchingegni nuovi e straordinari, come potenti collisori di particelle, sensori di onde gravitazionali e telescopi, che ci aiuteranno a trovare le risposte. E tutto questo sta succedendo proprio adesso.

L’aspetto esaltante è che per i grandi misteri scientifici esistono risposte reali, anche se complicate. Solo che non le conosciamo ancora. Abbiamo, però, una certa probabilità di trovarle nell’arco della nostra vita. Per esempio, c’è vita intelligente in questo momento in qualche altra parte dell’universo? La risposta esiste (Mulder aveva ragione: la verità è davvero là fuori). Trovare le risposte potrebbe cambiare notevolmente il modo in cui pensiamo al mondo.

La storia della scienza è costellata di rivoluzioni in cui ogni volta ci rendevamo conto che la nostra visione del mondo era distorta dal nostro particolare punto di vista. Terra piatta, sistema geocentrico, universo fatto di stelle e pianeti: tutte queste teorie si accordavano con le informazioni a disposizione nel momento storico in cui erano state formulate. Adesso, non senza imbarazzo, ci sembrano decisamente ingenue. È quasi certo che, dietro l’angolo, ci attendono grandi novità. Nozioni importanti come relatività o meccanica quantistica – oggi ritenute valide – saranno spazzate via per essere sostituite da altre, nuove e strabilianti. Forse, tra duecento anni, gli uomini del futuro ci considereranno come noi consideriamo oggi i cavernicoli.

Il viaggio della specie umana verso la comprensione del nostro universo è ben lungi dall’essere terminato e tu puoi partecipare. Ti promettiamo che sarà più gustoso di una torta.

2
Che cos’è la materia oscura?
Ci stai nuotando dentro

Questo è il grafico a barre che rappresenta massa ed energia dell’universo per come lo conosciamo:

I fisici pensano che a costituire addirittura il 27 percento dell’universo sia una cosa che loro chiamano « materia oscura ». Questo significa che gran parte della materia non è analoga a quella che abbiamo studiato per secoli. Quest’altra misteriosa sostanza è cinque volte più numerosa di quella normale e a noi familiare. In effetti, non è corretto dire che la nostra materia è quella « normale », visto che è così scarsa.

Cos’è allora questa materia oscura? È pericolosa? Macchia i vestiti? Come facciamo a sapere che esiste?

La materia oscura è ovunque ed è probabile che tu ci stia nuotando dentro proprio in questo momento. La sua esistenza è stata formulata per la prima volta negli anni ’20, venendo presa seriamente in considerazione soltanto negli anni ’60, quando gli astronomi notarono qualcosa di strano nel modo in cui le galassie ruotavano e cercarono di trovare una connessione tra il loro moto e la quantità di massa al loro interno.

Come facciamo a sapere che la materia oscura esiste

1. Rotazione delle galassie

Per comprendere la connessione tra materia oscura e moto di rotazione delle galassie, immagina di mettere delle palline da ping pong su una giostra che gira in tondo e di darle una bella spinta. Ti aspetteresti di veder schizzare le palline da tutte le parti. Una galassia in rotazione si comporta più o meno allo stesso modo.[5] Poiché ruota, le stelle che la compongono sono spinte verso l’esterno. L’unica cosa che può tenerle insieme è la forza di gravità prodotta da tutta la massa presente all’interno della galassia (la gravità attira l’una verso l’altra tutte le cose che hanno massa). Più rapidamente ruota la galassia, più massa occorre per trattenere le stelle. All’inverso, se si conosce la massa di una galassia, si può prevedere con quanta velocità ruota su se stessa.

Per stimare la massa delle galassie, gli astronomi hanno innanzitutto cercato di contare le stelle che contenevano. Quando poi hanno provato a usare il risultato per calcolare la velocità della rotazione, i conti non tornavano. Secondo le misure, le galassie stavano andando troppo in fretta rispetto a quanto previsto a partire dal numero di stelle. In altre parole, le stelle sarebbero dovute volare via, proprio come le palline da ping pong su una giostra che gira. Per giustificare una velocità di rotazione così elevata, gli astronomi hanno avuto bisogno di aggiungere nei loro calcoli un’enorme quantità di massa, che fosse in grado di mantenere unite le stelle. Una massa che, però, non si riusciva a vedere. Questa contraddizione è stata risolta affermando che in ogni galassia è presente in grande quantità un genere di sostanza pesante ma invisibile, o « oscura ».

È un’affermazione piuttosto ardita. E, come ha detto una volta il famoso astronomo Carl Sagan, « affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie ». Così per decenni il dilemma ha continuato a esistere tra gli astronomi, senza però essere compreso. Con il passare del tempo, l’esistenza di questa sostanza misteriosa e invisibile (diventata poi famosa come materia oscura) ha cominciato a essere sempre più accettata.

2. Lente gravitazionale

Un altro importante indizio grazie al quale gli scienziati si sono convinti che la materia oscura esiste davvero è stato osservare come fosse in grado di deformare le traiettorie luminose. Questo fenomeno si chiama lente gravitazionale.

A volte capita che gli astronomi notino qualcosa di bizzarro quando osservano il cielo. Guardando in una certa direzione, è possibile magari vedere una galassia. E, fin qui, niente di strano. Può accadere, però, che spostando di poco il telescopio se ne veda un’altra che somiglia molto alla prima. La forma, il colore e la luce che giungono da queste due galassie appaiono così somiglianti da far supporre agli astronomi che siano la stessa cosa. Come può essere? Com’è possibile che la medesima galassia appaia due volte nel cielo?

Sarebbe certamente possibile osservare la stessa galassia in due punti diversi nel caso in cui tra lei e noi ci fosse qualcosa di pesante (e invisibile): questa bolla densa e trasparente si comporterebbe come un’enorme lente, distorcendo la luce emessa dalla galassia e dando l’illusione che provenga da due direzioni diverse.

Immagina che la luce emessa dalla galassia si propaghi in tutte le direzioni. Ora immagina due particelle di luce (si chiamano fotoni) che fuoriescono seguendo direzioni lievemente divergenti. Nel caso in cui ci fosse qualcosa di pesante tra noi e la galassia, la forza di gravità esercitata dall’oggetto misterioso deformerebbe lo spazio limitrofo, incurvando le traiettorie dei due fotoni e dirottandoli entrambi verso di noi.[6]

Dalla Terra, tramite un telescopio, sembrerà di vedere la stessa galassia in due punti diversi. Fenomeni del genere sono visibili ovunque, osservando il cielo notturno; questa cosa invisibile e pesante sembra essere ovunque. Così, ben presto, la materia oscura non è più sembrata una folle congettura. Guardando da tutte le parti, c’era la prova della sua presenza.

3. Galassie che si scontrano

La prova più diretta e convincente della presenza della materia oscura si è avuta quando è stato possibile osservare una gigantesca collisione galattica. Milioni di anni fa, in un evento epico, due ammassi di galassie si sono scontrati; l’impatto ce lo siamo persi, ma visto che la luce ha impiegato milioni di anni a raggiungerci, adesso possiamo metterci comodi e guardare lo spettacolo di tutte le esplosioni che si sono susseguite.

Quando le due galassie hanno cozzato l’una contro l’altra, i gas e le polveri si sono scontrati producendo conseguenze spettacolari: enormi esplosioni, immense nuvole di polvere che venivano squarciate. Un tripudio di effetti speciali. Se può essere d’aiuto, prova a immaginare due enormi ammassi di gavettoni lanciati l’uno contro l’altro a velocità folle.

Gli astronomi, però, hanno notato anche qualcos’altro. Vicino al punto dell’impatto hanno individuato due giganteschi agglomerati di materia oscura, che naturalmente era invisibile, ma poteva essere osservata indirettamente misurando la distorsione subita dalla luce proveniente dalle galassie retrostanti. Sembrava che questi due ammassi si stessero muovendo in linea retta lungo la direttrice dell’urto, come se nulla fosse accaduto.

Mettendo insieme tutte le informazioni, gli astronomi ne hanno dedotto quanto segue: due ammassi di galassie – composti di materia normale (principalmente gas, polvere e qualche stella) e materia oscura – sono entrati in collisione, e la maggior parte del gas e della polvere si sono scontrati nel modo in cui s’immagina che la materia normale debba fare. Ma cos’è successo quando la materia oscura si è scontrata con altra materia oscura? Niente di rilevabile! Gli ammassi di materia oscura hanno proseguito per la loro strada e sono passati l’uno attraverso l’altro come se fossero stati invisibili. Con gran parte delle stelle è successa la stessa cosa, ma solo perché erano molto sparpagliate.

Enormi bolle di materia, più grandi di molte galassie, si sono quindi attraversate a vicenda. La collisione, in sostanza, aveva spazzato via gas e polvere da queste galassie.

Cosa sappiamo sulla materia oscura

A questo punto dovrebbe essere abbastanza evidente che la materia oscura esiste e che si tratta di qualcosa di strano e diverso rispetto alla materia che conosciamo bene. Ecco cosa sappiamo sulla materia oscura:

- ha massa;
- è invisibile;
- le piace frequentare le galassie;

- a quanto pare, non interagisce con la materia normale;

- e nemmeno con altra materia oscura;[7]

- ha un nome figo.

Ciò detto, probabilmente starai pensando: Ehi, mi piacerebbe essere fatto di materia oscura. Sarei un fantastico supereroe. Non l’hai pensato? D’accordo, forse l’abbiamo pensato solo noi.

Una cosa che sappiamo sulla materia oscura è che non si nasconde in posti lontani, ma tende piuttosto a compattarsi in ammassi che vagano nello spazio e si accompagnano alle galassie. Questo significa che molto probabilmente, in questo preciso momento, la materia oscura si trova anche intorno a te. Mentre stai leggendo questa pagina, forse sta passando attraverso il libro e attraverso di te. Ma se è intorno a noi, perché è un tale mistero? Perché non possiamo vederla o toccarla? Com’è possibile che una cosa esista senza essere visibile?

Studiare la materia oscura è complicato perché non possiamo interagirci granché. Non possiamo vederla (per questo si chiama « oscura »), però sappiamo che ha massa (per questo si chiama « materia »). Per spiegare come sia possibile, dobbiamo innanzitutto pensare alle modalità di interazione della materia normale.

Come interagisce la materia

Esistono quattro modalità principali secondo cui la materia interagisce:

Gravità

Se due cose hanno massa, saranno soggette a una forza che le attrarrà l’una verso l’altra.

Elettromagnetismo

È la forza percepita da due particelle dotate di carica elettrica. Può essere attrattiva o repulsiva, a seconda che le cariche siano di segno diverso o uguale.

Questa forza, la sentiamo ogni giorno. Se la carta non si disintegra e la mano non trapassa le pagine quando afferri questo libro, è perché le molecole di cui è fatto sono saldamente tenute insieme da legami elettromagnetici e respingono le molecole che compongono la tua mano.

L’elettromagnetismo è anche responsabile della luce, e ovviamente dell’elettricità e del magnetismo, ma parleremo più avanti della luce e della profonda connessione tra particelle e forze.

Forza nucleare debole

Per molti aspetti, è una forza simile a quella elettromagnetica, ma è molto, molto più debole. Per esempio, attraverso di essa i neutrini interagiscono (debolmente!) con le altre particelle. A energie molto elevate, la forza debole diventa forte quanto quella elettromagnetica ed è stato dimostrato che è solo una parte di una forza unificata detta « elettrodebole ».

Forza nucleare forte

È la forza che tiene uniti protoni e neutroni all’interno del nucleo di un atomo. Senza di essa, tutti i protoni carichi positivamente si respingerebbero a vicenda e volerebbero via.

Come interagisce la materia oscura

È importante sottolineare il fatto che questa lista di forze è solo descrittiva. In questo senso, si può dire che a volte la fisica è come la botanica. Non sappiamo perché queste forze esistano: è soltanto una lista di fenomeni che sono stati osservati. Non sappiamo neanche se questa lista sia completa, ma finora utilizzando queste quattro forze siamo stati in grado di spiegare tutti gli esperimenti di fisica delle particelle.

Perché allora la materia oscura risulta così oscura? Tanto per cominciare, ha massa e quindi è soggetta alla forza di gravità. Ma questo è più o meno tutto ciò che possiamo dire con certezza sulle sue modalità d’interazione. Crediamo che non sia soggetta a interazioni elettromagnetiche. Per quel che ne sappiamo, non riflette e non emette luce, per cui è molto complicato vederla direttamente. A quanto pare, poi, non è soggetta a interazioni nucleari, né deboli né forti.

Quindi, a meno di non considerare nuove e ignote forme d’interazione, si può affermare che la materia oscura non è in grado d’interagire con noi, con i nostri telescopi o sensori che funzionano attraverso meccanismi normali. Tutto questo ne complica moltissimo lo studio.

Se prendiamo in considerazione le quattro modalità note attraverso cui interagiscono le cose, l’unica che di certo riguarda anche la materia oscura è la gravità. Ecco perché viene definita « materia ». Ha massa e, se ha massa, è soggetta alla gravità.

Come possiamo studiare la materia oscura?

La nostra speranza, a questo punto, è di averti convinto che la materia oscura esiste. D’altronde, dev’esserci per forza qualcosa là fuori che impedisce alle stelle di volare via nello spazio vuoto, che incurva la traiettoria della luce emessa dalle galassie, e che dopo immense collisioni cosmiche se ne va come il protagonista di un film d’azione dopo l’esplosione di un’auto, cioè al rallentatore e senza nemmeno voltarsi. La materia oscura è una gran figata.

Resta aperta, però, la questione di cosa sia fatta la materia oscura. Non possiamo dire di conoscere la composizione dell’universo, se siamo in grado di studiarne solo il 5 percento più facile. Non possiamo continuare a ignorare l’enorme 27 percento costituito dalla materia oscura. Per rispondere in poche parole a questa domanda, possiamo dire che al momento abbiamo ancora poche idee su cosa sia effettivamente la materia oscura. Sappiamo che esiste e ne conosciamo la quantità, abbiamo più o meno idea di dove sia, ma non sappiamo da che tipo di particelle è costituita, né se è davvero fatta di particelle. Bisogna stare molto attenti a ricavare la composizione dell’intero universo a partire dallo studio di una sua componente relativamente rara.[8] È necessario tenere la mente aperta per fare quel genere di scoperte che possono modificare la nostra concezione dell’universo e il nostro posto al suo interno.

Per fare progressi vanno prese in considerazione idee ben definite, occorre valutarne le conseguenze e concepire esperimenti in grado di verificarle. La materia oscura potrebbe anche essere fatta di elefanti cosmici viola composti da una nuova particella bizzarra e non rilevabile, ma visto che è molto complicato riuscire a convalidare una teoria del genere, non è una priorità per il mondo scientifico.[9]

Un’idea semplice e concreta è che la materia oscura sia fatta di un nuovo tipo di particella che fa ricorso a un nuovo tipo di forza per interagire debolissimamente con la materia normale. Perché si considera solo una nuova particella? Perché è l’idea più semplice e sembra sensato partire da questa ipotesi. Potrebbe darsi benissimo che la materia oscura sia fatta, come la materia normale, da tante particelle diverse che potrebbero interagire nei modi più svariati e interessanti, per cui si avrebbero una chimica oscura, e forse anche una biologia oscura, una vita oscura e dei tacchini oscuri (che pensiero spaventoso).

La particella candidata è nota con l’acronimo WIMP, che sta per Weakly Interacting Massive Particle (ovvero qualcosa dotato di massa, che interagisce debolmente con la materia normale). La nostra supposizione è che possa essere soggetta a una nuova ipotetica forza, attraverso la quale è in grado d’interagire con la nostra materia allo stesso livello (di forza) con cui interagiscono i neutrini, cioè pochissimo. Per un certo periodo sono state prese in considerazione anche altre idee; per esempio, si è pensato che si trattasse di enormi ammassi di materia normale, grandi quanto Giove. Per distinguerli dalle WIMP, sono stati chiamati MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects).

Come facciamo a sapere che le particelle di materia oscura interagiscono con la materia normale attraverso altre forze che non siano la gravità? Non lo sappiamo, infatti. Ci limitiamo a sperare che lo facciano, visto che ciò ne renderebbe molto più semplice il rilevamento. Per questo motivo, si è iniziato a fare esperimenti molto complicati prima di provare con quelli quasi impossibili.

I fisici hanno concepito esperimenti volti a rilevare queste ipotetiche particelle di materia oscura. Una strategia classica consiste nel riempire un contenitore con del gas nobile compresso e nel circondarlo completamente di rilevatori in grado di entrare in funzione qualora un singolo atomo di gas venisse urtato dalla materia oscura. Finora non si è avuta nessuna prova dell’esistenza di materia oscura, ma solo di recente sono stati ideati esperimenti di dimensioni e sensibilità sufficienti da far sperare che si riesca a rilevare qualcosa.

Un’altra strategia potrebbe consistere nel provare a creare materia oscura usando un collisore di particelle ad alta energia, cioè un acceleratore capace d’imprimere un’enorme velocità a particelle normali (protoni o elettroni) e di farle scontrare. Questo genere di esperimento è già di per sé notevole, ma ha anche il vantaggio di rendere possibile la scoperta di nuove particelle. Gli acceleratori hanno questo potere perché sono in grado di trasformare un tipo di materia in altri tipi. Quando le particelle si urtano, non solo i pezzi che le costituiscono possono ricombinarsi in nuove configurazioni, ma la materia di partenza può subire un’annichilazione e trasformarsi in una materia nuova. È alchimia a livello subatomico (non stiamo scherzando). Questo significa che, a parte qualche limitazione, si potrebbe costruire qualsiasi tipo di particella esistente senza sapere a priori cosa si sta costruendo. Esaminando le collisioni, gli scienziati cercano prove che qualcuna di esse abbia portato alla creazione di materia oscura.

Una terza strategia è quella di puntare i telescopi verso zone in cui pensiamo ci sia un’alta concentrazione di materia oscura. Il posto più vicino è il centro della nostra galassia, che sembra contenerne un ammasso molto grande. L’idea è che due particelle di materia oscura potrebbero casualmente urtarsi e annichilarsi. Se in qualche modo la materia oscura interagisce con se stessa, allora potrebbe darsi che particelle di materia oscura coinvolte in un urto si trasformino in particelle di materia normale, esattamente come due particelle di materia normale potrebbero collidere e creare materia oscura.[10] Qualora il fenomeno si verificasse con sufficiente frequenza, le particelle di materia normale generate dagli urti dovrebbero avere una localizzazione e una distribuzione di energia tali da consentire ai telescopi d’identificarle come conseguenza di collisioni tra materia oscura. Per capire questo, dobbiamo conoscere ancora tante cose di ciò che succede nel centro della galassia. E questo coinvolge tutta un’altra serie di misteri.

Perché è importante

Il problema della materia oscura potrebbe far pensare che siamo ancora molto indietro per quanto riguarda le scoperte e i progressi nella comprensione della natura, che siamo cioè allo stesso livello degli scienziati cavernicoli Ook e Groog. La materia oscura non compare neanche nei modelli che i matematici e i fisici fanno dell’universo. Esiste un’enorme quantità di qualcosa che ci trascina silenziosamente, ma non sappiamo di cosa si tratta. Non possiamo dire di aver compreso il nostro universo, se non siamo in grado di descrivere questa sua enorme porzione.

Prima di farti venire le paranoie al pensiero di questa strana sostanza misteriosa che ti fluttua intorno, poniti questa domanda: e se la materia oscura fosse una cosa fantastica?

È fatta di qualcosa di cui non abbiamo esperienza diretta, qualcosa che non abbiamo mai visto prima e che potrebbe comportarsi in modi inimmaginabili.

Pensa all’enorme potenziale che è insito in tutto questo.

E se fosse fatta di un nuovo tipo di particelle? Che cosa succederebbe se fosse possibile produrla e imbrigliarla all’interno di un acceleratore? E se, dopo aver compreso di cosa si tratta, fossimo anche in grado di capire qualcosa su leggi della fisica prima ignote, come un nuovo tipo d’interazione fondamentale o una nuova modalità di funzionamento delle interazioni esistenti? E se una nuova scoperta ci permettesse di manipolare in modo inedito la materia normale?

Immagina di aver giocato allo stesso gioco per tutta la vita e di scoprire improvvisamente che esistono regole speciali o nuovi pezzi con cui divertirsi. Quale meravigliosa tecnologia e quale conoscenza saranno svelate dopo che avremo capito che cos’è e come funziona la materia oscura?

È importante saperlo. Non potremo rimanere per sempre all’oscuro.

3
Che cos’è l’energia oscura?
In cui il nostro universo in espansione
ti farà esplodere la mente

Probabilmente sarai rimasto di stucco scoprendo che, se alcuni arguti viaggiatori alieni interstellari ti sottoponessero un questionario sull’universo, tutte le presunte conoscenze di cui disponiamo ti permetterebbero di azzeccare appena il 5 percento delle risposte. Rassegnati: le tue possibilità d’essere ammesso a un’università extraterrestre sono piuttosto scarse.[11] Per ricapitolare in modo sintetico le conoscenze del genere umano, ecco un grafico a colonne in pila che raffigura l’universo (spiacenti, ma stiamo esaurendo i tipi di grafico a disposizione):

Immagina di aver pensato per tutta la vita di possedere una casa straordinaria e spaziosa, così bella da non desiderare altro e da farti sentire completo. Poi, però, un giorno scopri che in realtà quelli che occupi tu sono solo i cinque piani più bassi di un edificio di appartamenti lussuosi composto da cento piani. Di colpo, la tua situazione è più complessa. Ventisette piani di questo edificio appartengono a qualcosa di pesante ma invisibile, che chiamiamo materia oscura; potrebbero essere vicini simpatici, o strani, però non lo sai perché per qualche ragione non riesci mai a incontrarli sul pianerottolo. Il resto del palazzo, ben sessantotto piani, è addirittura un completo mistero: è quello che i fisici chiamano « energia oscura » e costituisce gran parte di ciò che esiste, anche se noi non abbiamo pressoché idea di cosa sia.

Ti starai forse chiedendo perché si chiama così. La verità è che avrebbe potuto chiamarsi in qualsiasi altro modo,[12] perché di questa cosa non sappiamo quasi niente, se non che a causa sua l’universo si sta espandendo molto rapidamente.

Un’altra domanda che potresti farti è: come facciamo a sapere che esiste? Risposta: l’abbiamo scoperto per caso. È stata una totale sorpresa per gli scienziati che stavano in realtà indagando su tutt’altra questione. Mentre cercavano di misurare con quanta rapidità l’espansione dell’universo stesse decelerando, si sono invece trovati davanti all’evidenza che non stava affatto decelerando, ma anzi accelerava sempre di più. È ora di salire le scale e scoprire che cosa c’è in quei misteriosi piani alti.

Il nostro universo in espansione

Per capire quanto sia straordinario e inaudito il fatto che oltre due terzi dell’energia dell’universo sia stata scoperta mentre si cercava qualcos’altro, bisogna fare un passo indietro e partire dalla domanda che ha portato a questa rivelazione:

Il nostro universo ha avuto un inizio o esiste da sempre nella forma che ha adesso?

Potrebbe sembrare una domanda semplice, ma è in realtà molto profonda. Fino a non più di cento anni fa, gran parte degli scienziati di buon senso riteneva ovvio che l’universo fosse così da sempre e che così avrebbe continuato a essere per l’eternità. Quasi nessuno ha mai pensato che il nostro universo si stesse modificando. Per chiunque, le stelle e i pianeti sono sempre esistiti in un perenne stato di fluttuante movimento, come qualcosa di mobile appeso al soffitto o come una stanza piena di orologi che non si fermano mai.

Un giorno, però, gli astronomi hanno cominciato a notare qualcosa di strano. Misurando la luce proveniente da stelle e galassie intorno a noi, sono giunti alla conclusione che ogni cosa si allontanava dalle altre. L’universo non era semplicemente fermo, ma anzi si stava espandendo.

E, se l’universo è sempre stato in espansione, ciò significa che ora è più grande di quanto non lo sia stato in passato. Procedendo a ritroso nel tempo con questo ragionamento, si arriva a immaginare come a un certo punto l’universo possa essere stato molto piccolo.

Molti fisici hanno considerato ridicola tale congettura e hanno sarcasticamente chiamato « Big Bang » questa teoria. Se fossero ancora vivi oggi, pronuncerebbero questo nome alzando gli occhi al cielo e mimando ironicamente con le dita il gesto delle virgolette. Il nomignolo voleva essere denigratorio nei confronti di chi aveva proposto l’idea, ma alla fine in qualche modo ha attecchito. Bisogna tener presente che, quando i fisici diventano irritabili, significa che sotto sotto c’è qualcosa in grado di modificare sostanzialmente la nostra visione dell’universo.

Così, nel 1931, gli astronomi hanno scoperto che l’universo si stava espandendo e, di conseguenza, che le sue dimensioni stavano aumentando sempre di più a partire da un punto iniziale molto molto[13] denso. (Va detto che questo punto non fluttuava all’interno di uno spazio più esteso, ma era tutto lo spazio. Nel capitolo 7, torneremo a parlare di questo nuovo modo folle di concepire lo spazio.) Esistevano già alcune teorie in grado di conciliare un universo non generato da un Big Bang con l’evidenza dell’espansione, ma richiedevano che ci fosse una continua creazione di energia, necessaria a far sì che tale universo in espansione avesse l’attuale livello di densità.

Se l’universo ha avuto un inizio, allora viene subito da chiedersi se avrà una fine. Cosa potrebbe causare la fine di questo posto enorme, maestoso e meravigliosamente strano? E, soprattutto, prima che accada, avrai il tempo di finire quel romanzo a cui lavori da anni?

Vuoi sapere che cosa potrebbe verosimilmente causare la fine dell’universo? La nostra vecchia amica gravità.

Occorre ricordare che, mentre tutto viene proiettato sempre più lontano a seguito dell’esplosione cosmica del Big Bang, la gravità sta lavorando in direzione opposta. Ogni singolo pezzettino di materia è soggetto alla forza di gravità, la quale fa del suo meglio per ricompattare l’universo e riunirlo tutto insieme. Quali saranno le conseguenze di questi fenomeni sul destino dell’intero cosmo? Sono state formulate in proposito le idee più svariate.

Ciò che più sorprende è che, tra queste idee, quella giusta è: nessuna! La verità, per quanto possa sembrare strano, è una quarta possibilità misteriosa, che solo pochi scienziati hanno preso in considerazione (perché sembrava una follia):

Una qualche forza incredibilmente potente e misteriosa sta facendo dilatare lo spazio, per cui l’universo sta crescendo a una velocità sempre maggiore.

Questa opzione è l’unica che si accordi con quanto si è osservato sul nostro universo.

Come facciamo a sapere che l’universo
si sta espandendo

Interrogarsi sul destino dell’universo sembra parecchio importante, ma puoi stare tranquillo: il futuro di cui stiamo parlando è distante miliardi e miliardi di anni. Avrai tutto il tempo di finire il tuo best-seller e anche di scrivere il seguito. L’argomento però è importante perché, trovando risposta a grandi domande come questa, siamo anche in grado di capire meglio come funziona il nostro mondo. Capita a volte che, ponendoci domande simili, riusciamo a cogliere dettagli sorprendenti che condizionano la nostra vita di tutti i giorni. Per esempio: ti piace la funzione GPS del tuo cellulare? Be’, un accurato sistema di navigazione satellitare è possibile solo grazie al fatto che Einstein si è posto il problema di cosa sarebbe successo se le cose si fossero mosse alla velocità della luce, eventualità che non si verifica spesso qui sulla Terra. Ciò ha portato allo sviluppo della teoria della relatività, senza la quale il navigatore non sarebbe uno strumento accurato.

Per prevedere il possibile destino dell’universo, gli scienziati avevano bisogno di sapere con quanta rapidità si stesse espandendo. A questo scopo, hanno misurato la velocità con cui le galassie circostanti si stavano allontanando da noi.

Innanzitutto, bisogna tener conto del fatto che in un universo in espansione tutto si allontana da tutto, e non solo dal centro. Immagina di essere un’uvetta in una grande pagnotta di pane alle uvette delle stesse dimensioni dell’universo. Quando la pagnotta lievita e si gonfia, tutte le uvette si allontanano le une dalle altre, pur rimanendo della stessa dimensione di partenza.

Per poter conoscere il destino dell’universo, abbiamo però bisogno di sapere se l’espansione sta cambiando: in questo momento le altre galassie si stanno allontanando da noi più lentamente di quanto non facessero qualche miliardo di anni fa? O più velocemente? Quello che ci interessa sapere è se e quanto l’espansione sta cambiando nel corso del tempo. Per avere questo dato, occorre conoscere la velocità di espansione nel passato e confrontarla con quella presente.

Prevedere il futuro è molto complicato, ma per gli astronomi è facile guardare nel passato. Poiché l’universo è sterminato e la luce si muove a una velocità non infinita, occorre parecchio tempo prima che essa riesca a raggiungere la Terra dopo essere partita da oggetti distanti. Questo significa che la luce proveniente da stelle molto lontane è una luce molto antica, al pari dell’informazione che veicola. Osservare questa luce equivale, dunque, a guardare indietro nel tempo.

Lo stesso accade anche in senso contrario. Se gli abitanti alieni di un pianeta lontanissimo osservassero la Terra attraverso i loro telescopi, vedrebbero la luce che il nostro pianeta ha rilasciato tanto tempo fa. Magari in questo momento stanno osservando quell’imbarazzante incidente che ti è capitato qualche anno addietro (tu sai quale).

Quindi, più un oggetto è lontano, più antica è la luce che vediamo e più indietro nel tempo riusciamo a guardare. Questo significa che, se osserviamo oggetti molto lontani che si muovono a una certa velocità e oggetti più vicini che si muovono a una velocità diversa, possiamo arrivare alla conclusione che la velocità delle cose è cambiata nel corso del tempo. La velocità di una stella lontana può essere ricavata a partire dallo spostamento in frequenza del suo spettro luminoso, sfruttando la stessa tecnica (ovvero l’effetto Doppler) utilizzata dalla polizia stradale per rilevare l’eccesso di velocità. Maggiore è la velocità con cui una stella si sta allontanando da noi, più rossa ci apparirà la sua luce.

Anche per stabilire la distanza degli oggetti è stato necessario scienzare[14] in modo ingegnoso. Per esempio, come si fa a notare la differenza tra una stella vicina che emette una luce fioca e una stella lontana e brillante? A guardarle con un telescopio sembrerebbero uguali: piccoli punti luminosi nella notte. Questo è stato vero almeno finché gli scienziati non hanno identificato uno speciale tipo di stelle che in modo del tutto prevedibile avevano lo stesso identico comportamento, indipendentemente da dove fossero nell’universo. A giudicare dalle dimensioni e dalla composizione, queste stelle speciali crescono allo stesso ritmo e, una volta raggiunta una determinata grandezza, fanno tutte la stessa cosa: esplodono. Anzi, per essere più precisi, implodono, ma l’implosione è così violenta che produce una grande esplosione.[15] Questo tipo di esplosione è conosciuto con il nome di supernova di tipo Ia. L’utilità di queste supernove è che, in linea generale, esplodono tutte in modo simile. Ciò significa che, fatte le opportune calibrazioni, quando se ne vede una che emette una luca fioca significa che è lontana e quando se ne vede una brillante vuol dire che è vicina. È come se l’universo avesse messo ovunque queste boe luminose tutte uguali, solo per farci sapere quanto sia grande e fantastico (l’universo è misterioso, ma di certo non è umile).

Le supernove di tipo Ia vengono chiamate dagli astronomi « candele standard » (sì, hanno davvero un nome romantico). Grazie a loro, gli astronomi sono in grado di stabilire quanto sono lontani (e, di conseguenza, antichi) gli oggetti distanti e poi, usando l’effetto Doppler, riescono a calcolare la velocità con cui si stanno muovendo. Questo significa che gli astronomi possono misurare quanto sia cambiata la velocità di espansione dell’universo.

Poco dopo aver compreso questo meccanismo, due gruppi di scienziati si sono sfidati nel calcolo del tasso di espansione dell’universo. Tuttavia, trovare supernove non è semplice, trattandosi di esplosioni di breve durata. Per individuarne una, occorre scrutare di continuo il cielo alla ricerca di quelle stelle la cui luce si affievolisce dopo essere diventata improvvisamente molto brillante. E ciò richiede tempo.

Entrambi i gruppi partivano dal presupposto che la velocità di espansione dell’universo sarebbe stata decrescente o costante. È una supposizione ragionevole. Se l’universo è esploso e la gravità sta cercando di rimettere tutto insieme, ci sono soltanto due possibilità: o la gravità vince e riporta tutto alla posizione di partenza, oppure perde e tutto continua a espandersi a velocità costante.

Quando gli scienziati hanno misurato queste supernove e calcolato il tasso di espansione dell’universo, si aspettavano che la forza di gravità sarebbe risultata vincitrice. In altre parole, si aspettavano che le stelle lontane (quelle nel passato) si allontanassero più rapidamente delle stelle vicine (quelle più prossime al nostro presente). Sono rimasti, invece, sconcertati nello scoprire l’opposto: sembra che le stelle si stiano allontanando da noi più rapidamente adesso che non nel passato. Ciò significa che l’universo si sta espandendo più in fretta oggi che non in passato.

Fermiamoci un momento a pensare a quanto sia stato inatteso questo risultato. Gli astronomi avevano in mente due cose: un universo frutto di un’esplosione avvenuta tanto tempo fa, e la forza di gravità che cerca di ricompattare nuovamente tutto. Ed ecco che invece entra in gioco un terzo elemento: la dimensione stessa dello spazio. Come discuteremo con crudele puntiglio nel capitolo 7, lo spazio non è semplicemente una scenografia statica in cui si svolge lo spettacolo dell’universo. È piuttosto un’entità fisica capace d’incurvarsi (in presenza di oggetti dotati di massa), incresparsi (grazie alle onde gravitazionali) o espandersi. A quanto pare, si sta espandendo e anche in fretta. Lo spazio smania di diventare più grande. Qualcosa sta creando sempre più spazio, spingendo verso l’esterno tutto ciò che c’è nell’universo.

Va sottolineato il fatto che, come mostrano i risultati odierni, l’espansione stava inizialmente diminuendo, ma da cinque miliardi di anni a questa parte c’è qualcosa che spinge sempre più velocemente i pezzettini dell’universo esploso gli uni lontani dagli altri.

Questa forza repulsiva che fa espandere l’universo a velocità crescente è quello che i fisici chiamano energia oscura. Non possiamo vederla (per questo è « oscura ») e sta spingendo via tutto (per questo è « energia »). Ed è poi una forza tale che si stima possa costituire il 68 percento del totale di massa ed energia presenti nell’universo.

Il grafico a torta

Finora siamo stati molto specifici nell’attribuire le percentuali del nostro grafico a torta che rappresenta l’universo. Il 5 percento può sembrare una stima, ma quando si leggono dati come il 27 percento di materia oscura e il 68 percento di energia oscura, bisogna tener presente che per arrivare a questi risultati i fisici non si sono limitati a fare vaghe approssimazioni.

Come facciamo a sapere, quindi, quanta materia oscura e quanta energia oscura ci sono nell’universo?

Per quanto riguarda la materia oscura, non siamo in grado di misurare e poi sommare tutte le parti che la costituiscono utilizzando gli strumenti di cui abbiamo parlato in precedenza (lente gravitazionale e moto rotatorio delle galassie). Non sempre siamo in presenza di una disposizione di stelle e materia oscura tale da consentirci di usare questi metodi e può darsi benissimo che ci sia altra materia oscura che si nasconde da qualche parte senza che riusciamo a individuarla.[16]

Anche nel caso dell’energia oscura non sappiamo con esattezza di cosa si tratta e, di conseguenza, non siamo in grado di misurarla direttamente.

Quello che impressiona, data la nostra ignoranza sull’argomento, è che siamo stati in grado di effettuare misurazioni di queste percentuali tramite metodologie differenti. E finora sembrano tutte concordanti.

Il metodo più preciso per sapere quanta materia oscura ed energia oscura ci sono consiste nell’esaminare un’immagine dell’universo nel momento in cui era un bebè: una foto in cui era ancora piccolo, tenero e carino.[17]

Nei prossimi capitoli vedremo come sia stato possibile effettuare questa fotografia dell’universo neonato e cosa rappresenta. Per il momento, ti basti sapere che esiste. Questa immagine prende il nome di radiazione cosmica di fondo ed è più o meno così:

D’accordo, non è tanto carino. In realtà, è una specie di sgraziato ammasso di rughe (come la maggior parte dei neonati). Questa immagine immortala i primi fotoni sfuggiti dopo l’originaria formazione dell’universo. È importante notare che il numero di rughe e i motivi che esse formano nell’immagine dipende dalla proporzione con cui materia oscura, energia oscura e materia regolare sono presenti nell’universo. In altre parole, modificando queste proporzioni si avrebbero immagini molto diverse. Per ottenere motivi come quelli in figura, occorre avere circa il 5 percento di materia regolare, il 27 percento di materia oscura e il 68 percento di energia oscura. Qualsiasi altra proporzione porterebbe a un’immagine diversa.

Un altro modo che abbiamo per misurare l’energia oscura consiste nel prendere in considerazione il tasso di crescita dell’espansione dell’universo, che noi conosciamo grazie alle candele standard delle supernove. Sappiamo che l’energia oscura sta spingendo fuori tutto a una velocità sempre maggiore. Partendo dalla stima di materia regolare e di materia oscura, è possibile calcolare quanta energia oscura serve per arrivare a una tale espansione e questo ci permette di stimare il quantitativo di energia oscura.

Per concludere, possiamo ottenere le proporzioni di materia oscura, energia oscura e materia regolare osservando la struttura dell’universo che vediamo oggi. L’universo è infatti disposto in una particolare configurazione di stelle e galassie, e tramite simulazioni informatiche siamo in grado di procedere a ritroso dallo stato attuale fino a un istante immediatamente successivo al Big Bang per calcolare quanta energia oscura e quanta materia oscura sarebbero necessarie per far sì che le cose somiglino a ciò che vediamo adesso. Per fare un esempio, effettuando una simulazione con un valore sbagliato di materia oscura non si ottengono galassie con una forma come quella che si osserva oggi e la loro creazione avviene in un momento successivo a quello in cui sappiamo che è avvenuta. La materia oscura, grazie alla sua enorme massa e attrazione gravitazionale, aiuta la materia normale a addensarsi nel modo opportuno e anticipa la creazione delle galassie. Allo stesso modo, qualora si attribuisse tutta l’energia dell’universo esclusivamente a materia normale e materia oscura, senza quindi energia oscura (per esempio, materia oscura = 95 percento), le galassie non verrebbero fuori nel modo corretto.

L’aspetto sorprendente è che questi vari metodi sono in accordo tra loro.

Indicano tutti che il nostro universo è costituito all’incirca da una combinazione di materia regolare, materia oscura ed energia oscura, rispettivamente per il 5 percento, il 27 percento e il 68 percento. Pur non sapendo cosa siano queste cose, possiamo affermare con sufficiente sicurezza che conosciamo i quantitativi di ognuna. Non abbiamo idea di cosa siano, ma sappiamo che esistono. Benvenuti nell’era dell’ignoranza precisa.

Cosa potrebbe essere l’energia oscura?

Ora sai com’è stata scoperta l’energia oscura e quanta ce n’è, ma di cosa si tratta esattamente? Per dirla in poche parole: non ne abbiamo la più pallida idea. Sappiamo che è una forza che sta facendo espandere l’universo, prendendo tutto quello che ha una massa e spingendolo verso l’esterno. Proprio in questo momento, sta spingendo te, me e tutte le altre cose che conosciamo, allontanandole l’una dall’altra.[18] Eppure non sappiamo che cosa sia.

Secondo un’idea che adesso va per la maggiore, l’energia oscura proviene dall’energia dello spazio vuoto. Esatto, spazio vuoto.

Quando affermiamo che qualcosa è vuoto, intendiamo dire che non ha nulla al suo interno. Da un punto di vista più strettamente tecnico, pensiamo a questo qualcosa come se fosse fatto di nulla. Ci sono posti nello spazio intergalattico che semplicemente non contengono particelle di materia (neanche di materia oscura). Ora chiediamoci: e se questo spazio vuoto, pur non avendo massa al suo interno, contenesse energia, come un bagliore o un brusio sommesso? Semplicemente un’energia che si trova lì senza un valido motivo. Se così fosse, essa potrebbe causare un effetto gravitazionale che spinge l’universo verso l’esterno.

Può sembrare strano, ma in realtà è una spiegazione sorprendentemente ragionevole. Nell’ambito della meccanica quantistica, infatti, è abbastanza naturale parlare di energia del vuoto. Secondo la meccanica quantistica, il comportamento del mondo è parecchio diverso per le cose molto piccole (come le particelle) rispetto alle cose più grandi (come le persone e i cetriolini sott’aceto). Oggetti quantistici fanno cose che per un cetriolino sarebbero insensate, come per esempio non avere una posizione definita in modo preciso, comparire oltre una barriera impenetrabile e agire in maniera diversa a seconda di come li si guarda. Sempre in base alla meccanica quantistica, le particelle sono in grado di fare salti avanti e indietro nel mondo esistente, sfruttando l’energia dello spazio altrimenti vuoto.

Dopotutto, è stata la meccanica quantistica a darci una visione diversa della realtà, ed è stata la relatività a farci abbandonare l’idea che spazio e tempo fossero entità assolute. Perché quindi non accettare che quello che sembra uno spazio vuoto sia in realtà pieno di energia del vuoto in grado di far espandere l’universo?

Un problema di questa teoria è che, quando gli scienziati cercano di calcolare quanta energia sia contenuta nello spazio vuoto secondo la meccanica quantistica, ottengono un numero troppo grande. E non di poco: è un numero da 10^60 volte a 10^100 volte troppo grande. Un numero di un googolplex troppo grande (googlatelo). Per fare un confronto, la stima del numero totale delle particelle nell’universo è solo 10^85. Sarebbe quindi onesto ammettere che questa idea ha lievemente mancato il bersaglio.

Altre teorie prevedono nuove forze o speciali campi che compenetrano tutto lo spazio, proprio come fa il campo elettromagnetico. Alcuni di questi campi sono modellizzati in modo da variare nel corso del tempo, nel tentativo di spiegare come mai cinque miliardi di anni fa l’espansione dell’universo abbia subito un’accelerazione. Esistono più varianti di queste teorie, ma tutte hanno in comune il fatto d’essere difficilmente verificabili. Dopotutto, qualcuno di questi campi potrebbe non interagire con le nostre particelle rendendo complicato concepire un esperimento che li riveli. Qualche altro campo potrebbe forse includere nuove particelle (come il campo di Higgs, che ha il bosone di Higgs), ma queste potrebbero essere pesantissime e ciò le renderebbe non rilevabili dagli strumenti attuali. Quanto potrebbero pesare? Più di qualsiasi cosa vista finora, ma mai quanto il tuo gatto.

Tutte queste idee sono ancora agli albori. Si tratta di proto-idee iniziali che condurranno gli scienziati a formulare idee migliori, finché prima o poi non saremo in grado di capire di cosa sia fatta la maggior parte dell’energia dell’universo. In confronto all’energia oscura, la materia oscura sembra una cosa molto semplice che abbiamo ormai capito bene: almeno sappiamo che è materia. L’energia oscura potrebbe essere letteralmente qualsiasi cosa. Se tra cinquecento anni uno scienziato si guarderà indietro, potrebbe trovare divertenti le nostre attuali congetture sull’energia oscura esattamente come noi oggi troviamo pittoresco il modo in cui uomini e donne dell’antichità ritenevano che le stelle, il Sole o il clima fossero governati da divinità in toga. Sappiamo che esistono potenti forze là fuori che vanno ben oltre la nostra comprensione, e che abbiamo ancora molto da imparare sull’universo.

Cosa comporta tutto questo per il futuro

Se l’universo si sta espandendo sempre più in fretta per colpa dell’energia oscura significa che tutto si sta allontanando da noi con una velocità ogni giorno maggiore. A mano a mano che la velocità di espansione aumenta, cose lontane tra loro potrebbero finire per allontanarsi l’una dall’altra più velocemente della luce. Ciò vorrebbe dire che la luce delle stelle non sarà più in grado di arrivare fino a noi. Già oggi le stelle visibili nel cielo notturno sono meno numerose di quelle che si vedevano ieri. Potendo seguire questa espansione fino alla sua conclusione naturale, tra alcuni miliardi di anni si vedranno solo poche stelle. E ancora più in là nel futuro, il cielo notturno potrebbe essere quasi totalmente nero.

Immagina di essere uno scienziato sulla Terra del futuro. Come potresti concepire l’esistenza di stelle e galassie che non sei in grado di vedere?[19] Se l’espansione continuerà, alla fine potrebbe strappar via il nostro sistema solare, il nostro pianeta, perfino il telefonino dalle mani del tuo pron-nipote. D’altra parte, visto il poco che sappiamo su cosa stia effettivamente governando questa espansione, potrebbe anche darsi che in futuro rallenterà.

Ma allora: se una volta c’erano più stelle visibili rispetto a oggi, quante cose che una volta erano ovvie adesso ci sfuggono per colpa del fatto che gli uomini sono arrivati alla festa con un ritardo di quattordici miliardi di anni?

4
Qual è la particella di materia
più elementare?
In cui scoprirete che capiamo molto poco
dei pezzettini più piccoli che vediamo

Scoprire che tutto il sapere dell’uomo e la scienza riescono a descrivere solo il 5 percento di universo – ovvero tutto ciò che chiamiamo « materia normale » – potrebbe provocare varie possibili reazioni:

1. farti sentire piccolo, umile e un po’ terrorizzato;

2. portarti a negare, negare, negare;

3. farti emozionare al pensiero di quante cose possiamo ancora imparare sull’universo;

4. incoraggiarti a continuare a leggere questo libro.[20]

Se ti senti spaesato e terrorizzato, abbiamo una buona notizia per te. In questo capitolo parleremo principalmente di materia normale. D’altronde, però, se la materia oscura avesse una sua fisica oscura, una sua chimica oscura e una sua biologia oscura, per estensione avrebbe anche dei fisici fatti di materia oscura, i quali con ogni probabilità affermerebbero che la materia « normale » è quella di cui sono fatti loro. Forse è davvero il caso di fare un bel bagno di umiltà.

C’è anche una cattiva notizia, però. Riguardo a quel 5 percento di cui abbiamo capito qualcosa, non sappiamo tutto ciò che sarebbe opportuno sapere.

Potrebbe essere una sorpresa per molti. Dopotutto, esistiamo soltanto da qualche centinaio di migliaia di anni e in ambito scientifico ce la siamo cavata abbastanza bene. Siamo certamente tentati di dire che abbiamo saputo dominare il nostro piccolo angolo d’universo. Al giorno d’oggi disponiamo di una gran quantità di tecnologia molto raffinata e potremmo pensare d’essere in grado di maneggiare bene la scienza della materia ordinaria. Riusciamo perfino a trasmettere per ore e ore pessimi programmi televisivi in qualsiasi luogo e in qualsiasi momento. Questa è senza dubbio una pietra miliare per qualsiasi forma di civiltà.

È interessante notare che l’affermazione precedente è nel contempo sia vera che falsa (il fatto che sappiamo maneggiare bene la realtà, non che possiamo guardare reality show in TV ventiquattr’ore su ventiquattro).

Certo, sappiamo un sacco di cose sulla materia normale, ma ci sono ancora molti aspetti che non conosciamo. Per esempio, per quanto riguarda alcune particelle (pezzettini di materia) non abbiamo neppure idea di quale funzione abbiano. Ecco in che situazione ci troviamo: la ricerca nel campo della fisica ci ha fatto scoprire dodici particelle di materia, sei delle quali sono chiamate « quark » e altre sei « leptoni ».

Per poter costruire tutto ciò che ci circonda ne servono solo tre su dodici: il quark up, il quark down e l’elettrone (uno dei leptoni). Come già detto, con quark up e quark down si possono fare protoni e neutroni, e con l’aggiunta dell’elettrone si può costruire qualsiasi atomo. A che servono allora le altre nove particelle? Perché esistono? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Quant’è complicata la faccenda? Be’, immagina di aver preparato una splendida torta e, dopo averla sfornata, decorata e assaggiata (squisita, sei un bravissimo pasticcere), ti accorgi di avere altri nove ingredienti che non hai usato. Chi li ha portati? Servono a qualcosa? Di chi era la ricetta?

La verità è che la nostra mancanza di conoscenza sulla materia normale (il 5 percento) è una faccenda più complessa della pasticceria particellare.

Ricapitolando: sappiamo che tre particelle (quark up, quark down ed elettrone) possono essere combinate per formare ogni tipo di atomo, e sappiamo anche che gli atomi possono essere usati per fare molecole e che le molecole possono formare oggetti complessi come torte o elefanti. Tutto questo riguarda solo il come: sappiamo come sono fatte le varie cose e come combinarle una con l’altra. E lo sappiamo così bene che riusciamo a fabbricare di tutto, dalla biancheria intima traspirante ai telescopi spaziali. Fantastico, no?[21]

Sul perché, tuttavia, sappiamo poco: perché le cose si abbinano così? Perché non si possono combinare in un altro modo? Questa è l’unica versione possibile di un universo consequenziale o ne esistono 10^500 versioni diverse, come proposto dai fisici della teoria delle stringhe?

La nostra conoscenza attuale non è abbastanza approfondita da spiegarci perché tutti i pezzettini di universo sono incastrati nel modo che vediamo. È come con la musica: sappiamo comporla, balliamo, cantiamo, però non sappiamo perché ci appassiona tanto. Lo stesso vale per l’universo: sappiamo che funziona, ma non perché funziona.

Si potrebbe obiettare che questa spiegazione non esiste o che, se esistesse, non saremmo mai in grado di conoscerla né tantomeno di comprenderla. Rinviamo questa discussione al capitolo 16. Resta comunque il fatto che non possediamo, a oggi, questo genere di conoscenza.

Ora, supponiamo che tu sia una persona curiosa e genuinamente interessata al perché delle cose,[22] potresti domandarti come si possa cercare una risposta a questa domanda e che relazione abbia con le inutili particelle che abbiamo trovato.

Se vogliamo provare a capire i « perché » fondamentali dell’universo, bisogna innanzitutto farsi un’idea di com’è strutturato nel suo livello più profondo e sostanziale. Ciò significa smontare sempre di più la materia, finché non si riesce più ad andare avanti. Cos’è il pezzettino più piccolo, il più elementare? Se è una particella, allora vogliamo scovare le particelle che compongono le particelle che compongono le particelle ecc. ecc. fino all’infinito (o fino alla nausea, a seconda di quale delle due cose arriva prima).

Dopo di che, si dovrebbero esaminare queste particelle elementari per capire come mai le cose funzionano proprio così. Sarebbe come rilevare i pezzettini di Lego più piccoli in un universo tutto fatto di Lego. Una volta trovati, si potrebbero capire i meccanismi fondamentali secondo cui ogni mattoncino s’incastra con gli altri. Si arriverebbe a comprendere qualcosa di profondo e di vero riguardo alla realtà, comprese (speriamo) l’energia oscura e la materia oscura.

Al momento, non siamo sicuri di conoscere l’universo fin nelle sue più piccole dimensioni possibili. O, se lo conosciamo, non siamo sicuri di cosa fare con i mattoncini di Lego che abbiamo trovato. Il bello è che abbiamo una mappa. Abbiamo un cruciverba incompleto dell’universo, che somiglia molto a qualcosa che abbiamo già visto in precedenza: una tavola periodica.

La tavola periodica delle particelle elementari

Dopo aver passato un secolo a spaccare cose a destra e a manca, i fisici hanno scoperto che le dodici particelle fondamentali di materia possono essere sistemate in una tabella più o meno come questa:

Fermiamoci un attimo ad apprezzare il risultato significativo a cui siamo giunti. Ricordiamoci qual era la prima teoria dell’universo degli scienziati cavernicoli Ook e Groog:[23]

È una descrizione esaustiva, ma non molto utile visto che non ci dice nulla di fondamentale o illuminante; è solo un’affermazione dell’ovvio. In seguito, i greci hanno avuto l’idea che tutto fosse composto di quattro elementi: acqua, terra, aria e fuoco. Si sbagliavano di grosso, ma almeno è stato un passo nella giusta direzione, un tentativo di semplificare la descrizione del mondo.

Più tardi, abbiamo scoperto gli elementi e abbiamo capito che rocce, terra, acqua e lama sono tutti ottenuti a partire da un piccolo insieme di atomi differenti. Abbiamo quindi scoperto che anche gli atomi sono fatti di particelle più piccole e che alcune di queste, a loro volta, sono costituite da particelle ancora più piccole (i quark). La lezione più importante che abbiamo imparato è che né gli atomi né i lama sono le unità fondamentali dell’universo. Se esiste un’equazione fondamentale dell’universo – qualsiasi essa sia – possiamo essere sicuri che non conterrà una variabile Nlama perché i lama, al pari degli atomi, non sono elementi fondamentali dell’universo. Non ne definiscono la natura essenziale; sono semplicemente l’aggregato (il fenomeno visibile) che scaturisce da una realtà più profonda (spiacenti per i lama) nello stesso modo in cui i tornado sono il fenomeno visibile del vento e le stelle sono il fenomeno visibile di gas e forza di gravità.

Organizzare in tabelle ordinate tutto quello che conosciamo (e che non conosciamo) aiuta a identificare eventuali analogie o a individuare tasselli mancanti. Immagina per un momento di essere uno scienziato dell’Ottocento (ovviamente indossi degli occhiali ridicoli) e di non sapere ancora che gli atomi sono fatti da minuscoli elettroni, protoni e neutroni. Se organizzassi le tue conoscenze in una tavola periodica degli elementi, potresti riuscire a mettere in luce alcuni aspetti interessanti.

Ti accorgeresti che gli elementi su un lato della tavola sono molto reattivi, mentre quelli sul lato opposto sono quasi del tutto inerti. Noteresti che gruppi di elementi vicini – per esempio i metalli – hanno proprietà simili, e che alcuni elementi sono più difficili da trovare rispetto ad altri.

Queste curiose analogie ti avrebbero fornito parecchi indizi riguardo al fatto che la tavola periodica non era la descrizione fondamentale della natura. Esse implicano che deve esserci qualcosa di più profondo. È come imbattersi in un gruppo di fratelli e notare alcune somiglianze tra loro: sono tutti diversi l’uno dall’altro, ma dall’aspetto o dal modo di comportarsi si può presumere che abbiano gli stessi genitori. Allo stesso modo, quando gli scienziati si sono trovati davanti alle prime versioni della tavola periodica, si sono accorti della presenza di analogie e si sono chiesti: Ci sta sfuggendo qualcosa?

Oggi sappiamo che le analogie nella tavola periodica sono dovute alla disposizione degli orbitali elettronici, che a ogni casella corrisponde un elemento e che alcuni elementi sono più rari di altri perché soggetti a decadimento radioattivo. Per ottenere un determinato elemento, è sufficiente assemblare il giusto numero di neutroni, protoni ed elettroni.

La cosa fondamentale è stata organizzare in modo strutturato tutte le informazioni a disposizione e studiarle attentamente. A quel punto si è potuto osservare analogie e individuare caselle mancanti, e ciò ha permesso di formulare le domande giuste per capire meglio il funzionamento dell’universo.

Per arrivare alla tavola delle particelle fondamentali (quella con quark e leptoni) c’è voluto quasi tutto il XX secolo. Le chiamiamo « fondamentali » perché al momento non siamo in grado di dire se siano fatte, a loro volta, da particelle più piccole. Non esiste nessuna prova che si tratti effettivamente dei più piccoli costituenti della materia, però sono di certo i più piccoli che siamo in grado di vedere (finora).

Studiando meglio la tabella di p. 62, si notano anche in questo caso analogie interessanti. Innanzitutto, si distinguono due diversi tipi di particelle: i quark e i leptoni. Sappiamo che sono diversi perché i quark sono soggetti alla forza nucleare forte, mentre i leptoni no. Si nota poi che le particelle necessarie a fabbricare la materia ordinaria sono tutte nella prima colonna: quark up, quark down ed elettrone. In questa prima colonna c’è poi una quarta particella chiamata neutrino elettronico (νE) che viaggia nel cosmo come un fantasma, velocissimo e senza quasi interagire con niente.

Un momento, c’è dell’altro! Oltre a queste quattro, ci sono altre particelle e anche loro possono essere ordinate in colonne. Ogni colonna è esattamente uguale alla prima (con le stesse proprietà, come carica e interazione forte) tranne per il fatto che le particelle hanno una massa più grande.[24] A ogni colonna corrisponde una « generazione » e ne abbiamo scoperte tre.

La nostra tabella di particelle fa sorgere subito alcune domande.

- È disponibile anche in legno di betulla?

- A che servono tutte queste particelle?

- Cosa sono le cariche elettriche 1/3?

- Esistono altre particelle?

Sono domande lecite, naturalmente. Se tutto questo mistero ti spaventa, fai un bel respiro profondo. Non devi dimenticare che la nostra strategia consiste nel mettere in ordine ciò che conosciamo per cercare similitudini e tasselli mancanti che possano indirizzarci verso le domande corrette. Solo così possiamo sperare di capire un po’ meglio quello che succede.

Fino a qualche decennio fa, questa tabella era incompleta, perché alcuni quark e leptoni non erano ancora stati scoperti. Tuttavia, osservando le analogie, i fisici si sono messi in cerca delle particelle mancanti. Per fare un esempio, un po’ di anni fa si sapeva che avrebbe dovuto esistere un sesto quark, visto che c’era un buco nella tabella. Pur non essendo mai stato visto, la sua esistenza era data per scontata da tutti, al punto che era stato inserito in numerosi manuali, insieme alla massa prevista. Venti anni più tardi, il quark top è stato finalmente trovato (più o meno, visto che la sua massa si è rivelata molto più grande del previsto, motivo per cui era stato tanto complicato trovarlo, e di conseguenza si sono anche dovuti riscrivere tutti i manuali).

Così, i fisici hanno continuato a procedere seguendo la metodologia del riempire i buchi e studiare la struttura di questa importante tavola. Negli ultimi decenni siamo giunti a qualche risposta e, in certi casi, anche a qualche nuova domanda.

A che servono tutte queste particelle?

L’unica cosa che sappiamo è che ci sono solo tre generazioni di particelle. L’esistenza di un’eventuale quarta generazione è stata esclusa grazie alla scoperta del bosone di Higgs (leggete il capitolo 5 per sapere tutto il necessario in proposito). Ma cosa significa questo? Che il tre rappresenta il numero fondamentale dell’universo? Che se fossimo sul punto di svelare l’equazione in grado di descrivere tutto, conterrebbe un tre da qualche parte? I cattolici sono molto affezionati al numero tre, ma i matematici e i fisici non tanto; a loro piacciono numeri come zero, uno, π e forse e. Nel tre, invece, non ci vedono nulla di speciale.

Cosa potrebbe significare allora? Non ne abbiamo la più pallida idea. Non c’è nessuna legittima argomentazione. Non esistono valide ipotesi riguardo al numero di generazioni di particelle. Forse è un fenomeno dovuto a qualche regola naturale ancora nascosta, come per le analogie presenti nella tavola periodica degli elementi. O forse abbiamo davanti agli occhi tutti gli indizi necessari e per gli scienziati del futuro la risposta sarà elementare,[25] ma per il momento resta un mistero. Se tu sei in grado di fornire una spiegazione, contatta il teorico delle particelle più vicino a te e prendi appuntamento.

Quale correlazione c’è tra le masse delle particelle?

Le masse dei vari atomi e il modo in cui cambiavano a seconda dei diversi settori della tavola periodica degli elementi hanno fornito indizi cruciali per la comprensione di ciò che stava accadendo. La particolare distribuzione delle masse ha permesso di capire che ogni elemento ha un numero ben preciso di protoni e neutroni all’interno del proprio nucleo (il numero atomico, che equivale alla carica positiva del nucleo).

Purtroppo, per quanto riguarda invece le particelle fondamentali, non ci sono evidenti correlazioni tra le varie masse. Di seguito sono riportate le masse di ciascuna particella.

Oltre alla caratteristica generale per cui le generazioni più alte hanno massa crescente, non siamo in grado d’individuare altre peculiarità interessanti. Potrebbe esserci un legame con il bosone di Higgs (vedi il capitolo 5), ma per il momento non ci sono risposte chiare. Da notare il fatto che il quark top ha una massa molto grande: pesa come 175 protoni, ovvero come il nucleo di un atomo di oro.[26] Le masse differiscono tra loro di ben tredici ordini di grandezza. Perché? Non ne abbiamo la più pallida idea. Siamo nel contempo senza indizi e circondati da indizi.

Cosa sono le cariche elettriche 1/3?

I quark differiscono dai leptoni in quanto sono soggetti alla forza nucleare forte e hanno strane cariche elettriche frazionarie (+2/3 e –1/3). Miscelando opportunamente quark up e quark down, si possono fabbricare protoni (due quark up e un quark down, con carica complessiva di 2/3 + 2/3 – 1/3 = +1) e neutroni (un quark up e due quark down, con carica di 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0). Questo è estremamente importante (oltre che una fortuna) visto che la carica dell’elettrone è proprio –1. Se i quark avessero avuto un po’ più (o un po’ meno) carica elettrica, quella del protone non avrebbe controbilanciato esattamente la carica negativa dell’elettrone e non sarebbe stato possibile formare atomi stabili ed elettricamente neutri. Senza queste perfette cariche di –1/3 e +2/3, noi non saremmo qui. Non esisterebbe la chimica, e nemmeno la biologia. Non ci sarebbe la vita.

Tutto ciò è molto affascinante (o spaventoso, a seconda del vostro livello di paranoia), perché stando alle nostre attuali teorie le particelle possono avere qualsiasi carica elettrica; la teoria continua a stare in piedi con qualsiasi valore di carica e il fatto che ci sia questo perfetto equilibrio è – per quel che ne sappiamo – solo una grandissima e fortunata coincidenza.

Nella scienza, a volte, le coincidenze capitano. Sole e Luna hanno dimensioni molto diverse, ma per una coincidenza cosmica (questa è una delle poche volte in cui si può parlare di « coincidenza cosmica ») a noi appaiono grandi uguali e grazie a questo si verificano straordinarie eclissi solari. Ciò deve aver indotto all’errore gli antichi astronomi, che magari pensavano ci fosse qualche strana correlazione tra i due. A ben vedere, la coincidenza non è perfetta. Dal nostro punto di vista terrestre, le dimensioni del Sole e quelle della Luna differiscono dell’1 percento circa.

Nel caso delle particelle fondamentali, invece, il protone e l’elettrone hanno esattamente la stessa carica (anche se di segno opposto) e non abbiamo idea del perché. Secondo le nostre teorie, le cariche avrebbero potuto avere qualsiasi valore, eppure la coincidenza è perfetta. Si può ipotizzare una relazione di qualche tipo tra elettrone e quark? Non lo sappiamo, però sembra necessaria una spiegazione più semplice. Se un bel giorno tu perdi duemila dollari e il tuo vicino di casa trova duemila dollari, penseresti a una coincidenza? Probabilmente solo dopo aver escluso varie altre spiegazioni più semplici.[27]

Potrebbe anche darsi che questo perfetto accordo tra cariche elettriche sia un indizio del fatto che tutte le particelle sono costituite da altre componenti ancora più fondamentali. O forse questi due tipi di particella sono in realtà due facce della stessa medaglia, oppure sono costruiti a partire dallo stesso insieme di minuscolissimi pezzettini di Lego.[28]

Esistono altre particelle?

Oltre alle dodici particelle di materia (in questo caso non consideriamo le particelle di antimateria come entità differenti) – cioè, i sei quark e i sei leptoni – ne esistono altre che sono in grado di veicolare le forze. L’interazione elettromagnetica, per esempio, si trasmette grazie ai fotoni. Anche se non è matematicamente accurato, si può pensare che un elettrone sia capace di respingerne un altro inviandogli un fotone.

Abbiamo una certa conoscenza di cinque particelle in grado di trasmettere forza.

Aggiungendo queste alle dodici particelle di cui abbiamo parlato prima, otteniamo la lista completa delle particelle note, anche se in realtà non sappiamo se sia davvero una lista completa. Non esiste un limite teorico al numero di particelle che potrebbero esistere. Potrebbero essercene solo diciassette, oppure cento, mille o dieci milioni. Sappiamo che non ci sono altre generazioni di quark e leptoni, ma potrebbero certamente esistere altri tipi di particelle. Quante? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Qual è la particella di materia
più elementare che ci sia?

A che servono dunque tutte queste particelle? Perché alcune sembrano inutili, dal momento che ce ne bastano solo tre per la materia ordinaria (quark up, quark down ed elettrone)? Ecco alcune possibili risposte.

- Non si sa, ma è così.

- Qualcuno lo sa, e non è così.

- « Inutile » è un termine relativo.

Forse l’universo funziona in questo modo: queste tre particelle sono i suoi costituenti fondamentali, ma senza una particolare ragione ne esistono altri, in un numero compreso tra dieci e venti. Forse esistono altri universi, costruiti a loro volta con una decina o una ventina di ingredienti, ma noi non riusciremo mai a vederli.

Potrebbe anche darsi che queste particelle non siano gli oggetti più fondamentali dell’universo, ma che a loro volta siano fatte di altre particelle ancora più fondamentali e non ancora scoperte. Le particelle che conosciamo sarebbero semplicemente la combinazione di questi elementi ancora più primari. Ciò spiegherebbe le strane analogie e coincidenze riscontrabili nella tavola delle particelle che conosciamo adesso. Probabilmente la risposta giusta è proprio questa, ma (al momento) non abbiamo prove.

Forse le particelle più pesanti sono « inutili » solo perché non possono essere usate per fabbricare protoni, neutroni ed elettroni che rappresentano invece il risultato stabile dell’aggregazione delle particelle più leggere. L’universo è costituito soprattutto da particelle più leggere solo perché è molto freddo ed esteso. Se fosse più piccolo, caldo e denso, forse avremmo un maggior numero di particelle pesanti e non ci sembrerebbero così inutili (in questo caso, però, sarebbe tutto molto diverso).

La morale della favola è che stiamo ancora cercando di capire come funziona il 5 percento di universo che ci è familiare. Abbiamo fatto molta strada, ma non siamo ancora giunti a una piena e fondamentale comprensione del perché le cose siano fatte proprio così. Abbiamo una lista degli ingredienti che pensiamo costituiscano il nostro universo, ma non siamo sicuri al cento percento che si tratti di una lista completa.

Il bello è che abbiamo un solido punto d’appoggio da cui partire. Certo, la tavola delle particelle fondamentali (i fisici la chiamano Modello standard) presenta alcune analogie inesplicate e contiene particelle « inutili », tuttavia si basa su osservazioni reali e possiamo usarla come una mappa per esplorare i veri meccanismi interni dell’universo. Scoprire nuove particelle (anche se non usate per la materia normale) sarebbe davvero affascinante perché vorrebbe dire aver ampliato la nostra mappa dell’universo.

Supponiamo, per esempio, che la materia oscura sia fatta di particelle non ancora scoperte. La nostra conoscenza aumenterebbe del 27 percento. Magari, scoprire che è fatta da un solo tipo di particella (che interagisce molto poco con la nostra materia) sarebbe il caso più noioso. Ma quanto sarebbe eccitante, invece, se scoprissimo che è fatta da un sacco di particelle pazze o addirittura da un tipo totalmente diverso di materia non particellare?

Per rispondere alle domande fondamentali dell’universo, dobbiamo scavare sempre più in profondità nella composizione della materia normale. Durante questo processo ci si può imbattere in fenomeni o particelle che non hanno un ruolo chiaro, ma che fanno parte dell’universo e devono aiutarci a capire come mai le cose sono proprio come sono. Le risposte cambieranno radicalmente la nostra visione di noi stessi. Insomma, sarà come mangiare la torta e averla ancora dopo che l’abbiamo mangiata.

5
I misteri della massa
In cui affronteremo con leggerezza questioni di peso

Probabilmente l’avrai già sentito dire da qualche scienziato in camice da laboratorio o da fisici in pantaloncini e maglietta: sei fatto quasi completamente di spazio vuoto. Non prenderla sul personale. Quello che intendono dire è che gli atomi di cui siamo costituiti hanno la massa quasi tutta concentrata nel loro piccolo nucleo, il quale a sua volta è circondato da un sacco di spazio vuoto. Si potrebbe quasi pensare che sei in grado di passare attraverso i muri.

In parte, è vero. La faccenda però è più bizzarra di così e ha a che fare con i tanti misteri della « massa ». Come vedi, i grandi enigmi non riguardano solo le stelle, le galassie o le particelle strane. Alcuni sono intorno a noi, se non addirittura dentro di noi.

Abbiamo parecchie descrizioni della massa, ma poche ci fanno davvero capire che cos’è e perché ce l’abbiamo. Tutti noi sentiamo la massa. Fin da bambini sviluppiamo la percezione che alcune cose sono più difficili da spostare rispetto ad altre. Per noi è normale, ma molti fisici farebbero una gran fatica se dovessero spiegare tutti i dettagli tecnici che si annidano nel problema. Come scoprirai in questo capitolo, gran parte della tua massa non è ottenuta sommando le masse di tutte le particelle di cui sei fatto. Non sappiamo perché alcune cose abbiano massa e altre no, né perché l’inerzia bilanci perfettamente la forza di gravità. La massa è misteriosa e non puoi dare tutta la colpa al dolce che hai mangiato ieri sera.

Quindi, se vuoi saperne di più sulle molte domande sulla massa ancora irrisolte, continua a leggere.

Di che roba stiamo parlando?

Quando parliamo della massa di un oggetto, probabilmente facciamo tutti riferimento a quanta roba si trova al suo interno. Questo modo di pensare appare corretto perché sembra lecito affermare che la massa di qualsiasi cosa, per esempio di un normalissimo lama, sia la somma di tutte le particelle che lo compongono. Vale a dire: se si dividesse un lama in due,[29] sommando le due metà si otterrebbe la massa del lama. Dividendolo in quattro pezzi, la sua massa sarebbe la somma delle masse dei quattro pezzi, e così via. Se si dividesse il lama in n pezzi, la massa di partenza si otterrebbe sommando le masse degli n pezzi. Giusto?

Sbagliato! Ok, in realtà è giusto solo in parte. La regola funziona per n = 2, 4, 8... fino, più o meno, a n = 10^23. Dopo, non funziona più. Il motivo potrebbe sembrare molto strano: la massa totale di un lama non si ottiene sommando la massa di tutto ciò che lo compone. Il totale comprende anche l’energia necessaria a mantenere insieme tutti i pezzi. È un’idea piuttosto singolare, lasciala pure decantare per qualche minuto.

Se non ne hai mai sentito parlare, magari speri che si tratti solo di un gioco di parole, che stiamo usando la parola « massa » in un modo tecnico per esprimere un concetto diverso da quello che le viene comunemente associato. Invece no, hai capito bene. È la massa a essere diversa da come pensavi.

Per una risposta più esaustiva, occorre innanzitutto dare una definizione precisa di cosa intendiamo per massa. La massa di un oggetto indica la sua attitudine a contrastare i cambiamenti di velocità a cui è sottoposto. Detto in parole semplici: quando un oggetto viene spinto, comincia ad accelerare (cioè cambia la sua velocità). Spingendo oggetti diversi con la stessa forza, si osserva che alcuni accelerano molto, mentre altri quasi per niente. Prova a sparare con una pistola ad aria compressa alle varie cose che trovi in giro per casa, come un fazzolettino di carta o un elefante che sta dormendo. Ogni gommino trasferisce più o meno la stessa quantità di forza, ma l’effetto prodotto su un fazzoletto è molto più evidente di quello che si ha su un elefante che dorme.[30] Questo è ciò che chiamiamo massa.

Si tratta proprio della consueta percezione che abbiamo della massa, non ci sono trucchi. Possiamo dire che un elefante ha più massa di un fazzolettino perché, a parità di forza applicata, subisce una minore accelerazione. Per questo a volte si parla di « massa inerziale », visto che la capacità di opporsi all’accelerazione si chiama inerzia. La massa inerziale si può misurare in modo abbastanza semplice: si applica una forza nota e si misura l’accelerazione prodotta. (Va detto che esiste una seconda definizione di massa, la « massa gravitazionale », di cui parleremo in seguito.)

Dopo aver illustrato esattamente cosa intendiamo per massa, possiamo usare questa definizione per misurare la massa dei lama tutte le volte che vogliamo. Ci basta usare pistole ad aria compressa certificate e calibrate da ingegneri della NASA. Adesso possiamo tornare al nostro lama concettuale che è stato atomizzato per il bene della scienza.

Quando si rompono i vincoli chimici che tengono insieme tutti gli atomi del lama, viene rilasciata l’energia di legame e la massa totale del lama affettato diventa più piccola. Se è stato diviso in due parti, allora la differenza di massa è trascurabile. Se però il lama è stato completamente atomizzato, la differenza comincia a essere notevole. L’energia racchiusa in tutti i legami chimici tra le molecole di lama ne aumenta la massa. Non si tratta di una congettura teorica, ma di un’evidenza sperimentale.[31]

Nel caso del lama non è un grosso effetto. Se si spezzassero tutti i legami chimici che mantengono unite le sue molecole e se ne addizionassero le masse, non si otterrebbe una grande differenza rispetto alla massa di partenza. Lo stesso varrebbe se si procedesse ulteriormente fino ad avere solo protoni, neutroni ed elettroni (la differenza sarebbe dell’ordine dello 0,005 percento).

Il discorso cambia se si continua con particelle più piccole. Se suddividessimo tutti i protoni e i neutroni nei quark di cui sono fatti (ricordiamoci che protone e neutrone sono costruiti con tre quark ciascuno), avremmo una differenza enorme. Infatti, gran parte della massa di un protone o neutrone proviene proprio dall’energia che tiene uniti i quark.

In altre parole, se misurassimo singolarmente le masse dei tre quark (colpendoli con la pistola ad aria compressa) e confrontassimo la somma con la massa degli stessi tre quark quando sono uniti a formare un protone o un neutrone (misurate anche loro con la pistola ad aria compressa), si noterebbe una differenza molto grossa. Le tre masse misurate separatamente contribuiscono solo per l’1 percento circa alla massa del protone o neutrone. Tutto il resto è l’energia che serve a mantenere legati i quark.

Questo esempio mostra cosa significa avere energia accumulata nei legami tra le particelle: le varie parti unite pesano più della somma delle singole componenti.

Per avere un’idea di quanto risulti bizzarro alla nostra logica questo fenomeno, immagina di avere tre fagioli e di aver misurato la massa di ognuno di essi. Qual è la massa totale? La somma delle tre masse. E fin qui tutto bene. Adesso immagina di metterli in un piccolo contenitore all’interno del quale vengono compressi con moltissima energia. Di colpo la massa diventerebbe molto più grande. Ti accorgeresti che il contenitore ora pesa tanto di più e faresti parecchia più fatica a spostarlo da un posto all’altro. La massa totale non sarebbe più la somma delle tre masse contenute, ma gran parte di essa sarebbe causata dall’energia necessaria a mantenere compatti i fagioli.

L’aspetto incredibile è che la maggior parte del nostro corpo è costruita proprio con piccoli contenitori di fagioli (protoni e neutroni) e questo implica che gran parte della massa non viene dalla roba di cui siamo fatti (quark ed elettroni), bensì dall’energia necessaria a mantenerla compatta. La massa di qualsiasi cosa nel nostro universo include anche questa particolare energia. Può sembrare assurdo, ma non sappiamo perché; cioè, non abbiamo idea del perché un oggetto a cui viene applicata una forza sia soggetto a un’accelerazione che dipende dall’energia di legame. Quando si spinge un piccolo contenitore di fagioli, non si capisce perché mai si debba sentire anche l’energia contenuta al suo interno. Non dovrebbe importare se i fagioli sono tenuti insieme con la saliva o con una supercolla. E invece sì. È uno dei grandi misteri della massa. Possiamo misurare l’inerzia, ma non sappiamo bene cosa sia, né perché abbia a che fare contemporaneamente con la massa e con l’energia che lega tra loro le particelle. Insomma, non ne sappiamo un fico secco.

Particelle che confondono le idee

Se non ti è ancora esplosa la testa dopo aver scoperto che la fisica non è in grado di spiegare una cosa elementare come l’inerzia, preparati a un’altra grande rivelazione: neanche la massa che attribuiamo a particelle elementari come quark o elettroni è dovuta alla « roba » di cui sono fatti. In realtà, non c’è nulla che possa chiamarsi « roba » nella nostra formulazione della fisica.

Secondo la teoria corrente, le particelle sono definite come punti indivisibili nello spazio. Questo significa che hanno un volume pari a zero e occupano un posto infinitesimale nello spazio tridimensionale. Non hanno proprio dimensione.[32] E visto che sei fatto di particelle, questo significa che non sei quasi tutto spazio vuoto, ma sei totalmente spazio vuoto!

È incredibile il non senso generato dal concetto di massa. Va ricordato che alcune particelle hanno massa quasi nulla, mentre altre possiedono una massa gigantesca. Ecco, per esempio, una domanda quasi senza senso: qual è la densità di un elettrone? Un elettrone ha massa non nulla e occupa un volume nullo, pertanto la densità (massa diviso volume) è in realtà... indefinita? Non ha senso.

Consideriamo ora due particelle identiche in tutto tranne che nella massa, per esempio il quark top e il quark up. Il primo è un po’ come se fosse il cugino sovrappeso del secondo, ma ha la stessa carica elettrica, lo stesso spin e lo stesso tipo di interazioni. Entrambe le particelle sono considerate puntiformi e fondamentali, ma il quark top ha una massa 75.000 volte più grande. Nonostante questo, occupano entrambe lo stesso spazio (nessuno) e si comportano quasi allo stesso modo. Com’è possibile allora che una abbia più massa dell’altra senza che per questo sia fatta di più « roba »?

Il motivo per cui sembra assurdo è che le particelle non sono come le cose con cui abbiamo a che fare nella vita di tutti i giorni. Quando cerchiamo di capire qualcosa di nuovo, è normale da parte nostra usare modelli basati su ciò che già conosciamo.[33] Cos’altro potremmo fare? È come se dovessi spiegare a tuo figlio di tre anni cos’è una tigre. Potresti dirgli che « è come un grosso micione », ma poi un bel giorno il bambino va allo zoo e cerca d’infilare una mano nella gabbia per accarezzare il micione, e allora sua madre si mette a urlare contro suo padre accusandolo d’essere un pessimo genitore che usa le analogie in modo inappropriato ed eccessivamente teorico. Procedere così può essere efficace, ma bisogna sempre avere la consapevolezza dei limiti a cui si è sottoposti.

A noi piace pensare che le particelle siano delle piccole palline di roba. Funziona in un sacco di esperimenti, anche se le particelle non sono neanche lontanamente delle palline. Secondo la meccanica quantistica, sono minuscole e misteriose fluttuazioni nei campi che permeano l’intero universo. Di conseguenza, ubbidiscono a regole che hanno poco a che fare con un modello in cui sono rappresentate come piccole palline. Per esempio, può capitare che compaiano e scompaiano da una parte all’altra di una barriera impenetrabile, senza passarci attraverso.[34] Le particelle quantistiche sono in grado di fare cose assolutamente incomprensibili se si cerca di descriverle come si fa con ciò che conosciamo, ma non sono come le cose a cui siamo abituati.

I modelli che abbiamo in mente possono servire per intuire o visualizzare meglio il problema, però bisogna sempre ricordarsi che un modello è un modello e che prima o poi potrebbe smettere di funzionare, per esempio quando si pensa alla massa di particelle puntiformi.

Consideriamo adesso l’estremo opposto: com’è possibile che una particella abbia una massa nulla? Il fotone, per esempio, ha esattamente massa zero. Ma, se non ha massa, di cosa è fatto? Se presupponiamo che avere massa voglia dire essere fatti di qualcosa, allora bisogna concludere che una particella senza massa non è fatta di nulla.

Invece di pensare che la massa di una particella rappresenta tutta la roba che è stata stipata dentro una minuscola pallina, proviamo a pensare che non sia altro che un’etichetta che abbiamo applicato a un oggetto quantistico infinitesimo.

Forse non te ne sei reso conto, ma è proprio quello che facciamo quando parliamo di carica elettrica. Tutti sappiamo che un elettrone ha una carica elettrica negativa, ma qualcuno si è mai chiesto dove si trovi la carica all’interno dell’elettrone? Qual è la sostanza che apporta la carica? Quanto spazio occupa? Queste domande sembrano sciocche perché in realtà si pensa alla carica come se fosse una caratteristica della particella. È invece una sorta di etichetta che può avere molti valori diversi: 0, –1, 2/3 ecc. Provate a pensare la stessa cosa per la massa e forse tutto acquisirà un po’ più di senso.

Se una particella ha una carica, allora è soggetta alla forza elettrica (per esempio, un elettrone viene respinto da altri elettroni). Cosa vuol dire, invece, avere una massa? La massa fa sì che una particella abbia inerzia (ovvero che si opponga al moto), ma restano comunque tanti interrogativi: perché le cose hanno inerzia? Da dove viene? Che cosa significa? Chi ci aiuterà nel momento del bisogno? La risposta è: il bosone di Higgs.

Il bosone di Higgs

Nel 2012 i fisici delle particelle hanno annunciato in pompa magna al mondo la scoperta del bosone di Higgs. Un sacco di persone sembravano eccitatissime, anche se quasi nessuno capiva di cosa si trattasse. Il New York Times ha scritto che « è la massima espressione di ciò che il progresso scientifico può offrire alla civiltà moderna ». È vero, il bosone di Higgs sembra essere meglio dei computer, degli sciacquoni e dei reality televisivi.[35]

Cos’è allora questo bosone di Higgs? Ecco un quiz per mettere alla prova la tua conoscenza. Prova a farlo adesso, e poi ripetilo dopo aver letto questo capitolo. Speriamo che il tuo punteggio non diminuisca.

1. Prima di essere riutilizzato per una particella, il nome « bosone di Higgs » era famoso per essere:

2. un pagliaccio televisivo molto amato dai bambini

3. il nome in codice di una pericolosissima spia della CIA

4. l’amico d’infanzia di Luke Skywalker in Guerre stellari

5. il personaggio di Dungeons & Dragons scelto da un tuo amico

6. Vero o falso: se assunto direttamente, il bosone di Higgs crea più dipendenza delle patatine alla paprika?

7. Vero o falso: il bosone di Higgs è una particella predetta dai due fisici teorici Higgs e Bosone?

Per capire quanto sei bravo, leggi la nota con le risposte.[36]

A parte gli scherzi, trovare il bosone di Higgs è stato un autentico trionfo della scienza e ha dimostrato che andare alla ricerca di analogie e somiglianze è un buon modo per capire l’universo.

L’idea che potesse esistere il bosone di Higgs era venuta studiando le caratteristiche delle particelle che trasmettono forza – il fotone, il bosone W e il bosone Z – e interrogandosi sulla loro massa. I fisici si sono chiesti: perché una delle tre particelle non ha massa (il fotone) mentre le altre due (W e Z) sono pesantissime? Non aveva molto senso che il valore su quella strana etichetta che abbiamo chiamato massa fosse zero per una particella e diverso da zero per le altre.

Peter Higgs e altri fisici delle particelle si sono concentrati per un po’ su questo problema e hanno trovato la soluzione: aggiungere un po’ di cose. Letteralmente. Hanno proposto d’includere nelle equazioni una nuova particella (il bosone di Higgs) unitamente al suo campo (il campo di Higgs), in questo modo si è cominciato a comprendere la massa, intendendola come una caratteristica scritta su un’etichetta, e anche a capire perché alcune particelle avessero più massa di altre.

La teoria funziona più o meno così: immagina che ci sia un campo che permea tutto l’universo e che può fare cose che nessun altro campo è capace di fare. Invece di esercitare forza attrattiva o repulsiva, fa sì che per le particelle diventi difficile accelerare o decelerare. L’effetto prodotto dal campo è esattamente identico a quello della massa inerziale.

Più il campo interagisce con una particella, più sembra che essa abbia inerzia, ovvero massa. La teoria si spinge oltre, suggerendo che l’inerzia prodotta dall’interazione tra campo e particella è appunto la massa della particella. Avere massa equivale proprio a questo. Alcune particelle interagiscono molto con il campo e, di conseguenza, serve parecchia forza per riuscire a farle accelerare o decelerare; si tratta cioè di particelle con una grande massa. Altre particelle, invece, interagiscono molto debolmente, per cui ci vuole poco a cambiare la loro velocità. In questo caso, abbiamo particelle con massa quasi nulla. Secondo la teoria di Higgs, la massa è esattamente questo.

Fermiamoci un attimo a riflettere su questa scoperta. Da una parte, si tratta di un’intuizione che rivoluziona i modelli della fisica, dall’altra sembra quasi una descrizione del tutto banale.

È una rivoluzione perché fornisce una definizione nuova di cosa sia la massa. Una grande conquista.

D’altronde, però, fornisce una descrizione banale. Infatti, dopo aver accettato il fatto che la massa è più una misteriosa etichetta quantistica che non un indice della quantità di materia racchiusa all’interno di una particella, dire che la quantità di massa indicata sull’etichetta è generata da un misterioso campo che si estende in tutto l’universo aiuta poco a comprendere cosa sia davvero.

In realtà, la teoria non affronta minimamente un problema molto importante: perché le particelle hanno masse diverse? Secondo la teoria, è perché sentono in modo differente il campo di Higgs. Si passa quindi da una domanda a un’altra: perché le particelle dotate di massa sentono il campo di Higgs in modo differente?

Sempre stando alla teoria, non c’è nessun vincolo teorico che determini le masse delle particelle. Sembra tutto frutto del caso, avrebbero potuto avere masse completamente diverse e sarebbe andato bene lo stesso. La teoria continua a stare in piedi anche se le masse vengono cambiate. Varrebbero le stesse leggi della fisica. Ovviamente, se le masse delle particelle fossero state diverse, le conseguenze si sarebbero fatte sentire anche sui protoni, neutroni ed elettroni che ci servono per preparare le nostre costose bevande aromatizzate (e, più in generale, sulla chimica e sulla biologia). Resta il fatto che – secondo la teoria in vigore – le masse delle particelle sono parametri arbitrari che possono assumere qualsiasi valore.

La teoria di Higgs è in grado di spiegare come mai le particelle che trasmettono le forze (fotone, W e Z) abbiano proprio le masse che hanno, ma non come mai le masse delle particelle di materia siano differenti (ovvero, perché alcune interagiscono molto con il campo di Higgs, e altre poco o per nulla). Magari esiste qualche analogia o caratteristica tipica che accomuna tutte le masse, ma al momento ci sfugge. Siamo allo stesso livello di Ook e Groog, la cui comprensione consisteva nell’effettuare liste di oggetti. Allo stesso modo, la nostra migliore teoria sull’universo si limita a elencare le masse delle particelle come se fossero parametri che possono assumere qualsiasi valore.

Forse gli scienziati del futuro guarderanno sprezzanti la nostra lista e strabuzzeranno gli occhi di fronte alla nostra ignoranza. Magari formuleranno una teoria più semplice in cui i valori delle masse non saranno numeri da assegnare arbitrariamente a dei parametri, ma il risultato di una profonda ed esaustiva descrizione della natura. Per il momento, non ne abbiamo la più pallida idea.

La massa gravitazionale

Ed eccoci all’ultima tessera del puzzle.

Quando prima parlavamo di come misurare le masse, potresti aver pensato a un metodo diverso dalla nostra precisissima pistola ad aria compressa: una bilancia, per esempio. La bilancia misura il peso di un oggetto, ovvero l’attrazione gravitazionale esercitata su di esso dalla Terra. Il peso è strettamente correlato alla massa, visto che più questa è grande e maggiore è l’attrazione esercitata su di essa dalla Terra. La forza della Terra su un elefante è più grande che non su un fazzolettino di carta.

Nel caso delle particelle, si può immaginare che la massa gravitazionale sia una sorta di carica gravitazionale. Se due particelle sono cariche elettricamente, sono soggette a una forza elettrica che agisce su di esse e che è proporzionale alle cariche. Allo stesso modo, se due particelle hanno massa, sono soggette a un’attrazione gravitazionale proporzionale alle loro masse.

Sorprendentemente, la massa negativa non esiste e quindi non c’è mai repulsione gravitazionale, ma solo attrazione.[37] Per questo la gravità è così diversa dalle altre forze, ma ne parleremo più approfonditamente nel prossimo capitolo.

I due tipi di massa sono la stessa cosa?

La massa gravitazionale coincide con la massa inerziale di cui abbiamo parlato alcune pagine fa? Sì... e no.

No, perché quella che chiamiamo « massa gravitazionale » sembra influire sulla forza che la gravità esercita su un oggetto e si misura con una tecnica diversa (la bilancia) da quella usata per la massa inerziale.[38]

E sì, perché possiamo misurare la massa in entrambi i modi e finora non è mai stata osservata la benché minima differenza tra la massa gravitazionale e la massa inerziale di un oggetto.

Che stranezza. Non c’è nessuna ragione intuitiva per cui le due masse debbano essere la stessa cosa. Una (la massa inerziale) esprime la difficoltà che si riscontra quando si cerca di spostare un oggetto, l’altra (la massa gravitazionale) ci dice quanto l’oggetto voglia essere spostato dalla forza di gravità.

Per averne conferma, puoi fare un semplice esperimento. Prendi due oggetti con masse diverse (come un gatto e un lama) e falli cadere nel vuoto (in modo che non ci sia la resistenza dell’aria): vedrai che cadranno alla stessa velocità. Perché? Se la massa gravitazionale del lama è maggiore, significa che viene attratto dalla Terra con più forza. D’altra parte, visto che il lama ha anche una massa inerziale maggiore, ha bisogno di una forza più grande per essere messo in moto. I due effetti si compensano con precisione, motivo per cui il gatto e il lama cadono alla stessa velocità.

L’attuale formulazione della fisica non sa spiegare perché. Semplicemente, si presume che le masse coincidano. Questa equivalenza è al cuore della teoria della relatività generale di Einstein, secondo cui la gravità è una cosa molto diversa. Invece di essere considerata come una forza che agisce su una carica arbitraria assegnata alle particelle e alle energie grazie alle quali esse rimangono legate l’una all’altra, la gravità è descritta come qualcosa in grado d’incurvare e distorcere lo spazio che si trova in prossimità sia di massa sia di energia. Pertanto, nella teoria di Einstein, la connessione tra i due tipi di massa è molto più naturale, anche se ancora non si riesce a capire perché ci sia. Questi due parametri (massa inerziale e massa gravitazionale) sono arbitrari o sono correlati? Potrebbero assumere valori diversi senza per questo violare le leggi della fisica?

A differenza della relatività, la nostra teoria della fisica delle particelle elementari tratta la massa gravitazionale e quella inerziale come due concetti diversi, ma a livello sperimentale vediamo che sono la stessa cosa. Questo aspetto è un forte indice del fatto che sono intimamente connesse.

Domande di peso

Ricapitolando, ecco tutti i motivi per cui la massa è strana.

È strana perché la massa di qualcosa non è determinata soltanto da tutta la roba di cui l’oggetto è composto, ma include anche l’energia di legame che serve a tenere insieme tutto. Non sappiamo perché, ma è così.

È strana perché la si può considerare come un’etichetta o una carica (non davvero come « roba »). Non sappiamo perché alcune particelle ce l’hanno (e sono soggette al campo di Higgs) e altre no.

Ed è strana perché c’è una coincidenza tra massa inerziale e massa gravitazionale e anche in questo caso non sappiamo perché!

La peculiarità interessante di tutti questi misteri della massa è che ci hanno aiutati a capire meglio il funzionamento dell’universo. Va ricordato che la rotazione delle galassie e il problema della massa mancante ci ha fornito l’indizio della presenza nell’universo di un nuovo tipo di massa: la materia oscura. L’unica cosa che sappiamo della materia oscura è che ha massa (gravitazionale).

È incredibile pensare che qualcosa di tanto importante per la nostra esistenza sia ancora un mistero. Cosa vengono pagati a fare i fisici se non per occuparsi di questi problemi e farci dormire meglio? E invece niente: più si scava a fondo e più viene fuori che la massa è proprio un rompicapo.

Quel che è certo (ed eccitante) è che la massa condiziona intimamente il funzionamento dell’universo e connette vari aspetti diversi (per esempio, energia, inerzia e gravità). Capire il significato profondo di queste connessioni ci permetterà di fare un altro passo avanti verso la comprensione dell’immenso e meraviglioso universo in cui viviamo. E sarà una gran figata, anzi una figata massiccia.

6
Perché la gravità è così diversa
dalle altre forze?
È una grande domanda di poca gravità

Di sicuro sai che cos’è la gravità: condiziona il moto delle stelle, causa i buchi neri e fa cadere mele in testa a fisici famosi che non sapevano da dove cominciare.

Ma sei davvero in grado di capire che cos’è?

Siamo abituati a vederla in azione, ma quando la si confronta con le altre forze si nota subito che qualcosa non torna. Tanto per cominciare, la gravità è stranamente debole, è quasi sempre attrattiva invece che repulsiva e non va d’accordo con una visione quantistica del mondo.

Sembra quasi che si rifiuti di comportarsi come le altre, non consentendoci di utilizzare il consueto approccio che consiste nel ricercare analogie e somiglianze. Guardandosi intorno, si rimane sopraffatti dalla varietà e dalla complessità del nostro bellissimo universo, ma per iniziare a dargli un senso bisogna trovare collegamenti tra le cose. Pensa, per esempio, a quanto si riesce a capire di una persona esaminando la sua cronologia di ricerca su Internet. Ok, forse non hai molta voglia di approfondire questo aspetto dell’universo.

Sicuramente, però, il desiderio di far rientrare ogni conoscenza in uno schema sempre valido è il motivo per cui ai fisici viene l’acquolina in bocca quando pensano di riuscire a unificare tutto lo scibile in un’unica teoria.[39] Il rifiuto della gravità di rientrare nei modelli che funzionano per tutte le altre forze rappresenta un grande ostacolo verso l’unificazione. In questo capitolo esamineremo nel dettaglio come mai la gravità è così diversa e perché spinge verso la Terra ben più che una semplice papaia o un lama. I misteri della gravità sono molto profondi: adesso lasciamoci catturare e affrontiamoli. Magari saremo gravitazionalmente attratti verso una soluzione.

La debolezza della gravità

Tutti, prima o poi, si chiedono: Perché sono su questa Terra? Noi abbiamo la risposta: per la gravità. Senza gravità fluttueremmo liberi nello spazio e l’universo sarebbe un’immensa nuvola nera fatta di polvere e gas. Non ci sarebbero i pianeti, le stelle, i frutti tropicali bizzarri, le galassie, e nemmeno le persone affascinanti che comprano libri di fisica intrisi di umorismo. La gravità è una gran cosa, ma è anche molto debole.

Vuoi sapere quant’è debole? Be’, più o meno si può dire che è 10^36 volte più debole delle altre tre forze fondamentali. Cioè, una frazione pari a 1/1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Come si fa anche solo a immaginare un numero come questo? Con la stessa strategia che si impara a scuola quando si studiano le frazioni. Se hai una papaia e la tagli in quattro pezzi, ogni pezzo sarà un quarto di papaia. Facile. Se hai una papaia e la tagli in 10^36 pezzettini, ogni pezzettino sarà... più piccolo di una singola molecola di papaia.[40] Per far sì che una frazione pari a 1/10^36 coincida più o meno con una molecola di papaia, bisognerebbe atomizzarne circa due milioni.

Un buon modo per visualizzare quanto sia debole la gravità è fare un semplice esperimento in cui la si mette a confronto con altre forze. Per eseguirlo, non ti serve un acceleratore di particelle: ti basterà prendere una calamita, di quelle che si attaccano sul frigorifero, e usarla per attrarre un piccolo chiodo metallico. In questo esperimento, il chiodo è attirato verso il basso dalla forza di gravità prodotta da tutto il pianeta (la Terra), ma nonostante ciò la forza di una piccola calamita è sufficiente a impedirgli di cadere. Una piccola calamita batte un pianeta intero perché la forza magnetica è molto più potente della gravità.

A questo punto viene naturale chiedersi: ma se la forza di gravità è trentasei ordini di grandezza più debole di tutte le altre forze, come fa a essere tanto importante nel nostro universo? Non dovrebbe essere spazzata via dalle forze più potenti, come uno starnuto in un tornado?[41] Come fa a trattenere stelle e pianeti o a impedirci di svolazzare in giro come Superman? Se le altre forze sono tanto forti, non dovrebbero sovrastarla e cancellarne dall’universo tutti gli effetti?

Il motivo per cui tutto questo non accade è che la gravità è importantissima quando si ha a che fare con distanze molto grandi e masse gigantesche.[42] La forza debole e quella forte sono forze a corto raggio, perciò i loro effetti sono visibili soprattutto a livello subatomico. Anche le forze elettromagnetiche, pur essendo parecchio più intense in confronto alla gravità, non influenzano i movimenti di stelle e galassie. Si può dire che ciò è dovuto a una particolare caratteristica della gravità: funziona prevalentemente a senso unico, cioè in una sola direzione.

La gravità può solo produrre un’attrazione reciproca tra le cose, ma non spingerle in direzioni opposte.[43] Il motivo è molto semplice: la forza è proporzionale alla massa degli oggetti coinvolti e di massa ne esiste un tipo solo, quella positiva. Nel caso della forza elettromagnetica, invece, ci sono due tipi di cariche (positiva e negativa), mentre la forza debole e quella forte hanno proprietà simili a quelle della carica elettrica, chiamate ipercarica e colore, che possono assumere tanti valori diversi.[44]

La gravità non funziona esattamente allo stesso modo. Si può pensare alla massa come a una sorta di « carica gravitazionale » di una particella, in grado di condizionare il modo in cui essa è soggetta alla gravità. Tuttavia, non esiste nessuna massa « negativa ». Dunque, non esiste una forza gravitazionale repulsiva.

L’aspetto importante di questa proprietà è che la gravità non può essere annullata, cosa che avviene invece alla forza elettromagnetica su scale macroscopiche. Se il Sole fosse fatto soprattutto di cariche elettriche positive e la Terra di cariche negative, l’attrazione sarebbe enorme e il nostro pianeta sarebbe stato risucchiato dal Sole ormai da tempo.

Visto però che la Terra è elettricamente neutra e il Sole anche, l’interazione elettromagnetica è quasi nulla. Ogni particella terrestre con carica positiva o negativa viene contemporaneamente attratta e respinta dalle cariche positive e negative presenti nel Sole (e lo stesso vale per le particelle solari). Alla fine, quindi, tutte le forze elettromagnetiche si annullano.

Tutto questo non succede per caso. La forza elettromagnetica è così potente che determina una continua redistribuzione di cariche fino al raggiungimento dell’equilibrio. Poco tempo dopo la nascita dell’universo (quando questo aveva solo 400.000 anni e si era ancora nel periodo pre-papaia), praticamente tutta la materia era fatta da atomi neutri e le forze elettromagnetiche si annullavano.

Non essendoci forza elettromagnetica tra Terra e Sole, e considerato il fatto che la forza debole e quella forte non agiscono su scale tanto grandi, l’unica forza che resta è la gravità. Ecco perché domina quando si ha a che fare con distanze planetarie e galattiche: perché tutte le altre forze sono in equilibrio. È come se la gravità fosse rimasta da sola a una festa dove gli altri hanno già trovato qualcuno con cui andarsene via, mentre lei è rimasta con una papaia in mano. Ed essendo capace soltanto di attrarre, non può essere annullata.

Ecco quali sono le due singolari e ancora inspiegate caratteristiche della gravità: innanzitutto, è molto debole se la si confronta con le altre forze fondamentali – come se si presentasse con uno stuzzicadenti a un duello in cui tutti portano la sciabola – e poi è capace solo di attrarre, mentre le altre forze sanno anche respingere, a seconda della carica delle particelle coinvolte. Perché si comporta in modo così anomalo? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Il dilemma quantistico

La gravità possiede solo in parte le caratteristiche condivise dalle altre tre forze fondamentali. Anch’essa è una forza e possiamo considerare la massa come una sorta di carica, tuttavia è molto più debole e funziona solo in una direzione. Queste evidenti discrepanze stanno a significare che la nostra schematizzazione non funziona o che ci sta sfuggendo qualcosa d’importante.

Si dà il caso che la gravità sia strana anche per un’altra ragione sostanziale. Noi siamo in grado di comprendere tutte le particelle di materia e tre delle forze fondamentali restando nell’ambito di una struttura matematica che si chiama meccanica quantistica, in cui tutto è descritto come se fosse una particella, anche le tre forze. Quando un elettrone respinge un altro elettrone, non usa la Forza o qualche invisibile forma di telecinesi. I fisici ritengono che questa interazione avvenga attraverso l’invio, da parte dell’elettrone, di un’altra particella in grado di trasferire una parte della sua quantità di moto. Nel caso dell’interazione tra elettroni, queste particelle che trasmettono forza si chiamano fotoni. Nel caso della forza debole, invece, si tratta di un trasferimento di bosoni W e Z, mentre le particelle soggette alla forza forte si scambiano gluoni.[45]

Questa impalcatura quantistica, che è il Modello standard della fisica delle particelle già visto nel capitolo 4, è stata incredibilmente efficace nell’illustrare gran parte dei fenomeni naturali (ricordiamoci sempre che con « gran parte » ci riferiamo al 5 percento dell’universo). Descrivere il mondo in termini di particelle quantistiche permette di spiegare molte delle cose che si osservano quando si fanno esperimenti e consente anche di prevederne altre mai osservate prima, per esempio particelle nuove o il bosone di Higgs. Si riesce perfino a spiegare perché la forza debole ha un’interazione a corto raggio: le particelle che mediano la forza sono molto pesanti e questo influenza la loro capacità di movimento. Il Modello standard ha, però, un grosso problema: non è in grado di descrivere la gravità in modo altrettanto soddisfacente.

Gravitone: particella elementare
o supercattivo dei fumetti?

Ci sono due motivi per cui la meccanica quantistica non riesce a descrivere la forza di gravità. Primo, perché per includere la gravità nel Modello standard serve una particella capace di veicolarla. I fisici le hanno dato l’originalissimo nome di « gravitone » e, se esistesse, vorrebbe dire che in questo momento mentre siete seduti (o in piedi) sareste vincolati dalla gravità attraverso un continuo scambio di minuscole palline quantistiche che viaggerebbero avanti e indietro tra le particelle del vostro corpo e tutte quelle della Terra sotto di voi. E visto che la Terra gira intorno al Sole, dovrebbe esserci un flusso costante di gravitoni scambiati tra le particelle terrestri e quelle solari. Il problema è che nessuno ha mai visto un gravitone, ragion per cui la teoria potrebbe essere del tutto sbagliata.

Il secondo motivo per cui i fisici hanno problemi a incorporare anche la gravità nella meccanica quantistica è che al momento abbiamo già una grandiosa teoria per descriverla ed è stata formulata da Einstein nel 1915. Stiamo parlando della teoria della relatività generale che, presa da sola, funziona piuttosto bene. Einstein considera la gravità in un modo totalmente diverso: per lui non è una forza tra due oggetti, bensì solo una deformazione dello spazio stesso. In altre parole, Einstein si era accorto che la gravità diventa semplice se si smette di pensare allo spazio in modo astratto, come se fosse lo scenario all’interno del quale esiste la materia. Bisogna pensare piuttosto che sia un fluido che si muove, una superficie flessibile. La presenza di massa (o energia) deforma lo spazio circostante modificando la traiettoria degli oggetti. Nella descrizione fornita da Einstein, non esiste la forza di gravità, ma solo una deformazione dello spazio.

Stando alla teoria della relatività generale, se la Terra gira intorno al Sole invece di perdersi nello spazio non è per via di una forza che la costringe a stare su un’orbita, ma perché lo spazio intorno al Sole è deformato in modo tale da far sembrare dritto ciò che in realtà è circolare (o ellittico). Secondo questa descrizione, la massa gravitazionale non è una carica che alcune particelle hanno e altre no, bensì una misura del grado di distorsione che un oggetto è in grado d’indurre sullo spazio circostante. Sebbene questa teoria possa sembrare stravagante, è stata parecchio efficace nel descrivere la gravità locale, la gravità cosmica e tante altre cose strane che si osservano nello spazio. Spiega perché le traiettorie luminose sono incurvate dalla massa e perché funziona il tuo navigatore satellitare, e in più prevede i buchi neri.

Il problema è che la relatività generale funziona molto bene, per questo pensiamo che fornisca una corretta descrizione della natura. Purtroppo, non si è riusciti a fonderla in modo coerente con l’altra teoria fondamentale, la meccanica quantistica, che sembra anch’essa una descrizione corretta.

Le due teorie guardano il mondo in maniera molto diversa. La meccanica quantistica considera lo spazio come uno scenario piatto, mentre la relatività generale afferma che lo spazio è parte di qualcosa di dinamico e flessibile: lo spazio-tempo. Cos’è quindi la gravità? Una distorsione dello spazio o una piccolissima pallina quantistica che viaggia da una particella all’altra? Tutto nell’universo sembra soggetto alla meccanica quantistica, quindi sarebbe sensato che anche la gravità seguisse le stesse regole. Per il momento, però, non c’è nessuna prova che faccia pensare all’esistenza del gravitone.

Un altro aspetto ancora più problematico è che non abbiamo idea di cosa possa essere una teoria che include una gravità quantistica. I fisici hanno saputo spesso prevedere la presenza di particelle che in effetti poi sono state trovate sperimentalmente (come il quark top o il bosone di Higgs). Finora, però, tutti i tentativi di formulare una teoria che includa gravità e meccanica quantistica hanno fallito, dando risultati senza senso, come « infinito ». I fisici teorici sono tipi svegli (in teoria) e hanno buone idee che un giorno potrebbero portare a una teoria unificata, come la teoria delle stringhe o la gravità quantistica a loop, però al momento bisogna ammettere che i progressi sono pochi. Nel capitolo 16, parleremo delle teorie che cercano di unificare tutta la conoscenza.

Collisori di buchi neri

La gravità, insomma, sembra così diversa dalle altre sue forze sorelle da far sorgere il dubbio che sia figlia adottiva o che sia frutto di qualche scappatella di Miss Universo. La gravità è molto più piccola delle altre forze, funziona solo in una direzione (attrae, ma non respinge), non sembra aderire allo stesso impianto teorico e non sappiamo perché. Stiamo parlando di alcuni dei più grandi misteri dell’universo, ma cosa si sta facendo per trovare delle risposte?

Un modo per capire come funzionano le cose è fare degli esperimenti e farsi venire delle idee per spiegare quanto si è visto. In linea di principio, sarebbe bello fare un esperimento che sappia coinvolgere la relatività generale (ovvero, gravità classica) e la meccanica quantistica. Si potrebbe verificare quale delle due è corretta (sempre che una delle due lo sia) e quale è sbagliata. Per esempio, se si osservassero due masse che si scambiano un gravitone, si potrebbe dimostrare con certezza che la gravità è un fenomeno quantistico.

Sarebbe grandioso, certo, ma va detto che un esperimento del genere è difficilissimo. Ricordiamoci che la gravità è molto debole, per cui nemmeno la forza di gravità di tutto il pianeta è in grado di battere una piccola calamita. Se si avvicinano due particelle, la forza gravitazionale sarebbe praticamente pari a zero e verrebbe sovrastata dalle ben più potenti forze elettromagnetica, debole e forte.

Per poter osservare i gravitoni, servirebbe tantissima massa. Ci sarebbe bisogno di una situazione in cui sia possibile far collidere masse enormi, agglomerati di dimensioni cosmiche che siano però in equilibrio per quanto riguarda le altre forze. No, non stiamo pensando di far scontrare tonnellate di papaie.[46] Fai lavorare l’immaginazione e cerca di concepire l’incredibile idea di un collisore di buchi neri.

Due oggetti di dimensioni cosmiche che si scontrano: ecco cosa servirebbe per esplorare la gravità a un livello quantistico. Evidentemente, non è qualcosa che si può costruire e mettere in pratica (dovendo fare una stima dei costi, si arriverebbe alla conclusione che la Morte Nera è molto più economica). Per fortuna, l’universo è un posto immenso, pieno di cose molto strane. Se ci si guarda intorno abbastanza a lungo, si trova praticamente tutto ciò che si sta cercando, anche gli scontri tra buchi neri.

Eventi del genere non hanno orari precisi e non sono riproducibili. Ogni tanto, però, i buchi neri si avvicinano l’uno all’altro al punto da arrivare a fondersi. È esattamente questo genere di eventi che gli scienziati cercano. Esistono posti nel cosmo dove i buchi neri sono coinvolti in lotte all’ultimo sangue e gli urti potrebbero produrre gravitoni sparati in ogni direzione. Ci basterebbe guardare quelli! Purtroppo, però, non è facile. Perfino i gravitoni generati dallo scontro di due buchi neri sarebbero parecchio complicati da rilevare. Poiché la gravità interagisce molto debolmente, sarebbe difficilissimo per noi sentire un gravitone che ci passa attraverso. Ricordi i neutrini? Quelle particelle fantasma in grado di attraversare anni luce di piombo? Ecco, in confronto ai gravitoni, i neutrini sono tipi molto socievoli, capaci di attaccare bottone con tutti. Secondo alcuni calcoli, un sensore delle dimensioni di Giove sarebbe in grado di misurare un solo gravitone ogni dieci anni, anche se venisse messo davanti a una sorgente intensa.

Siamo realistici e guardiamo da vicino un buco nero

Dato che rilevare un singolo gravitone è impossibile, come si fa a capire se la gravità è descrivibile tramite una teoria quantistica oppure no? Un altro modo di procedere potrebbe consistere nel trovare una situazione fisica in cui le due teorie prevedono cose diverse. Per esempio, uno scenario un po’ meno irrealistico potrebbe essere quello di esplorare l’interno di un buco nero.

La teoria della relatività generale afferma che nel cuore di un buco nero c’è una peculiarità: un punto in cui la materia è così densa che il campo gravitazionale diventa infinito. Andarci sarebbe un’esperienza in grado di alterare (letteralmente) il nostro modo di vedere le cose. Lo spazio e il tempo sarebbero deformati oltre ogni immaginabile intuizione. La relatività generale non ha problemi a dire che questo genere di cose esiste, mentre per la meccanica quantistica non può esistere. Secondo i principi della meccanica quantistica, infatti, è impossibile confinare qualcosa in un punto preciso (come una peculiarità), perché c’è sempre un po’ d’incertezza. In questo caso, una delle due teorie non sarebbe più valida. Se fossimo in grado di sapere cosa succede davvero dentro un buco nero, avremmo indizi importantissimi per capire come si comportano le due teorie. Al momento la prospettiva di raggiungere un buco nero, restare vivi, condurre esperimenti, sfuggire al suo campo gravitazionale da cui è impossibile sfuggire, e tornare sulla Terra con i risultati, appare purtroppo una cosa irrealistica.

E questo è quanto

Anche se non possiamo usarle per scoprire gravitoni, le collisioni tra buchi neri hanno molte cose da insegnare perché possono produrre onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio causate da masse in accelerazione. Un po’ come quando si mette una mano in una vasca da bagno piena d’acqua e la si muove avanti e indietro. La mano causa increspature nell’acqua che si propagano per tutta la vasca. La stessa cosa succede quando oggetti dotati di massa si muovono nello spazio. La massa in movimento deforma lo spazio e crea agitazioni che si propagano come onde.

Il fatto interessante è che, quando un’onda gravitazionale si muove, tutto ciò che si trova lungo il suo percorso viene deformato e distorto. Un cerchio diventa momentaneamente un’ellisse e un quadrato un rettangolo. Figo, no? Prima d’interrompere la lettura per vedere se questo libro sta cambiando forma, è importante sapere che le onde gravitazionali sono in grado di deformare lo spazio di un fattore pari a 10–20. Ciò significa che un bastoncino lungo 10^20 millimetri (ovvero, dieci anni luce) investito da un’onda gravitazionale sarebbe più corto di un millimetro: un effetto piuttosto difficile da misurare.

Gli scienziati, però, sanno essere astuti e pazienti. Hanno ideato un esperimento che si chiama LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ed è costituito da due gallerie lunghe quattro chilometri disposte perpendicolarmente l’una all’altra, in cui le variazioni di distanza tra le estremità delle gallerie vengono misurate tramite un raggio laser. Quando arriva un’onda gravitazionale, questa allunga lo spazio in una direzione e lo comprime nell’altra. Misurando l’interferenza che si crea tra i fasci laser riflessi dalle due estremità delle gallerie, i fisici sono in grado di misurare con grande precisione se lo spazio ha subito un allungamento o un accorciamento.

Nel 2016, dopo 620 milioni di dollari spesi e decenni di osservazioni, gli scienziati hanno visto la loro prima onda gravitazionale. L’esperimento ha confermato alla grande la teoria di Einstein secondo cui la gravità deforma lo spazio. Purtroppo, però, non si può dire nulla riguardo all’eventuale comportamento quantistico della gravità, perché le onde gravitazionali non sono la stessa cosa dei gravitoni. È come dimostrare che la luce esiste senza saper dire che è fatta di fotoni. In ogni caso, è stata una scoperta di peso che andrebbe trattata con una certa gravità (chiediamo perdono).

Forse la gravità è speciale

Cosa si può dire riguardo ai misteri della gravità? Perché è così debole? Perché non rientra negli schemi teorici che funzionano con le altre forze?

Potrebbe essere che la gravità sia speciale. Non esiste nessuna ragione per cui la gravità debba essere come le altre forze né che debba esistere un’unica teoria che le descrive tutte. Va sempre tenuto a mente che siamo ancora all’oscuro su gran parte delle verità fondamentali del nostro universo. È accaduto spesso che le supposizioni fatte si rivelassero sbagliate o valide solo in condizioni particolari. Potrebbe darsi che la gravità sia completamente diversa da tutto il resto, oppure no. L’obiettivo è capire l’universo ed evitare di fare troppe supposizioni su quello che potrebbe essere.

Se si scoprisse che la gravità ha qualcosa di speciale e che è davvero diversa dalle altre forze fondamentali, sarebbe anche questo un passo verso la comprensione del problema. Forse vorrebbe dire che la gravità è qualcosa di profondamente connesso con la struttura dell’universo. Qualche volta s’impara più dalle eccezioni che non dalle regole. Non mancano certo idee eccitanti per provare a spiegare questi misteri.

Una strabiliante spiegazione della debolezza della gravità si ottiene supponendo che esistano dimensioni aggiuntive. Non stiamo parlando degli universi paralleli dei fumetti, ma di altre dimensioni spaziali che si aggiungono a quelle consuete. Alcuni fisici sostengono che la gravità è debole perché diluita all’interno di altre dimensioni che formano minuscoli anelli a noi invisibili. Se si tiene conto anche di queste altre dimensioni, la gravità torna a essere forte come le altre forze (parleremo di questa idea nel capitolo 9).

Pur incontrando tante difficoltà quando si cerca di fondere meccanica quantistica e relatività generale o si prova a rilevare un gravitone, i fisici non hanno ancora rinunciato all’idea di trovare una teoria unificata in grado di descrivere tutte le forze che conosciamo. Quanto dobbiamo aspettare per giungere a un’unica equazione semplice in grado di prevedere tutto? Lo vedremo nel capitolo 16.

Cosa potrebbe voler dire

Capire i misteri della gravità avrebbe un grandissimo impatto sulla nostra comprensione del mondo. Non dobbiamo dimenticarci che stiamo parlando dell’unica forza in grado di agire su grandi distanze. In altre parole, si tratta di qualcosa che può determinare la forma e il destino finale dell’universo.

Il fatto che la gravità riesca a incurvare e distorcere spazio e tempo potrebbe anche condurci verso eccitanti e inesplorate possibilità. Al momento sembra improbabile che l’uomo possa visitare altri sistemi solari all’infuori del nostro. Le distanze sono troppo grandi. Se però fossimo in grado di comprendere i misteri della gravità, potremmo capire meglio come deformare e controllare lo spazio o come costruire e utilizzare finestre spaziotemporali. Se mai arriveremo a tanto, il nostro sogno di viaggiare nell’universo modificando lo spazio-tempo potrebbe diventare realtà. Forse la chiave di tutto sta nella gravità.

Chi l’ha detto che le forze gravitazionali debbano tenerci sempre con i piedi per terra?

7
Che cos’è lo spazio?
E perché è così ingombrante?

I primi capitoli di questo libro sono stati dedicati alle incognite legate alle cose: quali sono i loro costituenti più piccoli e come si organizzano per formare l’universo? Anche se riusciamo a fatica a capire qualcosa del mondo tangibile intorno a noi, sullo sfondo resta un grande punto interrogativo: lo spazio.

Che cos’è davvero lo spazio?

Se provassimo a chiedere a un fisico o a un filosofo di fornirne una definizione, probabilmente resteremmo impantanati in una discussione piena di parolone ed espressioni altisonanti senza senso come « la vera intelaiatura dello spazio-tempo non è altro che una manifestazione fisica dei concetti di entropia quantistica intessuti dalla natura universale della localizzazione ». Meglio evitare di avventurarsi in conversazioni profonde con filosofi e fisici.

È possibile che lo spazio sia un vuoto infinito che contiene tutto? O si tratta forse del vuoto tra le cose? E se invece non fosse nulla di tutto questo? Se fosse un’entità fisica capace di espandersi in ogni direzione, come acqua in una vasca?

La natura stessa dello spazio appare come uno dei più grandi e strani misteri dell’universo. Perciò preparati, perché ora i problemi che affronteremo sono spaziali.

Lo spazio è una cosa

Al pari di tante altre domande difficili, anche quella su cosa sia lo spazio sembra a prima vista facile. Se però si sfida il proprio intuito e si affronta la questione, ci si rende conto che trovare una risposta chiara è complicato.

Quasi tutti pensano che lo spazio sia semplicemente il vuoto all’interno del quale accadono le cose, come un grande capannone o il palcoscenico su cui si susseguono gli eventi dell’universo. Se così fosse, lo spazio sarebbe letteralmente l’assenza di cose, un vuoto che se ne sta seduto in attesa di essere riempito, come quando dici « Voglio tenermi un po’ di spazio per il dolce », oppure « Ho trovato un ottimo posto per parcheggiare ».

Proseguendo nel ragionamento, si potrebbe dire che lo spazio è qualcosa che può esistere da sé, senza che ci sia nulla da metterci dentro. Immagina, per esempio, che l’universo contenga una quantità finita di materia, per cui potresti viaggiare abbastanza lontano da lasciarti tutto alle spalle e raggiungere un punto oltre il quale non c’è più nulla.[47] Forse arriveresti fino al puro spazio vuoto e, proseguendo oltre, il cammino sarebbe infinito. Se così fosse, lo spazio non sarebbe altro che il vuoto che si estende all’infinito.

Può esistere una cosa del genere?

Tale descrizione dello spazio appare ragionevole e in accordo con la nostra esperienza diretta. Tuttavia, la storia dovrebbe averci insegnato che, quando siamo di fronte a un’evidenza (per esempio, che la Terra è piatta o che mangiare un sacco di biscotti fa bene), dovremmo essere scettici, fare un passo indietro ed esaminare attentamente il problema. Dovremmo anzi cercare spiegazioni del tutto diverse, ma comunque in grado di descrivere in modo corretto gli stessi fenomeni. Potrebbero esistere teorie alle quali non abbiamo pensato, o forse ne esistono altre per cui il nostro mondo è solo uno strano caso particolare. A volte il difficile è capire quali siano le nostre supposizioni, soprattutto quando sembrano naturali e semplici.

Nel caso in questione, esistono altre ipotesi ragionevoli su cosa potrebbe essere lo spazio. E se, per esempio, lo spazio non potesse esistere senza materia? E se non fosse altro che il rapporto tra porzioni di materia? In questa prospettiva, non potrebbe esistere il puro « spazio vuoto » perché l’idea che esista uno spazio oltre l’ultimo pezzo di materia non ha alcun senso. Per esempio, non si potrebbe misurare la distanza tra due particelle dal momento che non ne esisterebbero. Il concetto stesso di « spazio » cesserebbe di esistere qualora non ci fosse più neanche un po’ di materia. Cosa potrebbe esserci oltre? Non certo spazio vuoto.

Certo, questo modo di pensare risulta un po’ bizzarro e contrario all’intuito, soprattutto perché nessuno ha mai avuto esperienza diretta del non-spazio. Ma non esistono stranezze per un fisico, quindi va tenuta sempre la mente aperta.

Che posto è lo spazio?

Quale di queste idee sullo spazio è corretta? È come un vuoto infinito che attende di essere riempito, o esiste solo in rapporto con la materia?

In realtà, siamo abbastanza certi che lo spazio non sia nessuna di queste due cose. Di sicuro non è un’entità vuota e di sicuro non è solo una relazione tra porzioni di materia. Ne siamo certi perché abbiamo visto lo spazio fare cose che non si accordano con nessuna di queste due idee. L’abbiamo visto contrarsi e incresparsi ed espandersi.

A questo punto, dovresti reagire dicendo « Cooosa...? »

Pensaci bene: non ti senti un po’ confuso di fronte ad affermazioni del tipo « spazio che si incurva » e « spazio che si espande »? Che cosa vorranno mai dire? Hanno senso? Se lo spazio è un’idea, non può essere piegato o dilatato, così come non può essere tagliato a dadini e saltato in padella con una manciata di coriandolo.[48] Se lo spazio è ciò che ci serve per definire la posizione degli oggetti, come facciamo a misurare una sua deformazione o una sua espansione?

Ottima domanda! Se questo fatto dello spazio che s’incurva ci risulta tanto ostico, è perché la maggior parte di noi è cresciuta con un’immagine mentale in cui lo spazio è solo un invisibile scenario all’interno del quale accadono le cose. Anche prima abbiamo detto che potrebbe essere concepito come il palcoscenico di un teatro, con il pavimento di legno e le pareti rigide, per cui si potrebbe pensare che non ci sia nulla in grado di deformarlo, visto che questa cornice astratta non fa parte dell’universo, ma è solo qualcosa che lo contiene.

Purtroppo è proprio qui che l’immagine mentale sbaglia. Per dare un senso alla relatività generale e figurarsi le moderne concezioni dello spazio, bisogna abbandonare l’idea che questo sia un palcoscenico astratto e accettare il fatto che si tratta invece di un’entità fisica. Bisogna pensare che anche lo spazio ha proprietà e comportamenti, e che reagisce con la materia presente nell’universo, perciò può essere pizzicato, spremuto e, sì, anche cosparso di coriandolo.[49]

Il tuo cervello ormai ti starà mandando messaggi allarmanti del tipo « ma che #@$#$? », oppure avrai già scagliato questo libro contro il muro deridendoci. È del tutto comprensibile. Se l’hai ripreso in mano, cerca di avere un po’ di pazienza, anche perché le cose più strane devono ancora arrivare. Prima della fine, avrai esaurito tutte le imprecazioni possibili, ma per comprendere tali idee e apprezzare i bizzarri misteri fondamentali dello spazio, devi affrontare questi concetti con calma.

Gelatina spaziale in cui stai nuotando

Com’è possibile che lo spazio possa incresparsi e piegarsi? Che cosa significa?

Significa che, invece di essere una stanza (davvero molto grande) vuota, lo spazio è piuttosto un’enorme bolla di gelatina densa. In condizioni normali, tutte le cose sono in grado di spostarsi senza alcun problema all’interno di questa cosa viscida, esattamente come noi riusciamo a muoverci dentro una stanza piena d’aria senza percepire le particelle di cui è composta. In alcune particolari circostanze, però, questa gelatina può flettersi, modificando il modo in cui le cose vi si muovono dentro, e può perfino contrarsi e produrre onde che cambiano la forma degli oggetti al suo interno.

L’analogia con la gelatina (che chiameremo « gelatina spaziale ») non è perfettamente calzante, ma serve a farci capire che lo spazio in cui ci troviamo in questo preciso istante non è per forza qualcosa d’immutabile e astratto.[50] Potremmo dire che ci troviamo immersi in qualcosa di concreto e che questo qualcosa è in grado di comprimersi, vibrare e deformarsi in maniera impercettibile.

Forse un’increspatura dello spazio ci ha appena investiti, oppure in questo momento qualcosa ci sta tirando in una strana direzione e neppure ce ne accorgiamo. In realtà, fino a poco tempo fa, nessuno aveva mai notato che questa gelatina fosse in grado di fare altro che non starsene ferma a oziare. Per questo l’abbiamo scambiata per il nulla stesso.

Cosa sa fare, quindi, questa gelatina spaziale? A quanto pare, un sacco di cose strane.

Innanzitutto, lo spazio può espandersi. Fermati un attimo a pensare cosa vuol dire: le cose sono in grado di allontanarsi l’una dall’altra senza che ciò implichi un reale movimento all’interno della gelatina. Per fare un esempio, pensa di essere seduto mentre la gelatina inizia a gonfiarsi e a espandersi. Se di fronte a te c’è un’altra persona, a un certo punto vi trovereste più lontani l’uno dall’altro senza che nessuno dei due si sia mosso.

Come sappiamo che la gelatina si espande? Se usassimo un righello per prendere le misure, non si espanderebbe anche questo? È senz’altro vero che lo spazio tra gli atomi che compongono il righello si può espandere, facendoli allontanare. Succederebbe di certo se il righello fosse fatto di una sostanza particolarmente molle. Se però si utilizza un righello rigido, tutti i suoi atomi rimarrebbero saldamente attaccati l’uno all’altro (grazie alle forze elettromagnetiche). In questo caso, il righello resterebbe della stessa lunghezza permettendoci di notare che si è creato più spazio.

Sappiamo che lo spazio può espandersi anche perché lo abbiamo visto espandersi: è così che è stata scoperta l’energia oscura. È noto che agli albori dell’universo lo spazio si è espanso e si è stirato a una velocità impressionante, e anche che adesso sta succedendo una cosa simile. Vedi il capitolo 14 per una discussione sul Big Bang (che ha prodotto l’iniziale esplosione dell’universo) e il capitolo 3 che parla di energia oscura, la quale proprio in questo momento ci sta spingendo, allontanandoci dal resto dell’universo.

Sappiamo anche che lo spazio può incurvarsi. La nostra gelatina può essere schiacciata e deformata come una caramella mou. Lo sappiamo perché, nella teoria della relatività generale di Einstein, è così che viene descritta la gravità: una incurvatura dello spazio. La massa di qualsiasi oggetto produce distorsioni e deformazioni nello spazio circostante.

Quando lo spazio cambia forma, quel che si muove al suo interno cessa di farlo nel modo in cui potremmo immaginarlo noi: invece di procedere in linea retta, una palla da baseball lanciata attraverso una bolla di gelatina incurvata procederebbe seguendo una traiettoria curva. Se la gelatina venisse drasticamente deformata da qualcosa di pesante come una palla da bowling, può anche succedere che la palla da baseball inizi a muoversi in tondo, allo stesso modo in cui la Luna orbita intorno alla Terra e la Terra intorno al Sole.

E questo fenomeno possiamo addirittura vederlo a occhio nudo! Perfino la luce cambia la sua traiettoria quando passa vicino a oggetti dotati di massa come il nostro Sole o i giganteschi ammassi di materia oscura. Se invece di essere una distorsione dello spazio la gravità fosse semplicemente una forza tra oggetti dotati di massa, non sarebbe in grado di attrarre i fotoni che non hanno massa. L’unica spiegazione per il fatto che le traiettorie della luce vengono incurvate è che lo spazio stesso abbia subito una deformazione.

Infine, sappiamo che lo spazio può incresparsi. A questo punto, non sembra più tanto inverosimile visto che può anche distendersi e incurvarsi. La cosa interessante è che le deformazioni possono propagarsi attraverso la nostra gelatina spaziale, producendo le cosiddette onde gravitazionali. Se si verifica una brusca distorsione dello spazio, questa distorsione s’irradierà in ogni direzione come un’onda sonora o l’increspatura di un liquido. Questo comportamento può verificarsi solo se lo spazio possiede una natura fisica di qualche tipo, mentre non avverrebbe se fosse solo un concetto astratto o puro vuoto.

Sappiamo che questi fenomeni ondulatori sono reali perché: a) sono previsti dalla teoria della relatività generale; b) li abbiamo misurati. Da qualche parte nell’universo, due enormi buchi neri si sono legati l’uno all’altro in un ballo frenetico, producendo gigantesche distorsioni dello spazio che si sono propagate in ogni direzione. Usando strumenti molto sensibili, siamo stati in grado di rilevare queste increspature dello spazio quando hanno investito la Terra.

Puoi figurartele come delle onde, fatte da un susseguirsi di distensioni e compressioni. Quando passa un’onda gravitazionale, lo spazio si contrae in una direzione e si espande in un’altra.

Sembra assurdo. Ne siete sicuri?

Anche se sembra folle l’idea che lo spazio sia qualcosa di fisico e non semplicemente puro vuoto, è quello che si evince dalla nostra esperienza. Le osservazioni sperimentali ci fanno capire chiaramente che la distanza tra due oggetti non può essere misurata come se gli oggetti si trovassero immersi in un’entità invisibile e astratta, ma dipende dalle proprietà della gelatina spaziale in cui tutti noi viviamo, mangiamo biscotti e sminuzziamo coriandolo.

Quando lo spazio viene descritto come un’entità dinamica che possiede specifiche peculiarità e proprietà fisiche, si riescono a spiegare molti fenomeni strani come distorsioni e incurvature. Tuttavia, sorgono altre domande.

Per esempio, saresti tentato di dire che quello che abbiamo finora chiamato spazio andrebbe ribattezzato « gelatina fisica » e che questa sostanza deve essere dentro qualcos’altro, che potremmo di nuovo chiamare spazio. Sarebbe ingegnoso, ma per quanto ne sappiamo (non molto attualmente) non è necessario che la gelatina sia a sua volta contenuta in qualcos’altro. Ciò che cambia i rapporti tra porzioni di spazio può essere infatti definito come conseguenza di una deformazione intrinseca, non come distorsione di questa gelatina rispetto a un riferimento più grande.

Il fatto che non ci sia la necessità di considerare la gelatina spaziale immersa in qualcos’altro non significa però che non lo sia davvero. Forse quello che noi chiamiamo spazio è contenuto all’interno di qualcosa di più ampio, una sorta di « super-spazio ».[51] E magari questo super-spazio è proprio come un vuoto infinito, ma in realtà non ne abbiamo la più pallida idea.

Possono esistere parti dell’universo senza spazio? In altre parole: se lo spazio è una gelatina, può esistere la non-gelatina o l’assenza di gelatina? Il senso di queste domande non è molto chiaro anche perché tutte le nostre leggi fisiche presumono l’esistenza dello spazio. Quale legge potrebbe funzionare al di fuori? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Assimilare lo spazio a un’entità fisica è un’idea recente e c’è ancora tanta strada da fare. Per certi versi, siamo ancora frenati dal nostro modo intuitivo di procedere. Andava bene quando eravamo uomini primitivi dediti alla caccia e alla coltivazione del coriandolo preistorico, ma ora dobbiamo svincolarci con forza da queste idee e renderci conto che lo spazio è molto diverso da come ce l’eravamo immaginato.

Considerazioni rette sullo spazio curvo

Se non ti è ancora venuto il mal di testa per colpa di queste viscose discussioni sullo spazio che s’incurva, eccoti un altro mistero: lo spazio è piatto o curvo? E se è curvo, in che direzione lo è?

Sono domande un po’ folli, ma del tutto legittime dopo aver accettato il fatto che lo spazio è qualcosa di malleabile. Se lo spazio s’incurva in presenza di oggetti dotati di massa, è possibile che abbia una sua curvatura intrinseca? È come chiedersi se la nostra gelatina spaziale è piatta: sappiamo che può vibrare e deformarsi per il movimento degli oggetti al suo interno, e se avesse una sua curvatura? O è perfettamente dritta? Le stesse domande valgono anche per lo spazio.

Conoscere le risposte a queste domande avrebbe un grande impatto sulla nostra comprensione dell’universo. Se per esempio lo spazio fosse piatto, viaggiando sempre nella stessa direzione si andrebbe avanti all’infinito.

Se invece lo spazio fosse curvo, potrebbero succedere cose interessanti. In presenza di una curvatura positiva, anche muovendosi sempre dalla stessa parte si tornerebbe al punto di partenza dalla direzione opposta, una volta fatto un giro completo. Il che può tornarti utile se, per esempio, non ti piace essere pedinato da qualcuno.

Spiegare l’idea di spazio curvo è parecchio complicato, perché il nostro cervello non è attrezzato per visualizzare concetti simili. D’altronde, perché dovrebbe esserlo? Gran parte della nostra esperienza quotidiana (come scappare da un predatore o cercare le chiavi di casa) ha a che fare con un mondo tridimensionale che sembra abbastanza invariabile (se però venissimo attaccati da alieni evoluti che sanno manipolare la curvatura dello spazio, sarebbe opportuno che scoprissimo anche noi al più presto come si fa).

Cosa può significare che lo spazio è curvo? Per provare a figurartelo, fai finta per un attimo di vivere in un mondo bidimensionale, come se fossi intrappolato in un foglio di carta e potessi muoverti solo in due direzioni. Se il foglio in cui vivi è perfettamente liscio, allora il nostro spazio è piatto.

Se per qualche ragione il foglio venisse piegato, lo spazio sarebbe curvo.

Ci sono due modi in cui il foglio può essere piegato: tutto in una sola direzione (in questo caso, si parla di « curvatura positiva ») oppure in più di una direzione, come la sella di un cavallo o una patatina Pringles (in questo caso, si parla di « curvatura negativa » o di « interruzione della dieta »).

Qui arriva il bello: se scopriamo che lo spazio è sempre piatto, significa che il foglio di carta (spazio) può potenzialmente continuare per sempre. Se invece lo spazio ha ovunque una curvatura positiva, significa che è una sfera, essendo questa l’unica forma dotata di curvatura positiva in ogni punto. A voler essere più tecnici, dovremmo parlare di sferoide (per esempio, una patata). È uno dei modi in cui il nostro universo potrebbe avere una struttura circolare. Potremmo trovarci tutti su una sorta di patata tridimensionale. Di conseguenza, indipendentemente dalla direzione lungo la quale procediamo, finiremmo prima o poi per ritrovarci al punto di partenza.

Quindi? Che forma ha il nostro spazio, piatto o tutto curvo? Se vivi in un condominio, il tuo piano è piano oppure no?

Ebbene, in questo caso abbiamo una risposta. Sembra che il nostro spazio sia « piuttosto piatto », con un errore dello 0,4 percento. Gli scienziati hanno calcolato in due modi diversi la curvatura dell’universo (per lo meno, la parte di spazio che riusciamo a vedere) e il risultato è molto vicino allo zero.

Quali sono questi due modi? Il primo consiste nel misurare triangoli. Un aspetto interessante della curvatura è, infatti, che i triangoli in uno spazio curvo non sono soggetti alle stesse regole dei triangoli in uno spazio piano. Ripensiamo alla nostra analogia del foglio di carta: un triangolo disegnato su foglio liscio appare diverso da uno disegnato su una superficie curva.

Gli scienziati hanno misurato dei triangoli immersi nel nostro spazio tridimensionale. Lo hanno fatto guardando la foto relativa ai primi momenti dell’universo (ricordi la radiazione di fondo di cui abbiamo parlato nel capitolo 3?) e studiando le relazioni spaziali tra differenti punti sulla figura. Il risultato ottenuto è che i triangoli misurati coincidono con quelli che si avrebbero in uno spazio piano.

L’altro modo con cui è stato appurato che il nostro spazio è sostanzialmente piatto consiste nell’effettuare osservazioni allo scopo di cercare la causa principale della curvatura: l’energia dell’universo. Secondo la teoria della relatività generale, c’è una ben precisa quantità di energia (più precisamente una densità di energia) in grado di produrre una curvatura in una direzione piuttosto che un’altra. Le indagini mostrano che la densità di energia effettivamente misurata nel nostro universo è proprio quella necessaria a far sì che lo spazio non subisca alcuna curvatura (con un margine di errore dello 0,4 percento).

Magari adesso sei deluso perché hai scoperto che non viviamo in un universo a forma di patata tridimensionale in cui ti ritroveresti su una traiettoria circolare pur andando sempre nella stessa direzione. Del resto, chi non ha mai sognato di fare un giro della morte in stile Evel Knievel, percorrendo in tondo l’universo in sella a una moto con propulsione a razzo? Invece di rattristarti per il noioso spazio piatto in cui viviamo, fatti prendere dalla curiosità. Perché? Perché, per quanto ne sappiamo, il nostro universo piatto è frutto di una gigantesca coincidenza.

Pensaci: ciò che dà allo spazio la sua curvatura è la presenza di massa ed energia (ricordatelo, massa ed energia deformano lo spazio), per cui se ce ne fosse solo un po’ di più di quanta ce n’è ora lo spazio sarebbe incurvato in una direzione, mentre se ce ne fosse un po’ di meno sarebbe incurvato nella direzione opposta. A quanto pare, quindi, al momento è presente la quantità esatta che serve a rendere il nostro spazio perfettamente piatto. La quantità in questione è di circa cinque atomi di idrogeno per metro cubo di spazio. Se di atomi ce ne fossero sei o quattro, l’intero universo sarebbe parecchio diverso (con più curve e più sex appeal, ma diverso).

Le stranezze, però, non finiscono qui. Visto che la curvatura dello spazio condiziona il moto della materia e che la materia, a sua volta, condiziona la curvatura dello spazio, si producono alcuni effetti a catena. Se nel momento in cui si è formato l’universo la massa fosse stata anche solo un po’ maggiore o un po’ minore rispetto alla precisa densità critica che rende lo spazio piatto, tutto sarebbe stato allontanato ancora di più dalla condizione di equilibrio. Il fatto che adesso lo spazio sia pressoché piatto significa che nelle sue fasi iniziali era estremamente piatto, oppure che qualcos’altro lo ha mantenuto piatto.

È uno dei più grandi misteri dello spazio. Non solo non sappiamo dire cosa sia esattamente lo spazio, ma nemmeno perché è proprio così. La nostra conoscenza in questo campo è piuttosto... piatta.

La forma dello spazio

Quando parliamo di spazio, il problema della curvatura non è l’unico mistero. Una volta accettato il fatto che lo spazio non è un vuoto infinitamente esteso, ma piuttosto qualcosa di fisico, forse infinito, che possiede determinate proprietà, diventa legittimo porsi le domande più strane. Per esempio: quali sono le dimensioni e la forma dello spazio?

Saperlo potrebbe farci capire quanto spazio esiste davvero e in che modo sono connesse le sue parti. Visto che lo spazio è piatto e non a forma di patata o di sella (e nemmeno a forma di patata a cavallo di una sella), si potrebbe pensare che non abbia senso chiedersi che forma e che dimensioni ha. Dopotutto, se è piatto significa che si estende indefinitamente, no? Sbagliato! Non per forza.

Lo spazio potrebbe essere piatto e infinito, o piatto con un bordo. Oppure, caso ancora più bizzarro, potrebbe essere piatto ma possedere ancora una struttura ad anello chiuso.

In che modo potrebbe avere un bordo? In effetti, non esiste nessuna ragione per cui lo spazio non possa avere confini pur essendo piatto. Per fare un esempio, un disco è una superficie piatta e bidimensionale con un bordo continuo e regolare. Forse anche lo spazio tridimensionale ha da qualche parte confini dotati di strane proprietà geometriche.

Sorprenderebbe ancora di più se lo spazio fosse invece piatto, ma vincolato da una struttura circolare. Sarebbe come in uno di quei videogiochi (tipo Asteroids o Pac-Man) in cui, quando si oltrepassa il bordo dello schermo da un lato, ci si ritrova sul lato opposto. Porzioni distinte di spazio potrebbero essere collegate tra loro in modi misteriosi. La teoria della relatività generale, per esempio, prevede che possano esistere cunicoli spaziotemporali grazie ai quali due punti lontani nello spazio possono essere messi in comunicazione. E se i bordi dello spazio fossero tutti reciprocamente collegati in un modo simile? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Spazio quantistico

In conclusione, ti starai chiedendo se lo spazio sia composto da tanti pezzettini discreti, come i pixel dello schermo di una televisione, o se invece ci troviamo in uno spazio perfettamente continuo in cui cioè esistono infinite posizioni distinte pur rimanendo in una zona delimitata.

Gli scienziati dell’antichità probabilmente non pensavano che l’aria fosse costituita da piccole molecole discrete. Dopotutto, l’aria sembra qualcosa di continuo, è in grado di riempire volumi di ogni forma e possiede interessanti proprietà dinamiche (che producono fenomeni atmosferici). Oggi sappiamo che tutte le cose belle dell’aria (come farsi accarezzare da una leggera brezza estiva o il fatto di non morire asfissiati) sono in realtà il risultato dell’azione collettiva di miliardi di singole molecole, e non sono dovute a qualche caratteristica posseduta individualmente da ciascuna.

Certo, la descrizione che ci sembra più sensata è quella di uno spazio continuo. Secondo la nostra esperienza diretta, quando ci muoviamo abbiamo l’impressione di scivolare in modo facile e fluido dentro lo spazio. Non ci sembra di saltare a scatti da un punto a un altro come accadrebbe sullo schermo di un videogioco.

E se invece fosse proprio così?

Tenendo conto dell’attuale conoscenza dell’universo, però, ci sarebbe invece molto più da stupirsi se lo spazio fosse davvero qualcosa d’infinitamente continuo. Sappiamo infatti che tutto il resto è quantizzato: la materia, l’energia, le forze, e anche i biscotti. La meccanica quantistica suggerisce che potrebbe esserci una distanza minima al di sotto della quale non si può dire più niente. Questo limite è di 10–35 metri.[52] In un mondo quantizzato, sarebbe sensato che anche lo spazio non facesse eccezione, e invece non ne abbiamo la più pallida idea.

Nonostante tutto, i fisici non hanno smesso d’ipotizzare scenari assurdi. Se davvero lo spazio fosse quantizzato, muoversi al suo interno equivarrebbe a fare tanti minuscoli salti da un punto a un altro. Secondo questa descrizione, lo spazio sarebbe come una rete di nodi collegati tra loro, come le fermate della metropolitana. Ogni nodo rappresenterebbe una posizione ben precisa, mentre le connessioni sarebbero le relazioni tra i vari punti. In altri termini, le connessioni ci direbbero quale punto è vicino a quale altro. Un’affermazione del genere è tutt’altra cosa dal dire che lo spazio è ciò che consente di mettere in relazione tra loro entità materiali, visto che i nodi spaziali potrebbero esistere anche se fossero vuoti.

Un altro aspetto interessante è che questi nodi non hanno bisogno di essere definiti all’interno di uno spazio più grande, né di una cornice. Potrebbero semplicemente esistere. Se così fosse, quello che noi chiamiamo spazio non sarebbe altro che l’interdipendenza dei vari nodi, mentre le particelle sarebbero proprietà dello spazio più che oggetti fisici al suo interno. Per esempio, potrebbero essere stati vibrazionali di questi nodi.

Non è così assurdo come sembra. L’odierna teoria delle particelle si basa sul concetto di campo quantistico che riempie tutto lo spazio. Un campo viene definito tramite l’assegnazione di un numero o di un valore a ciascun punto dello spazio. In questo senso, le particelle non sono altro che stati di eccitazione del campo, pertanto la descrizione che abbiamo fatto non è troppo lontana da teorie simili.

Va detto che i fisici sono molto contenti quando qualcosa che riteniamo fondamentale (come lo spazio) sbuca fuori per caso da qualcosa di più profondo. Hanno l’impressione di essere riusciti a sbirciare dietro un paravento dove si celano verità nascoste. Qualcuno ha perfino il sospetto che le interrelazioni tra nodi spaziali siano formate proprio dalle correlazioni quantistiche tra le particelle, ma sono speculazioni matematiche fatte da qualche teorico imbottito di caffeina.

I misteri dello spazio

Per riassumere, ecco quali sono i principali misteri irrisolti riguardo lo spazio.

- Lo spazio è una cosa, ok, ma che cos’è questa cosa?

- Lo spazio che conosciamo è autoconsistente o si trova a sua volta immerso in un super-spazio più grande?

- Esistono parti dell’universo che non hanno spazio?

- Perché lo spazio è piatto?

- Lo spazio è quantizzato?

- Perché Anna dell’ufficio contabilità non rispetta lo spazio personale degli altri?

Se sei arrivato fin qui e hai capito tutto, o hai semplicemente smesso di farti domande, allora possiamo approfittarne per indagare la caratteristica più folle dello spazio (già, è tutto sempre più assurdo).

Se lo spazio è qualcosa di fisico e non semplicemente uno scenario o una cornice, con proprietà dinamiche come la capacità d’incurvarsi e incresparsi, se è qualcosa che potrebbe essere costituito da minuscole porzioni quantizzate, allora potremmo domandarci: che cos’altro è in grado di fare?

Forse potrebbe avere differenti stati o fasi, come l’aria. In condizioni estreme magari saprebbe disporsi in modi che non conosciamo o potrebbe acquisire proprietà inaspettate, esattamente come l’aria si comporta in modo diverso a seconda che sia liquida, gassosa o solida. Magari lo spazio che conosciamo, che amiamo e che occupiamo (a volte più di quanto ci piacerebbe) è solo una rara tipologia di spazio, e potrebbero esisterne altre in attesa d’essere create e manipolate da noi.

Il metodo più affascinante che abbiamo per rispondere a queste domande è dato dal fatto che massa ed energia sono in grado di deformarlo. Per capire cos’è e cosa può fare, si può portarlo in situazioni estreme scrutando attentamente il cielo in direzione di quei luoghi dove enormi masse lo stanno schiacciando e stirando. Se fossimo in grado di esplorare da vicino i buchi neri, potremmo vedere lo spazio sminuzzato e tagliuzzato al punto da mandarci in pappa il cervello.

La cosa eccitante è che siamo più vicini che mai al momento in cui saremo in grado di sondare queste estreme deformazioni dello spazio. Se prima non riuscivamo a sentire le increspature prodotte dalle onde gravitazionali che si propagano nell’universo, adesso possiamo intercettare gli eventi cosmici che scuotono e disturbano la gelatina spaziale. Forse in un futuro prossimo capiremo altri aspetti sulla natura dello spazio e troveremo qualche risposta a tutte queste grandi domande.

Lascia un po’ di spazio libero nella tua testa per queste risposte.

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Che cos’è il tempo?
In cui capiremo che il tempo è l’essenza (ignota)

Come abbiamo visto, alcuni concetti basilari quali spazio, massa e materia sono in realtà molto più misteriosi di quanto non pensassimo. Abbiamo forse sotto gli occhi altri costituenti del nostro mondo in grado di celare le loro stranezze? È giunto il momento di porsi con urgenza la seguente domanda:

Che cos’è il tempo?

Se tu fossi un visitatore alieno in visita sulla Terra e cercassi d’imparare il nostro linguaggio origliando le conversazioni nei bar e nei negozi, potresti avere qualche difficoltà a rispondere. Gli umani passano un sacco di tempo a parlare di tempo, ma non abbastanza a discutere di cosa sia davvero!

Controlliamo il tempo tantissime volte. Parliamo di tempi cupi, tempi favorevoli, vecchi tempi o tempi folli. Risparmiamo tempo, prendiamo tempo, recuperiamo tempo, spendiamo tempo, tagliamo i tempi, passiamo il tempo. Il tempo può essere finito, scaduto o fermato. Non aspetta nessuno! A volte vola via, altre ti scivola addosso, altre ancora scorre lontano. Il più delle volte, semplicemente, finisce.

Ma di cosa si tratta? È qualcosa di fisico come la materia o lo spazio? È un concetto astratto da cui discende tutto il nostro modo di osservare l’universo?

Se speri che i fisici abbiano le risposte a tutte le domande complicate e astruse sul tempo, sappi che non è ancora tempo. È uno dei grandi misteri della fisica, uno di quelli che coinvolgono i principi fondanti della fisica stessa, pertanto prendiamoci un po’ di tempo per esplorare questo eterno argomento.

Una definizione di tempo

Fra tutte le domande che si possono fare sull’universo, le più divertenti sono quelle che sembrano facili, ma che si rivelano le più astruse: quelle di fronte alle quali restiamo perplessi e ci grattiamo la testa, rendendoci conto che abbiamo a che fare con un sacco di cose fondamentali che non sono per nulla chiare.

Questo genere di domande fa pensare che magari non ci stiamo capendo niente, un po’ come succedeva in passato (per esempio, « La Terra è piatta » o « Aspetta, ora ti curo applicandoti qualche sanguisuga! »). D’altra parte, se riuscissimo a formulare qualche risposta chiara e concreta, potremmo rivoluzionare il modo in cui descriviamo l’universo e il nostro posto al suo interno. La posta in gioco è molto alta!

La prima cosa da fare è cercare di definire il concetto di tempo. Dopotutto, è così che i fisici si sono sempre accostati ai problemi complessi: cominciando con un’accurata definizione del fenomeno che si vuole comprendere e proseguendo con una descrizione matematica in grado di sfruttare tutto il potere della logica e dell’indagine sperimentale per condurci fino in fondo al nostro cammino.

Quindi? Che cos’è il tempo? Se fermassi della gente a caso per strada e facessi loro questa domanda, riceveresti risposte del tipo:

« Il tempo è la differenza tra poi e adesso ».

« Il tempo è quello che ci dice quando le cose accadono. »

« Il tempo è quello che viene misurato dagli orologi. »

« Il tempo è denaro, quindi lasciami in pace! »

Tutte definizioni lecite, che però fanno sorgere altre domande. Per esempio, ci si potrebbe chiedere: « Perché quella del ’poi e adesso’ è stata messa al primo posto? », « Che vuol dire ’quando’? », « Gli orologi non dipendono anche loro dal tempo? », « Chi ha tempo per queste cose? »

Sembra complicato riuscire a fare qualche progresso se non sappiamo neanche fornire una descrizione soddisfacente. Tuttavia, non c’è da preoccuparsi. Certo, la domanda « Che cos’è il tempo? » sembra fatta da un bambino di cinque anni, ma non è la prima volta che siamo in difficoltà nel descrivere qualcosa che ci sembra molto familiare.[53] Succede anche in altri ambiti: i biologi per esempio hanno discusso per decenni sulla definizione di « vita » (gli attivisti per i diritti degli zombi sono una lobby potente), i neuroscienziati hanno bisticciato a lungo sulla definizione di « consapevolezza », mentre i gozillologi[54] non sono tutti d’accordo sulla definizione di « mostro ».

Le difficoltà che riscontriamo nella definizione di tempo sono in parte dovute al fatto che stiamo parlando di qualcosa che è profondamente radicato nella nostra esperienza e nel nostro modo di pensare. Il tempo è come mettiamo in relazione il concetto di « adesso » che abbiamo adesso con quello che avevamo prima. Indipendentemente dalle sensazioni che possiamo avere, l’adesso è ciò che chiamiamo presente, ma il presente è fugace ed effimero, non lo si può prolungare o estendere a piacimento, come faremmo con un gustoso boccone di torta al cioccolato. Ogni attimo scivola subito via dall’intensa esperienza del presente, per finire nell’evanescente memoria del passato.

Il tempo ha anche a che fare con il futuro. Saper mettere in correlazione il futuro con il passato e il presente è parecchio importante. Che tu sia un cavernicolo che spera di sopravvivere all’inverno o un uomo moderno che ha bisogno di una presa per ricaricare il telefonino, saper pensare al futuro e imparare dal passato sono azioni fondamentali per la sopravvivenza. Per questo è difficile pensare a cosa sia l’esperienza umana senza coinvolgere il concetto di tempo.

Lo stesso vale per i fisici quando pensano al tempo. Il concetto di tempo, in realtà, è incorporato nella definizione stessa di fisica! Secondo una vera autorità (Wikipedia), la fisica non è altro che « lo studio della materia e del suo comportamento attraverso lo spazio e il tempo ». Perfino la parola « comportamento » implica il concetto di tempo. Il compito principale della fisica è usare il passato per capire quali futuri sono possibili e in che modo possiamo condizionarli. La fisica non ha alcun senso senza il tempo.

La verità è che qualsiasi definizione di tempo fornita dagli umani è probabilmente falsata dalla natura della nostra esperienza. Pensaci: anche solo pensare al tempo richiede tempo! I fisici alieni potrebbero non avere il nostro stesso concetto di tempo perché la loro esperienza e i loro schemi di ragionamento sono così diversi dai nostri da impedirci qualsiasi forma di comprensione.

Ancora una volta: che cos’è il tempo?

Parliamo di furetti.

Per comprendere un po’ meglio il modo in cui i fisici pensano al tempo, prendiamo in considerazione un caso tipico: supponiamo che i tuoi furetti domestici vogliano buttarti un gavettone in testa quando torni a casa dal lavoro. Succede spessissimo, no?

Ora, invece di pensare al tempo come a un continuo susseguirsi di eventi, prova a dividerlo in pezzettini e immagina che funzioni come un film: una sequenza d’immagini statiche collegate l’una all’altra.

Per i fisici, ogni fotogramma rappresenta lo stato delle cose in un determinato istante. Prendiamo una sequenza di fotogrammi:

1. tu che cammini spensierato verso la porta di casa, fischiettando felice;

2. i furetti che si mettono in posizione con i gavettoni;

3. tu che infili la chiave nella toppa;
4. i furetti che sganciano il carico;
5. tu che sei fradicio;
6. i furetti che ridono a crepapelle.

Ogni fotogramma è la descrizione della situazione in un momento preciso: mostra dove si trova e cosa sta facendo ciascuno degli attori coinvolti. Tutto è congelato, statico, immutabile. Se non possedessimo il concetto di tempo, l’universo sarebbe incapace di cambiare e di muoversi, come se fosse in uno di questi fotogrammi.

Grazie al cielo, il nostro universo è più interessante. Questi fotogrammi non possono esistere indipendentemente l’uno dall’altro. Il tempo crea correlazioni e lo fa in due modi principali.

Innanzitutto, collega i fotogrammi in una catena disponendoli in un ordine ben preciso. Per esempio, la sequenza non ci sembrerebbe corretta se fosse ordinata in modo diverso.

Inoltre, il tempo impone che tra un fotogramma e il successivo vi sia un nesso di causalità. Ciò significa che ogni momento dell’universo dipende da quello che è successo un istante prima. Stiamo parlando del rapporto causa-effetto. È impossibile mangiare gelato seduti sul divano e, un attimo dopo, ritrovarsi nel bel mezzo di una maratona.

Le leggi della fisica fanno esattamente questo: ci dicono in quale direzione può evolvere l’universo e in quale no. Dato un particolare fotogramma, la fisica sa dirci quali potrebbero essere i fotogrammi seguenti, quali sono i più probabili e quali invece non possono verificarsi. Perché tutto ciò sia possibile, occorre che ci sia il tempo. Senza tempo ci sarebbe soltanto un universo statico: per qualsiasi cambiamento o movimento è necessario il tempo.

Come facciamo a conciliare questa descrizione con la nostra esperienza concreta di tempo continuo? Be’, possiamo affiancare tutti i fotogrammi che vogliamo, riducendo al minimo l’intervallo di tempo che li separa l’uno dall’altro, e creare così un film fluido e continuo.[55]

È proprio per questo che il linguaggio matematico che usano i fisici – il cosiddetto calcolo infinitesimale – è stato inventato: per trasformare una sequenza di sottili fette di tempo in un fluire ininterrotto. Quando si guarda un film, è impossibile accorgersi che si tratta in realtà di una sequenza d’immagini statiche, perché la separazione temporale tra una e l’altra è molto piccola. Allo stesso modo, la descrizione di un universo in continuo movimento non è altro che un insieme ordinato di fotogrammi immobili che sono collegati l’uno all’altro dalle leggi della fisica. Il tempo è ciò che ordina e distanzia questi fotogrammi.

Sono ancora un po’ confuso!

Se la definizione che abbiamo appena dato ti sembra fumosa e insoddisfacente, mettiti pure in coda: sono secoli che fisici, filosofi e bambini di cinque anni si arrovellano sul concetto di tempo. Al momento, non esiste ancora una descrizione che metta tutti d’accordo.[56] Se aprissi un libro di fisica qualsiasi, difficilmente troveresti un tentativo di affrontare l’argomento. Sembra quasi che la caratteristica principale del tempo sia proprio l’impossibilità di trovarne una definizione precisa. È qualcosa di talmente radicato nel modo in cui osserviamo il mondo e di talmente connaturato con gli strumenti che usiamo per descriverlo che il massimo che possiamo fare è parlarne in termini generali, distraendo il lettore con parole fantasiose come « calcolo infinitesimale » e « furetti ».

L’intero impianto teorico che utilizziamo per comprendere la nostra posizione nell’universo dà per scontata la nozione di tempo che fluisce con continuità. E in effetti nella maggior parte dei casi sembra che funzioni.[57] Nonostante tutto, restano ancora molte le domande bizzarre che possiamo farci. Perché esiste il tempo? Perché sembra che vada solo avanti? Siamo sicuri che possa andare solo avanti? C’è chi dice che è parte dello spazio-tempo, ma perché è così diverso dallo spazio? Possiamo tornare indietro nel tempo al 2001 e comprare delle azioni Google?

È tempo di vagliare più a fondo il tempo.

Il tempo è la quarta dimensione (o no?)

Forse hai notato che l’idea di tempo come lungo continuum nel quale possiamo muoverci somiglia molto alla descrizione di un altro costituente fondamentale dell’universo: lo spazio.

Il procedimento logico di ridurre uno spostamento attraverso il tempo a una sequenza di fotogrammi può essere utilizzato anche per descrivere il nostro movimento nello spazio. Tutto ciò fa pensare che tempo e spazio siano strettamente correlati.

In effetti, la fisica moderna ci dice che tempo e spazio sono molto simili. In molti casi è assolutamente corretto pensare che il tempo sia soltanto un’altra direzione lungo la quale possiamo spostarci. Lascia che questa idea si depositi per qualche minuto. Come accade spesso, il ragionamento diventa più comprensibile se si comincia con delle semplificazioni del nostro universo. Supponiamo che sia possibile muoversi in una sola direzione e non in tre come siamo abituati a fare.

Adesso immagina un giorno di vita del tuo furetto domestico monodimensionale: si sveglia la mattina e ha un sacco di cose da fare (tutti quegli scherzi con i gavettoni non si organizzano da soli!). Supponiamo che, prima del tuo arrivo, debba fare numerosi viaggi avanti e indietro dal negozio di palloncini.

Il grafico mostra il furetto che nel corso della giornata si muove lungo quest’unica dimensione spaziale. Immagina anche che il cammino del furetto avvenga su un piano bidimensionale chiamato spazio-tempo. In fisica, la matematica del movimento è più semplice e chiara se si considera il tempo come una quarta dimensione (cioè presumendo che ci siano solo tre dimensioni spaziali; nel capitolo 9, parleremo delle altre possibilità).

È sempre una grande soddisfazione collegare due concetti e giungere alla conclusione che sono parte di qualcosa di più grande. Di solito è il primo passo verso una comprensione più dettagliata del fenomeno. Un po’ come quando ti sei accorto che il cioccolato e il burro d’arachidi sono buoni insieme: sono certamente entrambi parte di un continuum universale cioccolato-arachide.

A ogni modo, non ti entusiasmare troppo. Questo collegamento tra spazio e tempo non implica che possiamo considerare il tempo come una vera dimensione spaziale, con tutte le conseguenze che ne deriverebbero. Il tempo differisce dallo spazio per tantissime ragioni, che fanno parte anch’esse dei misteri del tempo, e che speriamo possano fornirci qualche indizio nella descrizione dello spazio-tempo. Finora, sappiamo a malapena come formulare le domande.

Domanda n. 1 – In che modo lo spazio
è diverso dal tempo? (E perché?)

Collegando spazio e tempo se ne mettono in risalto le affinità reciproche, ma d’altra parte se ne evidenziano anche le differenze. Il nostro rapporto con il tempo è certamente diverso dal nostro rapporto con lo spazio.

Tanto per cominciare, all’interno dello spazio siamo liberi di muoverci come vogliamo. Possiamo camminare in tondo o ritornare in posti dove siamo già stati. Possiamo muoverci alla velocità che preferiamo, forte o piano. Possiamo sederci da qualche parte e starcene immobili per un po’. Con il tempo, invece, è diverso. Lui non ci concede tutte queste libertà.

All’interno del tempo ci si muove con passo costante (per la precisione, un secondo al secondo).[58] Nel tempo non si possono fare passi indietro o percorsi circolari, non si può decidere all’improvviso di procedere a ritroso e giungere in un posto diverso da quello in cui ci si trovava. Si può stare nello stesso luogo in momenti diversi, ma non in luoghi diversi nello stesso momento.

Cosa altrettanto bizzarra: è normale pensare che qualcosa occupi un posto determinato (una posizione spaziale precisa), mentre sembra strano pensare che possa esistere in un tempo determinato. Questo perché il tempo avanza come il fronte di un’onda. Quando un attimo è passato, è passato per sempre, non tornerà (come quei biscotti che erano prima sul tavolo). La posizione nello spazio, invece, è variabile e non costretta da vincoli. Nel corso della vita ci sono un sacco di posti dove non andrai mai e altrettanti dove sei stato molte volte. Al contrario, il tempo che passa tra la nascita e la morte può essere percorso in una sola direzione. A meno che tu non abbia una vita molto particolare (se per esempio vivi su una navicella spaziale colonizzatrice partita in missione intergalattica per generazioni), il tuo viaggio nel tempo sarà molto diverso da quello nello spazio.

Pensare al tempo come a un’ulteriore dimensione spaziale facilita la formulazione matematica delle nostre teorie, ma dobbiamo sempre ricordarci che ci sono differenze significative che rendono il tempo qualcosa di unico. Il tempo si comporta in modo diverso dallo spazio perché non costituisce un insieme di luoghi fisici interconnessi. È considerabile piuttosto come il nesso causale tra fotogrammi statici dell’universo. Tutto ciò condiziona pesantemente quello che possiamo (e non possiamo) fare con il tempo.

Domanda n. 2 – Possiamo viaggiare indietro nel tempo?

Leggendo questo libro dovresti essere diventato molto scettico riguardo al fatto che esista qualcosa d’impossibile. Dopotutto, ciò che ora ci sembra irrealizzabile potrebbe non esserlo più dopo che avremo compreso meglio il nostro universo. Tante cose che una volta erano considerate impossibili sono oggi comuni, per esempio usare un telefono cellulare per avere accesso a gran parte dello scibile umano e alle più inutili banalità.[59]

In questo caso, stando alla fisica moderna, siamo più che mai certi che i viaggi nel tempo non sono realizzabili. Qualsiasi scenario in cui sia possibile viaggiare indietro nel tempo comporta presto una serie di paradossi che violano presupposti fondamentali del funzionamento dell’universo.

Nelle storie di fantascienza, ci si imbatte spesso in alieni o umani evoluti che trattano il tempo come una dimensione spaziale in cui è possibile spostarsi avanti e indietro. Loro si muovono nel tempo come noi passeggiamo per strada. Pur essendo storie divertenti e appassionanti, contengono diversi problemi dal punto di vista della correttezza scientifica.[60]

Tanto per cominciare, se si potesse viaggiare indietro nel tempo verrebbe a cadere il concetto di causalità, e questo sarebbe proprio un bel problema se vogliamo che l’universo abbia un senso. Se però non ti disturba che gli effetti accadano prima delle cause (per esempio, ricevere l’addebito sulla carta di credito prima di aver comprato questo libro, o vedere i furetti che divorano la tua colazione prima che tu l’abbia preparata), allora vuol dire che hai una mente più aperta della nostra.

Senza causalità, tutto perderebbe di senso. Immagina, per esempio, che i tuoi furetti si siano stancati di lanciarti i gavettoni quando torni a casa, perché tu ti sei fatto sospettoso e hai imparato a schivarli. Per fregarti, allora, potrebbero costruire una macchina del tempo e tornare indietro al 2005, prima che tu avessi dei furetti, quando eri ancora spensierato e potevi essere facilmente colto di sorpresa. Se riuscissero nel loro intento d’inzupparti, potrebbero esserci conseguenze inaspettate: magari stavi pensando di prendere dei furetti e un episodio del genere avrebbe potuto farti cambiare idea. Se tu decidessi di non prenderli, allora loro non potrebbero farti gavettoni fino a stancarsi e non deciderebbero di costruire una macchina del tempo! Ma se così fosse, nel 2005 non ti beccheresti il gavettone e di conseguenza decideresti di prendere dei furetti, e così via. Insomma, ti ritroveresti intrappolato in un eterno circolo vizioso di paradossi furetteschi. La morale della favola è che viaggiare nel tempo è impossibile perché si violerebbe il principio di causalità e che bisogna pensarci due volte prima di prendere in casa dei furetti. È il famoso paradosso del furetto.[61]

E poi, pensa a cosa succede in queste divertenti storie di fantascienza. Gli alieni si muovono all’interno di questo spazio-tempo fittizio, ma il movimento implica il tempo, ricordi? Questi alieni prima occupano una posizione precisa nello spazio-tempo e poi ne occupano un’altra. Qual è il significato di « poi »? I benintenzionati ma incoerenti autori di queste storie hanno reinserito il tempo lineare come principio cardine del loro universo spaziotemporale. Da ciò si evince che, trattando il tempo come lo spazio, è difficile arrivare a un universo coerente (perfino nel caso di un universo fittizio).

Domanda n. 3 – Perché il tempo procede in avanti?

Visto che non possiamo andare indietro nel tempo, potremmo legittimamente chiederci: « Come mai il tempo procede sempre in avanti? »

L’idea di un tempo che non procede in avanti ci suona molto strana. Nessuno pensa che possa esistere un forno in grado di far tornare crudo del cibo cotto, che in una calda giornata si possano formare cubetti di ghiaccio nel bicchiere, o che i biscotti che abbiamo mangiato si ricompongano autonomamente. In genere, queste cose si evolvono in avanti e se tu le vedessi avvenire al contrario penseresti che è il caso di prendere meno medicine.

Allo stesso modo, sei in grado di ricordare cose accadute nel passato, ma non cose che avvengono nel futuro.[62] Sembra che il tempo abbia una direzione privilegiata e non abbiamo la più pallida idea del perché. I fisici si sono interrogati a lungo sul perché il tempo proceda solo in avanti. D’altra parte, che cosa significa « avanti nel tempo »? In un universo in cui il tempo scorre al contrario, per gli scienziati la direzione « in avanti » sarebbe quella. Forse allora la domanda corretta da porsi è: perché il tempo si muove nella direzione in cui si muove?

Il primo aspetto da considerare è se l’universo funzionerebbe nel caso in cui il tempo scorresse nell’altra direzione. Le leggi della fisica impongono che il tempo fluisca in un unico verso? Immagina di guardare un video con immagini di un universo: esaminandolo attentamente sapresti dire se si muove in avanti o all’indietro? Mettiamo il caso che tu stia guardando il video di una pallina che rimbalza su e giù: finché la pallina rimbalza perfettamente (e non perde energia per colpa degli attriti o della resistenza dell’aria) guardare il filmato in entrambe le direzioni sarebbe esattamente la stessa cosa! E vale anche per le molecole di gas che si urtano dentro una bombola o per l’acqua che scorre in un fiume. Perfino la meccanica quantistica funziona perfettamente anche al contrario.[63] In realtà, quasi tutte le leggi della fisica funzionano bene in entrambe le direzioni.

Non tutte, però.

L’esempio della pallina che rimbalza perfettamente non è realistico perché non prende in considerazione l’attrito della pallina sul pavimento, la resistenza dell’aria e tanti altri modi con cui l’energia della pallina viene dissipata in calore. Dopo pochi rimbalzi anche la superpalla preferita dei tuoi furetti non arriverebbe più alla stessa altezza e finirebbe sul pavimento. Tutta la sua energia sarebbe comunque convertita in calore delle molecole d’aria, delle molecole della pallina o delle molecole del pavimento.

Prova ora a pensare quanto sarebbe strano guardare all’indietro il video di una vera pallina che rimbalza. Si vedrebbe una palla ferma sul pavimento che inizia all’improvviso a rimbalzare sempre più in alto. Il flusso d’energia sarebbe ancora più strano: l’aria, la palla e il pavimento si raffredderebbero un po’, e il calore disperso sarebbe convertito in movimento della pallina.

In questo caso, ti accorgeresti molto facilmente della differenza tra avanti e indietro. Lo stesso vale per gli altri esempi fatti prima: cucinare del cibo, sciogliere cubetti di ghiaccio e mangiare biscotti. Ma se è vero che la maggior parte delle leggi fisiche rimane valida anche al contrario, in particolare quelle che governano il calore e la diffusione su scala microscopica, come mai sembra che i processi macroscopici procedano solo in una direzione? La ragione va ricercata nel grado di disordine del sistema, la cosiddetta entropia, che predilige decisamente una delle due direzioni temporali.

L’entropia aumenta costantemente nel corso del tempo. Questo fenomeno è conosciuto come secondo principio della termodinamica. L’entropia rappresenta il grado di disordine di un dato sistema. Se dimentichi di dare da mangiare ai tuoi furetti, che di conseguenza ti distruggono il salotto e fanno cadere la pila di copie autografate di questo libro, l’entropia del salotto è aumentata perché il disordine è aumentato.

Quando torni a casa e prendi atto della situazione, sei comunque in grado di ridurre l’entropia del salotto, ma così facendo dovresti consumare una certa quantità di energia che sarebbe rilasciata sotto forma di calore, frustrazione e mute imprecazioni al pensiero di tutte le volte che avevi detto al tuo compagno di stanza che il furetto non era una buona idea. Questa energia che dissipi mettendo a posto il salotto porta all’aumento dell’entropia totale. Ogni volta che si produce ordine da qualche parte – come mettere in fila dei libri, prendere un appunto o accendere il condizionatore – si crea istantaneamente del disordine, in genere sotto forma di calore disperso. Stando alla seconda legge della termodinamica, è impossibile in media ottenere una diminuzione di entropia procedendo in avanti nel tempo.

(Nota bene: si tratta di un’affermazione di tipo probabilistico. Tecnicamente, è possibile che un’orda di furetti inferociti si organizzi in una forza perfettamente ordinata, capace di produrre una diminuzione di entropia. Ci sono poche probabilità che succeda. Incidenti isolati possono verificarsi, ma in media l’entropia cresce sempre.)

Le conseguenze di tutto ciò sono da brividi: visto che l’entropia può solo aumentare, alla fine di tutto, in un futuro molto, molto, molto, molto lontano, l’universo avrà raggiunto uno stato di disordine massimo. Questo evento è chiamato con il gradevole nome di « morte termica dell’universo ». In questo stato, l’universo si troverebbe tutto alla stessa temperatura e ciò equivarrebbe a dire che tutto è totalmente disordinato, senza la minima traccia di una struttura ordinata (come il genere umano). Prima di quel momento, sarà sempre possibile creare localmente zone d’ordine a discapito di altre zone in cui aumenterà il disordine. Poiché l’universo non ha ancora raggiunto lo stato di massimo disordine, c’è ancora un po’ di spazio di manovra.

Adesso proviamo ad andare a ritroso nel tempo. In ogni istante del passato, fino all’istante del Big Bang, l’universo aveva meno entropia (e più ordine) di adesso. Pensa al Big Bang come all’attimo prima che traslocatori e bimbi piccoli arrivino nella tua casa nuova di zecca. Lo stato iniziale dell’universo, quello in cui l’entropia era la più bassa possibile, determina la quantità di tempo che deve trascorrere tra la sua nascita e la sua morte. Se l’universo fosse partito con un gran disordine al suo interno, non sarebbe rimasto molto tempo prima della sua morte termica. Nel nostro caso, pare che all’inizio l’universo fosse parecchio ordinato, perciò resta ancora un sacco di tempo prima che venga raggiunto lo stato di massima entropia.

Perché l’universo primordiale si trovava in una configurazione così ben organizzata e a bassa entropia? Non ne abbiamo la più pallida idea. Quel che è certo è che siamo stati molto fortunati che sia andata così. Tra l’inizio e la fine c’è tantissimo tempo per fare cose interessanti, come creare pianeti, uomini o ghiaccioli.

L’entropia può aiutarci a capire che cos’è il tempo?

Le leggi della fisica che riguardano l’entropia sono tra le poche che dipendono dalla direzione in cui fluisce il tempo.

Gran parte dei processi che aumentano l’entropia – come gli urti tra le molecole di gas descritti dalle leggi della cinematica – possono funzionare perfettamente anche invertendo il corso del tempo. Passando a scale macroscopiche e a fenomeni collettivi, i processi sono soggetti a una legge secondo cui la quantità di ordine deve diminuire con il tempo, perciò sotto certi aspetti entropia e tempo sono correlati in qualche modo. Al momento, però, conosciamo solo una di queste correlazioni: l’entropia aumenta con il tempo.

Questo significa forse che è a causa dell’entropia che il tempo può procedere solo in avanti, nello stesso modo in cui a causa di una collina l’acqua scorre solo verso il basso? O vuol dire forse che l’entropia segue la direzione in cui si muove il tempo, come succede ai detriti spazzati da un tornado?

Anche accettando il fatto che l’entropia possa solo aumentare, non è ancora chiaro perché il tempo debba poter andare solo in avanti. Potrebbe esistere un universo in cui il tempo procede all’indietro mentre l’entropia diminuisce muovendosi in un tempo negativo. In questo caso, il rapporto tra tempo ed entropia resterebbe valido e, nel contempo, non si violerebbe il secondo principio della termodinamica!

Pur essendo un indizio, l’entropia non ci permette di andare a fondo alla questione. È uno dei pochi indizi che abbiamo per capire come funziona il tempo, per questo merita la nostra meticolosa attenzione. È l’entropia la chiave per comprendere la direzione del tempo? Per molti è così, ma in realtà al momento non lo sappiamo. Anzi, non abbiamo molte possibilità per scoprirlo.

Tempo e particelle

Se prendiamo in considerazione le particelle, sembra che siano piuttosto indifferenti alla direzione del tempo. Agli elettroni, per esempio, piace irradiare fotoni o riceverne. Due quark sono in grado di fondersi e trasformarsi in un bosone Z, mentre un bosone Z può decadere in due quark. Nella maggior parte dei casi – osservando le singole interazioni tra particelle – non è possibile stabilire in quale direzione stia fluendo il tempo nel nostro universo. Ma ci sono delle eccezioni. Esiste un tipo d’interazione che risulta diversa a seconda che si proceda avanti o indietro.

La forza debole, responsabile del decadimento nucleare e mediata dai bosoni W e Z, possiede una componente che predilige una direzione. Non è importante capire tutti i dettagli, e gli effetti sono esigui, ma resta il fatto che è così. Per fare un esempio, quando una coppia di quark è mantenuta unita dalla forza forte, può capitare a volte che ci siano due configurazioni possibili. I due quark possono spostarsi avanti e indietro tra le due configurazioni grazie alla forza debole, tuttavia muoversi in una direzione richiede molto più tempo che tornare indietro. Pertanto, se guardassimo al contrario un video che mostra questo processo, esso apparirebbe diverso da quello che vedremmo se lo guardassimo nella direzione giusta.

Cosa c’entra con il tempo? Non lo sappiamo esattamente, ma ha tutta l’aria d’essere un indizio utile.

Domanda n. 4 – Sentiamo tutti il tempo
allo stesso modo?

Prima del XX secolo, la scienza considerava il tempo come qualcosa di abbastanza universale: si pensava che tutto e tutti nell’universo lo percepissero allo stesso modo. Si dava per scontato che orologi identici posizionati in posti diversi dell’universo avrebbero continuato per sempre a essere sincronizzati. Dopotutto, è quello che accade normalmente nella nostra vita quotidiana: prova a immaginare il caos che ci sarebbe se gli orologi procedessero ognuno con una velocità differente!

A ogni modo, la teoria della relatività di Einstein ha rivoluzionato tutto, accorpando spazio e tempo in un unico concetto: lo spazio-tempo.[64] Com’è noto, Einstein ha previsto che orologi in movimento si muovono più lentamente: se si partisse alla volta di qualche stella vicina andando a una velocità prossima a quella della luce, si sarebbe soggetti a un passaggio di tempo minore rispetto a chi è rimasto sulla Terra. Non vuol dire che si sentirebbe il tempo muoversi più lentamente, come in Matrix, ma solo che persone e orologi sulla Terra misurerebbero più tempo rispetto a persone e orologi sull’astronave. Tutti subiamo il passaggio del tempo allo stesso modo (alla normale velocità di un secondo al secondo), ma i nostri orologi andrebbero in contraddizione se ci muovessimo a grande velocità l’uno rispetto all’altro.

Da qualche parte in Svizzera, un orologiaio ha appena avuto un infarto.

L’idea di orologi identici che ticchettano a velocità diverse sembra una sfida alla logica e alla ragione, eppure è proprio quello che succede nel nostro universo. Sappiamo che è vero e possiamo constatarlo nella vita di tutti i giorni. Il navigatore sul tuo cellulare (o sulla tua auto, o sul tuo aeroplano) presuppone che il tempo sui satelliti GPS che orbitano intorno alla Terra (e viaggiano alla velocità di migliaia di chilometri orari in uno spazio incurvato dalla gigantesca massa della Terra) scorra più lentamente. Senza questa informazione, il tuo navigatore non sarebbe capace di effettuare in modo accurato le sincronizzazioni e non riuscirebbe a triangolare la tua posizione a partire dai segnali trasmessi dai satelliti. Il punto è che, anche se l’universo segue regole logiche, qualche volta può capitare che queste regole non siano quelle che ci aspettiamo. In questo caso, il colpevole è il limite massimo di velocità dell’universo: la velocità della luce.

Secondo la teoria della relatività di Einstein, nulla può andare più veloce della luce, neanche l’informazione o la consegna di pizze a domicilio. Questo limite massimo di velocità (ovvero, la distanza attraversata nell’unità di tempo) produce strane conseguenze che mettono alla prova la nostra concezione del tempo.

Innanzitutto, però, dobbiamo chiarire bene come funziona questo limite di velocità. La regola più importante è che il limite vale per chiunque misuri la velocità di chiunque altro da qualsiasi punto di vista. Quando diciamo che non potrai mai vedere nulla che viaggi più veloce della luce, intendiamo proprio nulla. Indipendentemente dalla prospettiva da cui si guarda.

Proviamo a fare un semplice esperimento mentale. Immagina di essere seduto sul divano e di accendere una torcia elettrica: dal tuo punto di vista, la luce si propaga dalla torcia muovendosi in avanti alla velocità della luce.

E se legassi il divano a un razzo e lo sparassi a velocità molto elevata? Che succederebbe se accendessi adesso la tua torcia? Puntandola nella stessa direzione in cui procede il razzo, la luce viaggerebbe alla velocità della luce più la velocità del razzo?

Ne parleremo ancora nel capitolo 10, ma la questione fondamentale è che, per far sì che a tutti gli osservatori (tu sul razzo e noi altri sulla Terra) la luce della torcia sembri procedere alla velocità della luce, dev’esserci qualcosa di diverso. E questo qualcosa è il tempo.

Per dare un senso a tutto questo, pensa al tempo come alla quarta dimensione dello spazio-tempo, e immagina che il limite di velocità dell’universo si applica alla velocità totale attraverso sia il tempo che lo spazio. Se sei seduto sul tuo divano sulla Terra, non hai velocità attraverso lo spazio (relativamente alla Terra) e quindi la tua velocità attraverso il tempo può essere elevata.

Se però ti trovi su un razzo che, visto dalla Terra, viaggia quasi alla velocità della luce, allora la tua velocità attraverso lo spazio è molto grande. Quindi, per fare in modo che la tua velocità totale attraverso lo spazio-tempo relativo alla Terra rimanga al di sotto del limite di velocità dell’universo, la tua velocità attraverso il tempo – misurata dagli orologi sulla Terra – deve diminuire.

Ci sei ancora?

L’idea che persone diverse possano misurare il trascorrere del tempo in modo diverso può farti venire il mal di testa, ma l’universo funziona così. Anzi, può succedere qualcosa di ancora più strano: in determinate circostanze, anche se due persone riportano correttamente gli eventi che hanno osservato, è possibile che non siano d’accordo sull’ordine in cui si sono svolti. Per esempio, due onesti osservatori di una gara di auto da corsa potrebbero non essere d’accordo sul vincitore se si trovano in movimento a gran velocità l’uno rispetto all’altro.

Se il tuo lama e il tuo furetto si sfidassero in una gara, potresti veder vincere l’uno o l’altro a seconda della velocità con cui ti stai muovendo e della posizione relativa in cui ti trovi rispetto alla pista. Ognuno dei tuoi animali domestici avrebbe la sua versione riguardo agli eventi e, se tua nonna fosse capace di viaggiare a una velocità prossima a quella della luce, potrebbe essere in disaccordo con entrambi. E avrebbero tutti ragione! (Va detto, però, che sarebbero in disaccordo riguardo al tempo di partenza di ognuno.)

È difficile accettare l’idea che persone diverse possano essere soggette a un diverso fluire del tempo, perché ci piace pensare che esista una verità assoluta sulla storia dell’universo. Pensiamo che qualcuno potrebbe, in linea teorica, scrivere un racconto unico (lunghissimo e di una noia mortale) su tutto ciò che è accaduto finora nell’universo, e a quel punto ognuno di noi potrebbe verificare la propria esperienza confrontandola con quel racconto, nella convinzione che le due cose coinciderebbero, a parte qualche errore involontario o qualche ricordo sfocato.

Tuttavia, la teoria della relatività di Einstein dimostra chiaramente che tutto è relativo e che anche la descrizione degli eventi che si verificano nell’universo dipende da chi li sta descrivendo.

In conclusione, dobbiamo smettere di pensare che il tempo sia scandito da un orologio assoluto e unico, valido in tutto l’universo. Qualche volta si arriva a concepire cose che sembrano andare contro l’intuito, ma la cosa interessante è che questo modo di descrivere il tempo è stato verificato e si è dimostrato corretto. Come in molte altre rivoluzioni che avvengono nel mondo della fisica, siamo obbligati a distaccarci dall’intuito e a seguire il percorso della matematica, che è molto meno influenzato dalla nostra soggettiva esperienza del tempo.

Domanda n. 5 – Il tempo si fermerà, prima o poi?

Certo, è una bella tentazione quella di rifiutare l’idea che il tempo possa fermarsi. Lo abbiamo sempre visto avanzare, come potrebbe mai fare qualcosa di diverso? Tuttavia, sapendo ben poco del perché il tempo si muova solo in avanti, è difficile affermare con sicurezza che ciò sarà sempre vero.

Alcuni fisici sono convinti che la « freccia » del tempo sia una conseguenza della regola secondo cui l’entropia deve aumentare sempre, o che la direzione del tempo coincida con la direzione in cui aumenta l’entropia. Se ciò fosse vero, cosa succederebbe se l’universo raggiungesse lo stato di massima entropia? In un simile universo, tutto si verrebbe a trovare in equilibrio e non si potrebbe creare ordine. A quel punto, allora, il tempo si fermerebbe o non avrebbe più alcun significato? Per alcuni filosofi è possibile che in quel momento la freccia del tempo e la legge dell’aumento dell’entropia possano ribaltarsi, forzando l’universo a ricompattarsi fino a diventare una minuscola singolarità. Siamo però più nel campo delle speculazioni notturne ispirate dall’erba, piuttosto che in quello delle reali previsioni scientifiche.

Secondo altre teorie, al momento del Big Bang sarebbero stati creati due universi, in uno dei quali il tempo scorre in avanti, mentre nell’altro scorre all’indietro. Esistono poi altre teorie, ancora più folli, secondo cui esisterebbe più di una direzione temporale. Perché no? Abbiamo tre (o più) direzioni lungo le quali possiamo muoverci nello spazio, perché non potremmo avere due o più direzioni temporali? La verità, come sempre, è che non ne abbiamo la più pallida idea.

Tempo di concludere

Le domande sulla vera natura del tempo sono molto profonde, e le risposte potrebbero essere così sconvolgenti da far tremare le fondamenta della fisica moderna. Sicuramente si tratta di domande affascinanti che inducono a grandi riflessioni, ma che sono parecchio complesse da affrontare.

Come approcciarsi a un problema simile? A differenza di altre domande affrontate in questo libro, non è chiaro quale tipo di esperimenti si potrebbero fare per giungere a qualche risposta. Non possiamo fermare il tempo per studiarlo, né possiamo misurare più volte il tempo di uno stesso evento. È un argomento talmente di nicchia che sono pochi gli scienziati che ci lavorano. È per lo più appannaggio di qualche professore emerito e di alcuni giovani ricercatori desiderosi di esplorare territori rischiosi e impervi.

Forse si riuscirà a fare qualche progresso affrontando il problema con costanza e impegno, o magari qualcuno inciamperà su un indizio fondamentale lavorando a qualcosa di completamente diverso. Chissà, solo il tempo potrà dirlo.

9
Quante dimensioni ci sono?
In cui estenderemo la nostra ignoranza in nuove direzioni

Per una comprensione profonda dell’universo, a volte bisogna mettere in discussione presupposti fondamentali e riconsiderare questioni di lunga data già emerse da tanto tempo. Per esempio, potresti chiederti:

- JFK è stato ucciso dagli alieni?

- Esistono più di tre dimensioni spaziali?

- L’universo è tenuto in movimento dagli unicorni?

- È possibile nutrirsi solo di marshmallow senza ingrassare?

Nella maggior parte dei casi, la risposta è « No » oppure « Vai da uno psichiatra ». A volte, invece, porsi questo tipo di domande apre la mente e induce un nuovo modo di pensare, consentendo di arrivare a strabilianti congetture che possono avere conseguenze sulla nostra vita quotidiana.

Se cominci a sentirti a tuo agio sapendo che lo spazio è un’entità fisica e gelatinosa, e non un palcoscenico vuoto che contiene l’universo, tieniti forte prima di continuare a leggere. Stiamo per affrontare il problema del numero di dimensioni dello spazio.

Lo spazio può avere più delle tre dimensioni a cui siamo abituati (su-giù, destra-sinistra, avanti-indietro)? Esistono particelle o esseri viventi in grado di muoversi in queste altre dimensioni? Se queste dimensioni extra esistessero, che aspetto avrebbero? Potremmo usarle per mettere via le scarpe o nascondere il grasso in eccesso? E come scorciatoie verso stelle lontane? Sembrano idee assurde, ma la verità della natura non è priva di assurdità.

Come sempre, non abbiamo la più pallida idea di quali possano essere le risposte, però esistono teorie molto allettanti secondo cui queste dimensioni extra esistono davvero. Pertanto, indossa i tuoi occhiali multidimensionali e preparati a esplorare questo potenziale lato nascosto (o forse i lati nascosti) del nostro misterioso universo.

Che cos’è esattamente una dimensione?

La prima cosa che dovremmo fare è fornire una definizione rigorosa di cosa intendiamo per dimensione. In genere, nei libri e nei film, la parola « dimensione » è utilizzata per indicare un universo parallelo: un mondo scollegato dal nostro, dove le regole sono diverse, le persone acquisiscono poteri soprannaturali oppure si incontrano sconosciuti che brillano al buio. A volte, si può perfino aprire « una porta su un’altra dimensione » e spostarsi da un universo all’altro. Sono storie molto divertenti e può darsi anche che gli universi paralleli esistano davvero, ma da un punto di vista scientifico il termine « dimensione » significa tutt’altro.

Com’è possibile che la stessa parola abbia un significato diverso se utilizzata nella cultura popolare o in ambito scientifico? Il più delle volte, la colpa è degli scienziati.

Ogni volta che gli scienziati si trovano nella necessità di avere una parola per descrivere una nuova scoperta o teoria, di solito: a) inventano una parola (per esempio, « esopianeta » per indicare un pianeta fuori dal nostro sistema solare); b) cercano di riutilizzare una parola con un significato simile (per esempio, « spin quantistico » per descrivere la fisica di minuscole particelle che in realtà non hanno spin, ma fanno cose che somigliano allo spin dal punto di vista matematico); c) prendono in prestito parole esistenti con un significato del tutto diverso (per esempio, « quark charm », che non ha nulla di affascinante, o « particelle colorate », che in realtà non hanno colore, e comunque non è un’espressione politicamente corretta).

Dopo aver scoperto che per la scienza la parola « dimensione » non indica un universo alternativo in cui tutto è fatto di cioccolato e i debiti si pagano con i marshmallow, potresti avercela con questi scienziati molesti che rubano le parole dando loro significati diversi. Aspetta, però, prima di puntargli il dito contro e accusarli di qualunque cosa: la colpa, in realtà, è tutta degli scrittori di libri di fantascienza, perché matematici e scienziati dal canto loro usano da secoli questa parola con precisione millimetrica.

In ambito matematico e scientifico, la parola « dimensione » indica una possibile direzione di moto. Se si disegna una linea retta, il moto lungo questa retta è un moto in una dimensione.

In un mondo monodimensionale, tutto vive su una linea infinitamente sottile. Non essendoci altre direzioni in cui muoversi, gli scienziati monodimensionali non possono sorpassare le persone in coda o scambiarsi di posizione con qualcun altro. È come se fossero perline di una collana o marshmallow su uno spiedo: condannati ad avere in eterno gli stessi graziosi o zuccherati vicini.

Adesso disegniamo una seconda linea che formi un angolo retto (novanta gradi) con la prima, in modo tale da rendere il moto lungo questa seconda linea del tutto indipendente rispetto al moto sulla prima. Se l’angolo fosse più piccolo di un angolo remoto lungo la seconda linea produrrebbe anche un moto lungo la prima linea. Queste due linee creano un piano, che consente movimenti in due dimensioni.

Pertanto, il moto lungo una linea singola ha una sola dimensione e il moto su un piano definito da due linee ha due dimensioni. A questo punto abbiamo descritto un mondo monodimensionale (una linea) e un mondo bidimensionale (un piano). Per aggiungere una terza dimensione, tutto ciò che bisogna fare è disegnare un’altra linea che sia perpendicolare alle prime due. Nel nostro caso, sarebbe la linea che trapassa il piano dall’alto al basso.

Ecco che cos’è una dimensione: individua una direzione unica lungo la quale ci si può muovere, in modo che il moto lungo una direzione sia indipendente dal moto lungo le altre.

Possono esistere più di tre dimensioni?

Con queste tre dimensioni, possiamo descrivere tutti i movimenti che ci sono familiari: su-giù, destra-sinistra e avanti-indietro. Nel nostro mondo tridimensionale non c’è spazio per disegnare una quarta linea ortogonale alle altre, quindi sembra decisamente che non possano esserci più di tre dimensioni, giusto? Per i fisici, però, non sembra sia una buona ragione per non pensarla diversamente. Da un punto di vista matematico, avere quattro dimensioni sarebbe la stessa cosa che averne sette o 2035.

A questo punto, penserai: Ma insomma, se ci fossero più di tre dimensioni spaziali, di sicuro ce ne accorgeremmo!

Ne sei convinto? Saresti in grado di accorgerti della presenza di altre dimensioni? È una domanda seria. Magari il mondo fisico ha altre dimensioni, però noi con i nostri sensi non siamo capaci di percepirle. Anche se il nostro cervello è fermamente convinto che ci siano soltanto tre dimensioni spaziali, ciò non esclude che possano essercene altre che noi non siamo in grado di notare.

Immagina di essere un fisico bidimensionale che vive intrappolato in un mondo piatto, come tutte le parole e i disegni di questa pagina che sono costretti a stare in un foglio. La tua conoscenza e i tuoi sensi sarebbero limitati alla percezione di ciò che si trova sopra il piano (non potresti « vedere » al di fuori della pagina) e quindi non sapresti dire se il tuo mondo piatto è immerso in uno spazio tridimensionale oppure no. Allo stesso modo, il nostro amato mondo tridimensionale potrebbe essere in realtà compreso in uno spazio con più dimensioni. Magari, per tutto questo tempo, fisici quadridimensionali (o magari penta- o esadimensionali) non hanno fatto altro che osservarci, ridendo della nostra visione limitata, esattamente come faremmo noi guardando delle formiche intrappolate in un formicaio.

Ma perché non dovremmo essere in grado di vedere o percepire queste altre dimensioni? Di primo acchito, potrebbe sembrare strano (e ingiusto), ma bisogna pensare al modo in cui funziona la nostra percezione. Il nostro cervello crea al suo interno un modello tridimensionale del mondo, perché questo meccanismo si è dimostrato utile per la sopravvivenza sulla Terra. Ciò non vuole dire che sappiamo percepire tutto quello che avviene nel nostro ambiente naturale. Al contrario, siamo incredibilmente ciechi rispetto a quelle caratteristiche del nostro universo che sono irrilevanti per la sopravvivenza quotidiana, ma magari cruciali per comprendere la natura fondamentale della realtà.

Per esempio, siamo molto sensibili alla luce perché ci dice un sacco di cose, come la posizione di possibili predatori o dove si trovano i marshmallow. D’altra parte, però, non siamo capaci di sentire o percepire la presenza della materia oscura, anche se ne siamo circondati e anche se potrebbe darci molte informazioni sul funzionamento dell’universo. Ecco un altro esempio: non siamo in grado di percepire i 10^11 neutrini che passano ogni secondo attraverso ciascun centimetro quadrato della nostra pelle; e dire che, se riuscissimo a rilevarli, potremmo imparare tantissime cose sul Sole e sulle interazioni tra le particelle.

Ogni giorno siamo inondati da informazioni che hanno grande importanza per un fisico moderno, ma che i nostri sensi non possono percepire direttamente in modo naturale. La ragione sta nel fatto che informazioni di questo tipo sono difficili da raccogliere e non sarebbero state utili per la nostra sopravvivenza durante il periodo evolutivo passato in una savana disseminata di marshmallow.

Dovendo quindi rispondere alla domanda: « Possono esistere più di tre dimensioni spaziali? », la risposta sarebbe « Sì ». Da un punto di vista matematico, non c’è nessuna ragione per cui debbano esserci solo tre dimensioni. Potrebbero benissimo esisterne altre anche se noi non siamo in grado di percepirle, soprattutto nel caso in cui fossero diverse da quelle a cui siamo abituati. Di questo, però, parleremo dopo.

Come pensare in quattro dimensioni

Cosa vorrebbe dire muoversi dentro una dimensione extra che sia simile alle tre che conosciamo? Per noi umani tridimensionali, è difficile immaginarlo. Per provare a fartene un’idea, fai un passo dimensionale indietro e fingi d’essere un umano bidimensionale che all’improvviso si ritrova a girovagare in un mondo tridimensionale.

Se fossi una persona bidimensionale in un mondo tridimensionale, i tuoi sensi sarebbero capaci di percepire e pensare solamente in termini di « fette » o piani bidimensionali, immersi in uno spazio in tre dimensioni. Non potresti percepire altro. Se però acquisissi il potere di muoverti nella terza dimensione, diventeresti capace di svolazzare tra un piano e l’altro. I tuoi sensi bidimensionali e la visione fornita dal tuo apparato mentale non sarebbero in grado di percepire il movimento in questa nuova direzione, ma se le cose in ogni fetta fossero diverse ti accorgeresti che il mondo bidimensionale intorno a te sta cambiando. Se poi riuscissi ad aprire la mente e comprendere il significato di un mondo in tre dimensioni (senza farti venire troppe emicranie bidimensionali), arriveresti a intessere tutte le fette per formare un’immagine tridimensionale completa di questo mondo improvvisamente più grande.

Adesso cerca di usare quest’idea e di estenderla alla nostra situazione. Se il mondo avesse una quarta dimensione spaziale e tu riuscissi in qualche modo ad acquisire il potere di muoverti al suo interno, potresti vedere come il mondo cambia lungo questa direzione. Muovendoti attraverso la quarta dimensione, potresti vedere il tuo mondo tridimensionale cambiare intorno a te. Con un po’ di sforzo e d’immaginazione, potresti incorporare tutte quelle informazioni all’interno di un modello olistico quadridimensionale.

In un certo senso, lo stai già facendo. Se considerassi il tempo come la quarta dimensione in cui è possibile muoversi, la situazione sarebbe simile. Il mondo tridimensionale intorno a te cambia con il tempo, e il tuo cervello collega l’una con l’altra le varie fette temporali formando un’immagine del mondo in quattro dimensioni (tre spaziali + una temporale). Non sei in grado di percepire le quattro dimensioni simultaneamente, ma riesci a collocare più fotogrammi tridimensionali lungo l’asse temporale.

Dove si trovano?

A questo punto, sembra legittimo domandarsi: se esiste una quarta dimensione (che non sia il tempo), perché non riusciamo a vederla?

Certo, non saper controllare o percepire il nostro movimento al suo interno fa supporre che sia sostanzialmente irrilevante e inutile ai fini della nostra sopravvivenza. Sappiamo anche che, se si trattasse di una dimensione lineare come le altre (quelle normali), probabilmente ce ne saremmo già accorti perché pur potendo percepire solo tre dimensioni, vedremmo comunque oggetti apparire e scomparire muovendosi lungo questa dimensione extra.

Possiamo quindi affermare con una certa sicurezza che non esiste una quarta dimensione che sia simile alle altre tre. Se esistesse, dovrebbe essere molto sfuggente per riuscire a nascondersi così bene ai nostri occhi. Un’altra possibilità è che tutte le forze e tutte le particelle di materia che conosciamo non siano in grado di muoversi in questa dimensione spaziale. In questo caso, tale limitazione eviterebbe che le cose scivolino nella quarta dimensione o che l’energia (sotto forma di particelle che mediano forza, come i fotoni) venga dissipata in questa dimensione aggiuntiva. Possono quindi esistere dimensioni impenetrabili? Sì, ma se non possono essere raggiunte dalle particelle a noi note, abbiamo ben poche speranze di scoprirle o esplorarle.

Magari queste dimensioni extra sono raggiungibili solo da poche e selezionate particelle, quelle più rare e ardue da studiare. E forse è per questo che sono tanto difficili da notare. Oppure queste dimensioni riescono a nascondersi proprio sotto i nostri occhi perché sono un po’ diverse.

Diverse in che senso? Supponiamo che siano dimensioni incurvate in minuscoli percorsi chiusi o anelli: di conseguenza, muovendoci al loro interno non andremmo molto lontano. In una dimensione ad anello, infatti, termineremmo il nostro percorso nello stesso punto da cui siamo partiti, dopo aver fatto un giro in tondo.

Se questa idea di una dimensione incurvata ti sembra una stranezza insensata, sei in buona compagnia: fa venire il mal di testa anche ai fisici più intelligenti. Potrebbe essere che tutte le dimensioni spaziali siano in realtà dei percorsi chiusi. Nel caso delle nostre familiari tre dimensioni, questi anelli dovrebbero essere molto, molto grandi, più grandi della dimensione dell’universo osservabile (ne abbiamo parlato più nel dettaglio quando ci siamo occupati dello spazio).

Se queste dimensioni non sono altro che minuscoli anelli in grado di accogliere solo poche e selezionate particelle, si spiegherebbe come mai non le abbiamo mai notate. Oggetti in grado di muoversi in queste piccole dimensioni ad anello non ci apparirebbero molto diversi quando li osserviamo nelle tre dimensioni che sappiamo percepire, anche se ci sono dei modi per individuarli, come vedremo in seguito.

Esistono davvero queste dimensioni extra? Viviamo in un universo che ne possiede più di tre? Per dirla in poche parole, non ne abbiamo la più pallida idea. Ci sono comunque alcune buone ragioni, basate su argomentazioni scientifiche, per cui l’universo potrebbe avere più di tre dimensioni spaziali. Potrebbero addirittura esserci dei modi per scoprirle. Continua a leggere e scoprirai come potremmo risolvere il problema e lasciare a bocca aperta quei presuntuosi fisici quadridimensionali secondo cui non arriveremo mai a nulla.

È la risposta ad altri misteri?

Una delle ragioni principali per cui i fisici credono che possano esistere altre dimensioni è che la loro esistenza aiuterebbe a rispondere ad altre grandi domande sull’universo. Per la precisione, si potrebbe spiegare come mai la forza di gravità è così debole.

Se confrontiamo l’intensità delle altre forze con quella della gravità, ci accorgiamo che quest’ultima non è soltanto un po’ debole, ma incredibilmente debole. Le altre forze (debole, forte ed elettromagnetica) sono diverse tra loro, ma in confronto alla gravità sono dei supereroi muscolosi mentre la gravità è la scimmia domestica dei Wonder Twins. Ai fisici non piace per niente questo genere di diversità. A loro piace essere in disaccordo su tutto, ma all’interno delle leggi della fisica pretendono armonia. Una delle tante domande sulla gravità è se questa sua strana debolezza non sia un indizio che c’è qualcos’altro sotto.

Perché la gravità è tanto più debole dell’elettromagnetismo e delle altre forze? Le dimensioni extra potrebbero darci una spiegazione. Quasi tutte le forze diventano più deboli a grandi distanze. La rapidità con cui una forza decresce con la distanza dipende esplicitamente dal numero di dimensioni spaziali. Maggiore è il numero di dimensioni, maggiore è la diluizione della forza in tutte le dimensioni coinvolte.

Prova a pensare a cosa succede quando qualcuno fa una scorreggia a una festa. Se ti trovi molto vicino alla sorgente, l’odore è forte. Se però ti allontani dal colpevole, le molecole di puzza si diffondono nell’aria e si diluiscono.

Ora, se l’oltraggiosa scorreggia venisse sganciata in un corridoio stretto, tutti quelli che si trovano nel corridoio la sentirebbero moltissimo.[65] Se invece avvenisse all’intersezione di tanti corridoi, si spanderebbe in tutte le direzioni e sarebbe meno percepita dai presenti. Il tasso di diluizione dipende, infatti, dalla velocità di diffusione dell’aria, che è maggiore se ci sono tanti corridoi.

Con le forze succede una cosa simile (ma senza puzza). Immagina che ci siano altre due dimensioni spaziali in aggiunta alle tre consuete. La forza (gravitazionale o elettromagnetica) causata dalla presenza di un oggetto si diffonderebbe anche in queste dimensioni aggiuntive oltre che nelle normali tre. In conclusione, allontanandosi dalla sorgente si avrebbe una diminuzione più rapida di quanto non ci si aspetterebbe se ci fossero solo tre dimensioni.

Occorre puntualizzare che queste dimensioni extra dovrebbero essere circolari e piccole, più piccole di un centimetro, così da spiegare perché non le abbiamo mai viste finora. Inoltre, la gravità dovrebbe essere l’unica forza che ne subisce l’influenza, il che vuol dire che le altre forze non sono in grado di sentirle.

Cosa succederebbe quindi se ci fossero due dimensioni circolari extra, della grandezza di un centimetro, tali per cui solo la gravità fosse in grado di diffondersi al loro interno? Se due oggetti si trovassero a una distanza inferiore al centimetro, la forza di gravità si diluirebbe in queste dimensioni extra e decrescerebbe molto rapidamente. Se gli oggetti fossero a più di un centimetro di distanza, le nuove dimensioni non svolgerebbero nessun ruolo. Questo spiegherebbe perché la gravità ci appare tanto debole: a brevi distanze è in realtà forte come le altre forze, ma allontanandosi a più di un centimetro si è in gran parte già diluita nelle altre dimensioni.

Anche la gravità subisce una diluizione, come una scorreggia in un corridoio? Non se siamo sicuri. La possibilità che esistano dimensioni extra e il loro ruolo nell’indebolimento della gravità sono concetti ancora molto teorici. Sorprendentemente, però, esistono dei modi per cercare d’individuare queste dimensioni.

Alla ricerca di nuove dimensioni

L’idea che possano esistere nuove dimensioni sembra bella perché spiegherebbe in modo semplice e geometrico come mai la gravità è più debole delle altre forze. Probabilmente stai pensando che non sarebbe difficile effettuare una verifica: non bisognerebbe fare altro che misurare la gravità a piccole distanze e, se la forza fosse più grande di quanto non ci si aspetta, allora vorrebbe dire che questi percorsi circolari esistono davvero.

Purtroppo, non è così semplice. Misurare la gravità può sembrare facile: dopotutto, lo fai ogni volta che ti pesi, ma quando sali su una bilancia, stai misurando la forza di gravità tra te e l’intero pianeta Terra. E uno dei due è enorme.

Misurare la gravità su piccole distanze è tutta un’altra cosa. Per misurare l’intensità della gravità tra due oggetti che distano un centimetro l’uno dall’altro, bisognerebbe che i loro rispettivi centri siano distanti al massimo un centimetro, e ciò implicherebbe che questi oggetti siano piuttosto piccoli e che quindi non possano avere molta massa. Se le masse sono piccole, la forza di gravità sarà così minuscola che sarebbe praticamente impossibile misurarla (ricordiamoci sempre che la gravità è debole). Se per esempio si mettessero due palline di piombo a un centimetro di distanza, sarebbero soggette a una forza più piccola del peso di un granello di polvere.

Qui però interviene una caratteristica dei fisici: quando si dice che qualcosa è « quasi impossibile », loro cominciano a innervosirsi. Se poi c’è anche la possibilità che un esperimento possa dimostrare l’esistenza di dimensioni extra, subito sbuca fuori gente sveglia che con la bava alla bocca inizia a parlare di mirabolanti apparecchi di misurazione.

Negli ultimi anni, è stato possibile misurare la variazione della forza di gravità su scale millimetriche. Ne è risultato che, almeno fino a un millimetro di distanza, la forza di gravità si comporta ancora come fa sulle lunghe distanze. Questo non significa che le dimensioni extra non esistano, ma solo che se esistono devono essere più piccole di un millimetro.

Un’altra caratteristica dei fisici (ne hanno parecchie altre e tutte particolari) è che, fino a quando non incontrano un’evidenza sperimentale che confermi o confuti un fenomeno, si sentono ancora liberi di fare congetture su come potrebbero andare le cose. La fisica può dire che le cose sono vere solo entro la precisione fornita dagli strumenti di misurazione. Pertanto, l’unica cosa importante che possiamo affermare con certezza al momento è che, se queste dimensioni extra esistono, devono essere più piccole di un millimetro.

Per complicare le cose

La presenza di queste dimensioni può essere verificata misurando la forza di gravità, ma non è l’unica strada percorribile. Si può anche sfruttare la potenza degli acceleratori di particelle. Esatto, quelle macchine da dieci miliardi di dollari, lunghe ventisette chilometri, non servono solo per cercare bosoni che hanno preso il nome da Peter Higgs.

Com’è possibile usare un acceleratore di particelle per individuare una dimensione extra? Be’, immagina di avere una minuscola particella, per esempio un elettrone, seduta di fronte a te. Magari ce l’hai sul palmo della mano. Non è detto che questa particella si trovi solamente nelle tre consuete dimensioni spaziali, potrebbe anche darsi che si muova contemporaneamente attraverso altre dimensioni. Ricordati che queste altre dimensioni costituiscono percorsi chiusi, per cui non si avrebbe l’impressione di un moto che si produce nelle nostre dimensioni, ma ci sarebbe comunque qualche tipo di movimento. Che tipo di effetti potrebbero produrre questi movimenti aggiuntivi nella percezione che noi abbiamo di questa particella?

Se la particella si muove al di fuori delle nostre dimensioni, significa che possiede quantità di moto in altre dimensioni e, quindi, energia aggiuntiva. Visto che non si sta muovendo nelle nostre dimensioni, però, noi scambieremmo questa energia aggiuntiva per massa aggiuntiva (ricordiamoci sempre che, in accordo con Einstein, massa ed energia sono la stessa cosa). In altre parole: noteremmo che una particella si sta muovendo anche in altre direzioni perché la sua massa sarebbe più grande di una particella ferma.

È così che potremmo usare un acceleratore di particelle per verificare la presenza di dimensioni extra. Se per esempio facciamo urtare delle particelle e un giorno ne vediamo una che sembra esattamente uguale a un elettrone (stessa carica, stesso spin ecc.) tranne che per la massa, potremmo ragionevolmente sospettare che si tratti di un elettrone che si sta muovendo anche in altre direzioni.

Se esistessero altre dimensioni, quindi, potremmo aspettarci di trovare copie esatte di tutte le particelle che conosciamo, con la differenza che sarebbero più pesanti per via del loro moto in queste dimensioni extra. La teoria prevede che si vedano delle « torri » (dette torri di Kaluza-Klein) formate da particelle identiche, dotate di masse via via crescenti a intervalli regolari.[66] Se riuscissimo a trovare sequenze simili di particelle sempre più pesanti, saremmo di fronte alla pistola fumante che proverebbe l’esistenza di altre dimensioni.

Che cos’altro potrebbero predire le dimensioni extra?

La presenza di dimensioni aggiuntive, anche se fossero piccole e ad anello, avrebbe altre conseguenze interessanti. Se è vero che la debolezza della forza di gravità può essere spiegata con la sua diluizione in altre dimensioni, allora su piccola scala dovrebbe essere forte quanto le altre forze. Potrebbe anche darsi che la gravità non sia un tipo tanto smidollato, ma piuttosto un supereroe travestito da smidollato.

In questo caso, creare un buco nero sarebbe più facile di quanto non credessimo!

In genere, per creare un buco nero occorre concentrare in un piccolo spazio un’enorme quantità di massa ed energia. Alle particelle non piace stare troppo vicine, soprattutto se hanno la stessa carica elettrica (come i protoni). Per avvicinarne un numero sufficiente e raggiungere la densità critica necessaria alla formazione di un buco nero, occorre un evento devastante come il collasso di una stella. Se la gravità fosse davvero molto intensa a brevi distanze, si potrebbero forse usare i protoni per creare buchi neri con più facilità, per esempio facendoli urtare all’interno dell’acceleratore di particelle di Ginevra.

Per cui il Large Hadron Collider di Ginevra potrebbe servire a creare buchi neri. Se la dimensione spaziale delle dimensioni extra è di circa un millimetro, l’LHC potrebbe produrre un buco nero al secondo.

Non è terrificante? Che succederebbe se questi buchi neri cominciassero a crescere fino a inghiottire la Terra e tutti i marshmallow? Tranquillo, non succederà. Se hai dubbi, c’è un sito Internet dove puoi controllare se il mondo è stato distrutto.[67] Gli autori promettono di tenerlo costantemente aggiornato.

Per nostra fortuna, i piccoli buchi neri che l’LHC potrebbe creare sono diversi da quelli giganteschi che si formano quando le stelle collassano. Sarebbero buchi neri piccoli e graziosi che si dissolverebbero molto rapidamente, senza riuscire a trangugiare la Svizzera e tutto il resto del pianeta. Un’altra ragione per stare tranquilli è che sono secoli che la Terra viene bombardata di continuo da particelle ad altissima energia, per cui se bastassero urti di questo tipo per creare buchi neri mangiapianeti sarebbe già successo, e noi non saremmo qui adesso.

La teoria delle stringhe

I fisici sono sempre in cerca di modi per descrivere tutte le forze fondamentali (gravità, forza forte, forza debole ed elettromagnetismo) in un’unica teoria con cui sia possibile comprendere tutto e in cui tutto sia in armonia, senza che restino questioni aperte. Certo, è un obiettivo parecchio ambizioso e, pur essendo ancora lontani da una risposta definitiva, sono stati fatti tanti progressi.

Nel corso di questa ricerca, a volte compaiono formulazioni divertenti. Una di queste è la teoria delle stringhe, secondo cui l’universo non sarebbe costituito da particelle puntiformi e adimensionali, bensì da stringhe monodimensionali minuscole, non come dei minimarshmallow, ma delle dimensioni di circa 10–35 metri. La teoria afferma che queste stringhe sono in grado di vibrare in tanti modi diversi e che ciascuna modalità vibrazionale corrisponde a una particella ben precisa.

Se vengono osservate da una distanza sufficientemente grande (con una risoluzione di soli 10–20 metri) queste stringhe sembrano particelle puntiformi, visto che non si riesce ad apprezzarne la natura filamentosa.

Una caratteristica di questa teoria è che la matematica che la descrive diventa molto più facile e naturale se si introducono dimensioni spaziali aggiuntive. Ci sono tante versioni di questa teoria e ognuna prevede un numero diverso di dimensioni. La teoria delle superstringhe descrive bene un universo con dieci dimensioni spaziali. Alla teoria bosonica delle stringhe piacciono universi di ventisei dimensioni. Ma dove sono queste ventitré dimensioni aggiuntive e come abbiamo fatto a perdercele? Sarebbe come se tu credessi di vivere in una famiglia di quattro persone, e poi scoprissi che hai altri ventidue fratelli che si nascondono dentro un armadio.

Come per la teoria che spiega la debolezza della gravità, anche nella teoria delle stringhe si cerca di essere coerenti con la nostra esperienza facendo sì che queste nuove dimensioni formino dei circoli chiusi invece di propagarsi indefinitamente in una direzione.

Riepilogare queste nuove direzioni

La comprensione dei fondamenti geometrici su cui si basa il nostro universo costituisce certamente un aspetto importante nella comprensione del mondo che ci circonda. È una gran bella soddisfazione scoprire una verità inaspettata sull’universo e rendersi conto che il mondo in cui viviamo è diverso da come ce l’eravamo immaginato. Non ti piacerebbe scoprire che c’è molto più spazio di quello che vedi e percepisci nella tua normale vita quotidiana?

Scoprire nuove dimensioni avrebbe anche conseguenze pratiche. Potrebbero servire a qualcosa di utile, come avere la capacità d’immagazzinare energia o di condurci in regioni spaziali normalmente inaccessibili. Nessuno sa cosa potremmo fare grazie a esse.

Scoprire nuove dimensioni potrebbe poi fornirci importanti indizi per risolvere il rompicapo del funzionamento dell’universo (per esempio, l’altro 95 percento). Anche scoprire che non esistono sarebbe parecchio importante. Potremmo chiederci allora come mai ci sono solo tre dimensioni (e non quattro, trentasette o un milione). Cosa c’è di tanto speciale nel fatto che siano tre?

Finora gli esperimenti di misurazione della gravità su brevi distanze non hanno trovato nulla d’inatteso, mentre l’LHC non ha scoperto alcun buco nero né visto alcuna particella che si muoveva in altre dimensioni. Pertanto, non c’è prova che l’immagine del mondo fornita dalla teoria delle stringhe sia corretta o che la gravità sia in grado di propagarsi in altre dimensioni. Al momento non abbiamo idea di quante siano le dimensioni spaziali del nostro universo.

Addirittura potrebbe darsi che l’universo abbia un numero di dimensioni diverso in zone diverse, magari il nostro pezzettino di spazio è tridimensionale, mentre altrove ci sono quattro o cinque dimensioni.

L’unica certezza è che l’universo custodisce ancora un sacco di segreti che aspettano d’essere scoperti. Bisogna solo andare a cercarli nella direzione giusta.

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Possiamo viaggiare più veloci della luce?

D’accordo, forse la risposta è un po’ troppo sintetica.

Ci sono tante cose della fisica su cui non siamo sicuri, ma abbiamo pochi dubbi sul fatto che nulla nell’universo (luce, astronavi, criceti) può muoversi nello spazio più velocemente di quanto non faccia la luce nel vuoto: 300 milioni di metri al secondo.[68]

Per farti un’idea, tieni presente che i criceti vanno a circa mezzo metro al secondo (quando sono di fretta), mentre l’uomo più veloce al mondo corre 10 metri al secondo. La massima velocità raggiungibile da un uomo a bordo di un veicolo terrestre è di 340 metri al secondo. Lo space shuttle in orbita viaggiava a circa 8.000 metri al secondo, circa lo 0,0025 percento della velocità della luce. È molto improbabile che nel corso della tua vita tu possa riuscire anche solo ad avvicinarti alla velocità della luce, intanto però il limite c’è e si tratta di una regola inviolabile, un promemoria costante del fatto che anche in questo strano e meraviglioso universo ci sono dei limiti.

Ci sono pochi dubbi sul fatto che il limite imposto dalla velocità della luce sia reale. La teoria fisica che descrive il fenomeno – la relatività – è stata verificata più volte e con grande precisione. È un principio fondamentale e imprescindibile per tutte le teorie fisiche moderne. Se questo limite non ci fosse, quasi certamente ce ne saremmo accorti. Non importa cosa fai, chi sei o chi conosci: non si può andare a più di 300 milioni di metri al secondo.

Questa velocità massima è una strana caratteristica del nostro universo, che come vedremo produce tante bizzarre conseguenze, dall’impedire qualsiasi tipo d’interazione tra diverse porzioni di universo, all’indurre persone in buona fede a essere in disaccordo riguardo all’ordine in cui gli eventi si susseguono.

Anche se questo limite di velocità viene profondamente venerato dalla fisica moderna, restano ancora molti misteri che sono un rompicapo per gli scienziati. Per esempio: perché deve esistere una velocità massima? E perché è di 300 milioni di metri al secondo e non di 300 trilioni o di 3 metri? È possibile che questo limite cambi? Meglio se allacci bene le cinture, perché ora partiremo a tutta velocità verso uno dei più grandi misteri dell’universo.

Il limite di velocità dell’universo

Quando Einstein ha introdotto l’idea che ci fosse una velocità massima nell’universo, la cosa non sembrava molto intuitiva. Perché, infatti, dovrebbe esserci un limite di velocità? Perché non si può saltare su un razzo, decollare, pigiare l’acceleratore e aumentare la velocità per sempre fino a sfrecciare follemente in mezzo alle galassie? Se lo spazio è vuoto, cosa può impedirci di andare veloci quanto ci pare? Questo aspetto dello spazio vuoto e della possibilità di accelerare all’infinito fa sorgere tanti problemi. Come avresti dovuto imparare dal capitolo 7, lo spazio non è un palcoscenico vuoto in cui puoi sfrecciare a piacimento: è invece un’entità fisica incline a piegarsi, allungarsi e incresparsi. Magari potrebbe essere disturbato dal fatto che ti fiondi irresponsabilmente al suo interno. Per i fisici, uno dei primi indizi del fatto che lo spazio era qualcosa di più che semplice vuoto è stato osservare che esisteva questo limite di velocità.

Che cosa sappiamo, quindi, in proposito? Tanto per cominciare, non è qualcosa che possa bloccarti bruscamente. Se provassi ad andare più veloce della luce, non andresti a sbattere di colpo contro un muro impenetrabile, non ti fermerebbe la polizia galattica, non ti esploderebbe il motore, e il tuo ingegnere di bordo scozzese (quello che tu, con mal garbo, chiami Scotty) non ti urlerebbe addosso dicendo di non sapere se l’astronave ce la farà oppure no.

Ecco cosa succederebbe se ti procurassi un’astronave e la facessi andare al massimo: innanzitutto, prima di avvicinarti alla velocità della luce passerebbe davvero tanto tempo. Anche se riuscissi a mantenere un’accelerazione pari a 10g (10 volte l’accelerazione di gravità, circa 100 m/s^2), che è il massimo sopportabile per poco tempo anche dai più esperti piloti di aerei militari, ti ci vorrebbero mesi per arrivare vicino ai 300 milioni di metri al secondo. Durante tutto questo tempo, saresti schiacciato contro il sedile e non riusciresti neanche a grattarti il naso o ad andare in bagno. Non sarebbe un modo di viaggiare particolarmente piacevole.

Ed ecco cosa succederebbe dopo aver accelerato per tutto questo tempo: non saresti in grado di superare la velocità della luce. Tutto qui. Non succederebbe niente di particolarmente drammatico, perché non riusciresti mai a raggiungerla: certo, andresti sempre più veloce, ma a un certo punto ti accorgeresti che per aumentare di poco la velocità lo sforzo sarebbe sempre più grande. Non importa quanto schiacci il pedale dell’acceleratore o per quanto tempo, non importa che tu mantenga un’espressione molto determinata, non riusciresti mai a superare la velocità di 300 milioni di metri al secondo. Nella prossima pagina, c’è un grafico interessante per i lettori più interessati alla matematica.

Il grafico fa capire che, indipendentemente dall’energia che il motore riesce a generare, la velocità aumenta sempre più lentamente per cui non si riesce mai a raggiungere il limite. Sarebbe come cercare di ritornare alla linea magra e slanciata che avevi all’età di vent’anni: puoi dedicarci una quantità infinita di tempo ed energia, ma non la raggiungerai mai.

È davvero strano che l’universo abbia un limite di velocità. Pensaci: vuol dire che, quando cerchi di accelerare, c’è qualcosa che te lo impedisce anche se non sei soggetto all’azione di altre forze. È un limite asintotico inglobato nella struttura profonda dello spazio e del tempo. Il limite è sempre presente, anche quando cammini lungo un corridoio o quando guidi la tua auto (si spera, ascoltando l’audiolibro, non leggendo al volante). Come forse avrai notato nel grafico, gli effetti sono presenti anche quando si è molto lontani dal limite. Non sono facilmente osservabili, e possono essere del tutto trascurabili, ma comunque ci sono. Ciò significa che la relatività non entra in azione soltanto quando ci si avvicina alla velocità della luce, ma è sempre lì a ostacolare il tuo moto e a intervenire se cerchi di andare troppo veloce. Pensi di riuscire a fare un tiro da tre punti? Sarà meglio che lanci la palla da basket un po’ più forte, perché lo spazio proverà a giocarti un brutto tiro.

Il limite di velocità dell’universo non è una soglia invalicabile o un confine rigido, ma piuttosto una distorsione del comportamento della velocità rispetto a quello che ci si aspetterebbe. Fa parte dello spazio e del tempo, e agisce in modo da limitare tutte le velocità in un modo strano.

E allora?

A questo punto potresti pensare: D’accordo, non posso andare più veloce della luce. E allora? Non intendevo andare a più di cento chilometri orari (ok, diciamo centotrenta).

Questo è vero. Il limite di 300 milioni di metri al secondo non condiziona in alcun modo la nostra vita quotidiana, ma porta a conseguenze profonde nel modo in cui osserviamo l’universo. In particolare, dobbiamo rinunciare all’idea che il tempo e perfino l’ordine con cui gli eventi si susseguono siano uguali per tutti gli osservatori.

È ragionevole supporre che quello che succede succede, e che di fronte a prove evidenti non si può che essere tutti d’accordo nel dire come sono andate le cose. Nel nostro universo, però, non va così. L’ordine degli eventi può risultare diverso a persone diverse, e la causa è proprio il limite di velocità dell’universo.

Per capire davvero come un limite di velocità possa portare a conseguenze tanto strane quando si ha a che fare con lo spazio o quando si osserva il corso degli eventi, immagina una situazione molto comune in cui dai una torcia elettrica al tuo criceto. Anzi, esagera: dagliene due.

Adesso immagina che il tuo criceto punti le torce in direzioni opposte e le accenda entrambe contemporaneamente. Qual è la velocità dei fotoni che escono dalle torce?

Domanda facile, no? La risposta è c: la velocità della luce (la luce è fatta di fotoni, ricordi?). Ogni fotone si muove alla velocità della luce in ciascuna direzione. Se il criceto misurasse la velocità di propagazione rispetto al pavimento, scoprirebbe proprio questo (stiamo dando per scontato che abbia competenze avanzate nel campo della fisica sperimentale).

Tutto giusto, no? Non c’è nulla di controverso qui. Siamo tutti d’accordo sul fatto che, se si accende una torcia (che spara luce), questa luce andrà alla velocità della luce (da cui il nome).

Adesso prova a fare un balzo logico e considera il fatto che il criceto si trova in realtà su un’enorme palla rocciosa chiamata Terra che sta sfrecciando nello spazio. Ora fai un balzo ancora più grande e immagina di fluttuare nello spazio con indosso la tua tuta da astronauta. Davanti a te, la Terra sfila verso destra trasportando il tuo amato criceto munito di pistole sparafotoni (le torce).

Mentre te ne stai a guardare la Terra che si muove verso destra a velocità VTerra, potresti chiederti: con quale velocità vedresti (tu, lettore astronauta) muoversi due fotoni?

Se per Bertha (già, il tuo criceto si chiama così) si muovono alla velocità della luce e tu stai guardando Bertha che ti passa davanti, potresti intuitivamente pensare che le velocità debbano essere sommate. Quindi potresti dire che i fotoni che vanno a destra hanno una velocità c + VTerra, mentre i fotoni che vanno a sinistra hanno una velocità c – VTerra. Ma se c è la velocità della luce, non vorrebbe dire che stai vedendo fotoni che vanno più veloci della luce e fotoni che vanno più lenti?

No! È impossibile, vero? Nulla, neanche la luce può andare più veloce della luce (da cui il nome)! Quindi, che cosa succede davvero?

Innanzitutto, bisogna considerare i fotoni che vanno nella stessa direzione della Terra (cioè verso destra). Stando all’intuito, dovrebbero andare più veloci della luce e invece, per colpa del limite di velocità, non vedresti altro che fotoni che si allontanano da te esattamente alla velocità della luce. L’aspetto curioso è che per Bertha succede lo stesso. Anche se tu e il tuo criceto state andando a velocità diverse, vedete i fotoni che si allontanano da voi alla stessa velocità.

VTerra ± c

Come può non andare contro ogni logica un fatto del genere? In realtà, ciò che succede contraddice soltanto un’idea che ci eravamo fatti. È impossibile negare l’evidenza che il nostro strano universo ci pone di fronte a fenomeni che sono in contraddizione con il nostro intuito.

Altrettanto misterioso è quello che succede ai fotoni che si muovono verso sinistra. Ci si potrebbe ingenuamente aspettare di vederli andare più lenti della velocità della luce (c – VTerra) visto che provengono dalla Terra, che a sua volta si sta muovendo verso destra. D’altro canto, un’altra bizzarra proprietà delle particelle che non hanno massa (come i fotoni) è che nel vuoto viaggiano sempre alla massima velocità consentita. Non rallentano mai.[69]

Quindi la luce va sempre alla velocità della luce indipendentemente da chi la sta misurando e da quanto veloce sta andando. Quando stai galleggiando nel vuoto e stai guardando la Terra che passa, vedresti questi due fasci di fotoni che viaggiano, rispetto a te, esattamente alla velocità della luce. La professoressa Bertha sulla Terra vedrebbe i due fasci che si muovono alla velocità della luce rispetto a lei.

Si tratta di un aspetto strabiliante del limite di velocità dell’universo: si applica alle velocità relative tra gli oggetti, non alle velocità assolute.

Questo perché nel nostro universo non si può parlare di velocità assoluta. Quando sei sospeso nello spazio, potesti ritenere di essere speciale. Potresti crederti un’autorità in grado di assegnare a ciascuno la sua velocità. Nella realtà sia tu sia la Terra vi state muovendo rispetto a qualcos’altro (per esempio il Sole, il centro della galassia o il centro dell’ammasso di galassie in cui ci troviamo). Anche se ci fosse il centro dell’universo (ma non c’è) nessuno conoscerebbe la sua velocità relativa. Pertanto parlare di velocità assoluta non ha senso.

Il limite di velocità dell’universo afferma che nulla può essere visto andare più velocemente della luce. Aspetto molto misterioso e preambolo per altri fenomeni ancora più bizzarri.

Le cose si fanno ancora più bizzarre

Ok, sia tu che il tuo criceto vedete la luce delle torce propagarsi alla stessa velocità, anche se il criceto si sta allontanando da te. Questo è già strano, ma le cose stanno per peggiorare.

Immagina adesso di appendere un bersaglio su entrambi i lati del criceto, e prova a domandarti quale dei due bersagli sarà colpito per primo dai fotoni.

Se lo chiedessi a Bertha, per cui non c’è una direzione privilegiata, ti risponderà che i bersagli saranno colpiti contemporaneamente, visto che si trovano alla stessa distanza.

Ma questo non è quello che vedi TU.

Tu vedi due fotoni che partono dalle torce alla velocità della luce, ma vedi anche Bertha (e i bersagli) che si stanno muovendo. Mentre ciascun fotone si avvicina al suo bersaglio, vedresti uno dei due bersagli che si avvicina al fotone che lo colpirà, mentre l’altro si allontana. L’effetto sarà che il fotone di sinistra colpirà il suo bersaglio prima di quello a destra.

In altre parole, tu e il tuo criceto vedete una sequenza di eventi diversa! Bertha vedrebbe i bersagli colpiti nello stesso istante, tu vedresti la luce che colpisce prima uno dei due. La cosa veramente strana, però, è che avreste ragione entrambi!

Se poi fossero coinvolti anche altri animali domestici, la faccenda si farebbe ancora più strana![70] Supponiamo che nel momento esatto in cui stai scoprendo le bizzarrie dell’universo in compagnia del tuo criceto, il tuo gatto (che chiameremo Larry) stia tornando a casa a bordo della sua astronave (la navicella Erbagatta). Immaginiamo che stia percorrendo una traiettoria uguale a quella della Terra (verso destra), ma che sia più veloce della Terra. Quando Larry guarda fuori dal finestrino, vede Bertha e la Terra che, dal suo punto di vista, si muovono verso sinistra.

Com’è giusto che sia, per rispettare il limite di velocità dell’universo, anche Larry vede i fotoni di Bertha che vanno alla velocità della luce. Visto però che Bertha sta andando a sinistra, Larry vedrà i fotoni che vanno a destra colpire per primi il loro bersaglio.

Adesso abbiamo tre versioni diverse: Bertha vede i due fasci colpire i bersagli contemporaneamente, tu vedi un bersaglio che viene colpito prima dell’altro, e Larry, che forse è anche rimasto sorpreso nel trovarti nello spazio a fare esperimenti di fisica, vede i bersagli colpiti in ordine inverso. E avete ragione tutti!

Non solo dobbiamo accettare il fatto che c’è un limite di velocità nell’universo, ma anche rinunciare all’idea che tutti gli osservatori vedano verificarsi gli eventi negli stessi istanti temporali. Il risultato è che non si può considerare vera l’affermazione, all’apparenza molto ragionevole, secondo cui esiste un’unica descrizione di ciò che accade. Dipende tutto da quale animale domestico si interpella!

La storia è la storia

Tutto questo avrà probabilmente fatto suonare molti campanelli d’allarme nella tua testa. Per prima cosa, abbiamo visto che non esistono un ordine o una storia assoluti degli eventi dell’universo. Persone dotate di senno (e i loro animali domestici) possono fornire testimonianze corrette ma discordanti dello stesso evento!

Pensala così: l’ordine degli eventi cambia, se vengono osservati a velocità diverse. Tu, il tuo criceto e il tuo gatto vedete sequenze differenti perché vi state muovendo a velocità differenti. Questo fenomeno va contro il nostro intuito perché a noi piace pensare che l’universo abbia un’unica storia: una sorta di lista ordinata in senso cronologico, che ci dice quando sono avvenute le cose. Il problema è che nel nostro universo non funziona così. Il fatto che la velocità della luce sia uguale per tutti – dal momento che esiste un limite massimo di velocità – obbliga ad abbandonare il concetto di orologio universale o di simultaneità universale.

Infrangere il nesso di causalità

Fino a che punto ci si può spingere nel riordinare gli eventi? Nell’esempio che abbiamo fatto prima, l’osservatore più veloce è il gatto, che osserva il fascio di fotoni di destra colpire per primo il bersaglio. Che cosa succederebbe se il gatto fosse su un’astronave realmente in grado di oltrepassare il limite di velocità? Procedendo sempre più in fretta, vedrebbe accorciarsi sempre di più l’intervallo temporale tra l’istante in cui i fotoni fuoriescono dalla torcia e quello in cui colpiscono il bersaglio. A un certo punto, il gatto Larry andrebbe così veloce che vedrebbe i fotoni colpire il bersaglio prima di essere usciti dalla torcia!

Ma sarebbe insensato, perché violerebbe il nesso di causalità (l’idea secondo cui gli effetti sono causati dalle cause e non il contrario). In un universo senza causalità, accadrebbero follie: l’acqua bollirebbe prima che il gas sia acceso, i tuoi animali domestici ti rinchiuderebbero nell’armadio per colpe di cui non ti sei ancora reso colpevole. In un universo così bizzarro, sarebbe difficile capire come avvengono le cose e non si potrebbero scrivere leggi della fisica ragionevoli.

Per inciso, è in questo modo che abbiamo effettivamente scoperto che la velocità della luce è una costante universale. Nel 1887, due scienziati che si chiamavano Michelson e Morley hanno fatto un esperimento che somigliava a quello ipotetico del nostro criceto (anche se loro l’hanno fatto senza criceto): hanno prodotto un raggio luminoso e l’hanno suddiviso in due fasci puntati in direzioni ortogonali. Poi hanno misurato il tempo che i due fasci impiegavano per rimbalzare su uno specchio e tornare al punto di partenza. Come Bertha il criceto, anche loro hanno visto che la luce impiegava lo stesso tempo a percorrere il tragitto, indipendentemente dalla direzione. Visto che la Terra si sta muovendo a una ignota velocità rispetto al resto dell’universo, hanno concluso che la velocità della luce è sempre la stessa, a prescindere da quanto sia grande o piccolo il nostro moto relativo.

Alla fine, possiamo concludere che nulla può viaggiare più veloce della luce, altrimenti si giungerebbe a situazioni in cui si infrangerebbe il nesso di causalità (come il fatto che Larry possa vedere i fotoni che colpiscono il bersaglio ancora prima d’essere stati emessi). E non è un reato da poco infrangere il nesso di causalità, neanche per chi ha la fedina penale immacolata. L’universo è tipo da prenderla molto sul serio.

Cause locali

Perché allora deve esistere una velocità massima? Che importa all’universo di quanto possono correre veloce i nostri gatti e criceti? Che utilità può mai avere?

È possibile ricavare questo limite di velocità a partire da qualche principio primo o dargli un senso? Non abbiamo una risposta rapida ed esaustiva che spieghi perché esiste un limite di velocità, ma esiste una buona spiegazione: è utile per avere un universo locale e causale.

Abbiamo già parlato della causalità, e il bisogno che ci sia appare ragionevole. Per « località » intendiamo quell’idea per cui le cose che possono influire su di noi devono essere vicine a noi. Se non esistesse un limite di velocità nell’universo, fenomeni che avvengono in un luogo qualsiasi potrebbero produrre effetti immediati sulla Terra. In un universo del genere, la versione aliena dell’Agenzia per la Sicurezza Nazionale potrebbe in teoria leggere in tempo reale i messaggi che mandi ai tuoi amici (compresi quelli su Snapchat), oppure scienziati alieni potrebbero costruire apparecchiature capaci di uccidere all’istante tutti gli abitanti della Terra. Tuttavia, la presenza di una regola che limita la velocità di qualsiasi cosa (luce, forze, selfie, raggi della morte) fa sì che solo ciò che avviene nel nostro ambiente locale possa avere qualche tipo di collegamento causale con noi.

Se vogliamo un universo in cui non siamo minacciati di morte istantanea da armi aliene di distruzione di massa e in cui sia rispettato il nesso di causa-effetto, non ci resta che accettare alcuni aspetti che possono sembrare un po’ strani, per esempio il fatto che persone e animali possano essere in disaccordo sull’ordine di eventi non vincolati causalmente.

Ma perché proprio questa velocità?

Abbiamo capito che l’esistenza di un limite di velocità serve all’universo per avere località e nesso di causa-effetto.

In fisica, però, accade spesso che nel rispondere a una domanda si trovino altri e più profondi interrogativi: perché si deve rispettare il nesso di causalità? Di certo l’universo non è stato concepito per soddisfare il nostro modo di ragionare molto peculiare.[71] Perché il limite di velocità è proprio questo e non un altro?

Sembra difficilissimo anche solo discutere del perché l’universo sia causale, figuriamoci trovare una risposta soddisfacente. La causalità è talmente radicata nei nostri schemi di ragionamento, che non riusciamo a immaginarci un universo che ne sia privo. Non possiamo usare logica e ragionamento per comprendere un mondo senza logica e in cui il ragionamento è impossibile. È senza dubbio un grande mistero e, visto che la scienza dà per scontate causalità e logica, magari siamo di fronte a un ostacolo inattaccabile con i nostri mezzi. Potrebbe trattarsi di un problema che non risolveremo mai, oppure potrebbe essere inestricabilmente legato alla spinosa questione della coscienza.

È più facile chiedersi: perché il limite di velocità è proprio questo? Nessuna delle nostre teorie fornisce ragioni per cui il valore non possa essere un altro. Un universo causale con una velocità della luce più grande della nostra sarebbe meno locale del nostro; nel caso in cui la velocità fosse più bassa, sarebbe un universo iper-locale. Entrambi gli universi funzionerebbero, perché per la fisica tutte le velocità sono accettabili. Si dà il caso, però, che noi l’abbiamo misurata e abbiamo scoperto che è di 300 milioni di metri al secondo: parecchio veloce in confronto all’esperienza umana, ma molto lenta per le distanze che dovremmo percorrere per spostarci tra le stelle e le galassie.

Per adesso non abbiamo nessuna idea del perché il limite sia proprio questo. Tuttavia, possiamo fare qualche ipotesi.

Potrebbe trattarsi proprio dell’unico valore possibile. Scoprendo perché, potremmo scoprire qualcosa di profondo sulla natura dell’universo e dello spazio-tempo. Se è vero che lo spazio-tempo è quantizzato, la velocità della luce è forse legata al modo in cui l’informazione si propaga attraverso nodi adiacenti. La velocità di propagazione di un’onda lungo la corda di una chitarra dipende dallo spessore e dalla tensione di quest’ultima: magari con la velocità della luce succede qualcosa di simile.

Un giorno forse arriveremo a una teoria unificata, che spieghi perché debba esserci questo limite nella velocità di propagazione di luce e informazione, ma per come stanno adesso le cose, è più probabile che il tuo criceto diventi capace di prepararti la cena.

D’altro canto, potrebbe anche darsi che siano possibili universi con tutte le velocità, da zero a infinito (esclusi). Zero corrisponderebbe a un universo senza interazioni; infinito a un universo non locale. Se così fosse, perché il nostro universo ha proprio questa velocità? Non ne abbiamo davvero la più pallida idea e, se qualcuno afferma il contrario, può essere solo un fisico del futuro che ha viaggiato nel tempo, o qualcuno che soffre di manie di grandezza. In ogni caso, sarebbero persone a cui è meglio se non affidi i tuoi animali domestici.

Forse la velocità della luce è soggetta a una legge locale e non universale, valida solo nella nostra porzione di universo e dovuta al modo in cui si è cristallizzato lo spazio-tempo al termine del Big Bang. In ogni regione dell’universo, la velocità della luce potrebbe essere determinata da processi meccanici quantistici che avvengono in modo casuale. Se così fosse, in altre zone ci sarebbero valori molto diversi. Nessuna di queste idee ha i requisiti necessari per essere sviluppata né tantomeno consente di formulare ipotesi verificabili a livello sperimentale. Però è divertente pensarci.

Passato e futuro

Se non siamo neanche in grado di dire come mai la velocità della luce è quella che è, come facciamo a sapere che in futuro non cambierà o che in passato non sia stata diversa?

Non possiamo certo tornare nel passato per fare esperimenti, però l’universo ci ha messo a disposizione una meravigliosa galleria di antichi eventi astronomici: il cielo notturno.

Non va dimenticato, infatti, che quando guardiamo il cielo, non vediamo quello che sta accadendo adesso, bensì quello che è successo in passato. Più lontano è un oggetto, più tempo impiega la sua luce ad arrivare fino a noi, e più antica è l’immagine che osserviamo. Gli astronomi hanno usato le leggi della fisica – compresa la velocità della luce – per descrivere le orbite, le collisioni e le esplosioni che si vedono in cielo. Non c’è nulla che faccia pensare a una violazione del limite di velocità universale.

Quanto al futuro, è difficile azzardare previsioni. Possiamo fare estrapolazioni che si basano su una storia di quattordici miliardi di anni: sembrano basi solide, ma occorre implicitamente presumere che l’universo continuerà a comportarsi come ha sempre fatto. Sono solo supposizioni, anche perché sappiamo che in passato ci sono stati tanti periodi parecchio diversi tra loro (fase precedente al Big Bang, inflazione successiva al Big Bang, attuale era di espansione). Se affermassimo che di sicuro non cambierà nulla, peccheremmo di presunzione.

Forse, però, potremmo andare su altre stelle

L’idea di poter andare più veloci della luce è certamente molto intrigante. Non tanto perché vogliamo battere i fotoni, ma perché abbiamo l’innato desiderio di esplorare tutto ciò che vediamo. Atterrare su altri pianeti, visitare stelle lontane, incontrare alieni e fare amicizia con i loro buffi animaletti: pochi di noi rinuncerebbero alla possibilità di fare una di queste cose.

Se non vedi l’ora di saltare a bordo della prima navicella spaziale e raggiungere un altro sistema solare o esplorare una galassia vicina, ti rattristerà sapere che il massimo a cui puoi andare è 300 milioni di metri al secondo. Dopotutto, la stella più vicina al nostro sistema solare dista 40.000.000.000.000.000 metri.

Magari stiamo ponendo il problema nel modo sbagliato. Invece di chiederci « Possiamo viaggiare più veloci della luce? », dovremmo chiederci « Possiamo raggiungere una stella lontana in un tempo ragionevole? » In questo caso, la risposta sarebbe molto interessante: « Forse, ma sarebbe parecchio costoso ».

Bisogna ricordarsi che la velocità della luce rappresenta il limite raggiungibile da qualsiasi cosa in movimento attraverso lo spazio. Quest’ultimo, però, non è un astratto sfondo di carta centimetrata, ma qualcosa di fisico e dinamico che ha strane proprietà, inclusa quella di espandersi e contrarsi.

Quest’ultimo aspetto è cruciale: che cosa succederebbe se lo spazio che si trova tra noi e un luogo lontano potesse essere compresso al punto da rendere possibile un viaggio in un tempo ragionevole senza dover andare troppo veloci? Sarebbe fattibile? Forse l’idea giusta è proprio questa. C’è ancora moltissimo da scoprire sullo spazio-tempo, ma sappiamo che può essere distorto e contratto. Purtroppo, per farlo occorre tantissima energia: l’equivalente di quella generata da fantastilioni di ruote messe in movimento da criceti grassottelli che corrono al massimo della loro velocità. Gli scienziati stimano che, per raggiungere un luogo lontanissimo, un motore in grado di comprimere lo spazio divorerebbe una quantità di energia inimmaginabile.

E i cunicoli spaziotemporali?

Un altro modo per accorciare la durata di un viaggio senza dover andare più veloci della luce è utilizzare i wormhole, ovvero i cunicoli spaziotemporali. Non quelli dove allevi i vermi che dai da mangiare alla tua lucertola, ma quelli previsti dalla relatività generale. In circostanze particolari, un cunicolo spaziotemporale può connettere due luoghi distanti dell’universo consentendo di spostarsi da uno all’altro. Nei film di fantascienza, quando si attraversa un cunicolo spaziotemporale si vedono scie luminose, si sentono rumori inquietanti e si perde vergognosamente il controllo della vescica.[72] In realtà, nessuno sa con esattezza quello che potrebbe succedere; forse nulla, come quando si passa attraverso una porta.

Certo, se lo spazio avesse più di tre dimensioni sarebbe possibile che luoghi all’apparenza molto distanti siano invece molto vicini. Supponiamo che il nostro universo sia arrotolato come la carta igienica, con lo spazio avvolto su se stesso in tanti strati. Le cose che si trovano sul nostro stesso foglio sono quelle che ci appaiono vicine, ma potrebbero esserci altri fogli adiacenti raggiungibili attraverso cunicoli spaziotemporali ottenuti forando i vari strati.

I cunicoli spaziotemporali potrebbero sembrare frutto della fantasia, ma in realtà non violano nessuna legge della fisica. Sfortuna vuole, però, che tutti i calcoli facciano pensare che sarebbero molto instabili e che si distruggerebbero praticamente all’istante. Ciò significa che difficilmente, dopo il decollo, avresti il tempo di gustarti le bevande di bordo prima che intorno a te cominci ad andare tutto in pezzi.

Inoltre, non abbiamo la più pallida idea di come si possano costruire, per cui rischieremmo d’iniziare un viaggio senza sapere dove andremmo a finire. Sarebbe come girovagare bendati per Manhattan e salire a caso su automobili guidate da sconosciuti con la speranza di arrivare a Los Angeles.

Teniamo vivo il sogno

Dimentica pure tutte queste considerazioni pratiche – le energie impossibili da ottenere, la mancanza di tecnologie capaci di farci spostare attraverso percorsi distorti e cunicoli spaziotemporali – perché sono solo fastidiosi dettagli che interferiscono con le tue grandiose fantasie di viaggiatore interstellare, fantasie che hai tutto il diritto di nutrire dopo aver letto tante cose sull’impossibilità di viaggiare più veloci della luce.

Le sfide da affrontare prima di essere in grado di comprimere lo spazio o perforare lo spazio-tempo sono enormemente complesse, ma bisogna continuare ad avere fiducia, visto che i fisici hanno portato il problema dei viaggi interstellari da « totalmente impossibile » a « molto difficile e mostruosamente costoso », il che è meglio di niente.

Qualsiasi previsione riguardo al percorso futuro della tecnologia rischia di essere accidentalmente corretta oppure oltremodo ingenua, per cui tanto vale rinunciarci. Il curriculum dell’umanità ci fa, però, sperare in un futuro ricco di meraviglie tecnologiche. Visto poi che non ci sono leggi della fisica che impediscano in linea teorica la possibilità di viaggi interstellari, rimaniamo speranzosi. Che cosa succederà? Non ne abbiamo la più pallida idea.

I muoni lo fanno di continuo!

La fisica impone grande circospezione di fronte alle clausole scritte in corpo piccolo. Ogni volta che una legge di natura presenta qualche via d’uscita, c’è da scommettere che prima o poi ci sarà una particella che se ne approfitterà. Rileggendo le regole con occhio da avvocati, si può notare che il limite di velocità è valido nel vuoto. Come mai si parla di limite « nel vuoto »? Perché la velocità della luce dipende dal mezzo attraverso il quale essa si propaga. La luce nell’aria, nel vetro, nell’acqua o nel brodo di pollo, viaggia più lentamente che nel vuoto. Il motivo è che i fotoni devono perdere un po’ di tempo a interagire con le moleste molecole del brodo di pollo (che chiameremo « brodioni »), per cui la velocità complessiva diminuisce.

Quindi, se ti stai chiedendo se si può viaggiare più in fretta della luce, la risposta dovrebbe essere: « Tecnicamente... sì ». L’inghippo è che si può andare più veloce di quanto non faccia la luce quando passa attraverso un mezzo, ma nel vuoto è sempre impossibile. Per esempio, un muone ad alta energia riesce a passare attraverso un blocco di ghiaccio più velocemente della luce. Quindi tecnicamente siamo di fronte a un « viaggio più veloce della luce », anche se sembra un insoddisfacente cavillo legale.

Questo non ti aiuterà a colonizzare un pianeta distante e a farti venerare come un dio nel tuo sistema solare personale, ma serve a produrre alcune graziose conseguenze. Quando un motoscafo viaggia sulla superficie di un lago più velocemente di quanto non facciano le onde che produce nell’acqua, queste onde si sommano fino a formare una scia. Se un aeroplano viaggia più velocemente del suono, crea nell’aria un’onda d’urto chiamata boato sonico. Ma cosa succede quando un muone viaggia più veloce della luce all’interno di un blocco di ghiaccio? Crea un boato luminoso! Questo fenomeno è noto con il nome di effetto Čerenkov e i pallidi anelli di luce blu che vengono prodotti sono regolarmente usati dai fisici per rilevare queste particelle e misurarne la velocità.

Quindi se l’intero universo venisse all’improvviso riempito di cosmico brodo di pollo (o ghiaccio), diventerebbe tecnicamente possibile viaggiarci attraverso più velocemente della luce emettendo bagliori blu lungo tutto il percorso verso casa.

Riassunto

Possiamo viaggiare più veloci della luce?

Risposta: sì, ma no, ma sì, ma no.

11
Chi sta sparando particelle
superveloci contro la Terra?
In cui apprenderai che lo spazio è pieno di piccoli proiettili

Se una mattina ti svegliassi e scoprissi che la tua casa è stata crivellata di proiettili, probabilmente la considereresti una situazione di emergenza. Di sicuro non riusciresti a mantenere la calma, vestirti e trascorrere la giornata pensando che scienziati poco finanziati verranno a capo di quanto accaduto.

Se però la tua casa fosse la Terra e i proiettili fossero i raggi cosmici, questa circostanza si starebbe verificando proprio in questo momento. Ogni giorno, infatti, la nostra atmosfera viene colpita da milioni di proiettili e, se sommassimo tutta l’energia che trasportano, ne otterremmo di più che facendo scoppiare una bomba atomica.

L’aspetto allarmante della faccenda è che non abbiamo la più pallida idea di cosa (o chi) ci stia sparando addosso.

Non sappiamo da dove provengano esattamente, né perché sono così tanti. Non sappiamo quale sia il processo naturale in grado di generare munizioni tanto energetiche. Potrebbero essere alieni o qualcosa di mai visto prima. La risposta va oltre ogni immaginazione, anche per i nostri fantasiosi scienziati.

Cosa sono dunque questi enigmatici raggi cosmici e perché siamo bombardati da un simile flusso di energia? Trova un rifugio dove puoi continuare a leggere, e imparerai qualcosa in più su questo mistero cosmico.

Cosa sono i raggi cosmici?

Il nome « raggio cosmico » potrebbe erroneamente far pensare a qualcosa di molto intrigante; in realtà non è altro che una particella che proviene dallo spazio. Stelle e altri oggetti emettono in continuazione fotoni, protoni, neutrini e perfino qualche ione pesante.

Il nostro Sole, per esempio, è un gran generatore di particelle spaziali. Oltre ovviamente alla luce visibile per la quale è famoso, il Sole produce anche fotoni ad alta energia (luce ultravioletta, raggi gamma) che sono in grado di penetrare in profondità nel nostro corpo e causare il cancro. Nulla in confronto ai neutrini che provengono dalla fusione che avviene all’interno della fornace solare: ogni secondo, attraverso una superficie pari a quella di un’unghia, ne passano circa cento miliardi. Visto che i neutrini interagiscono molto difficilmente con la materia, non vengono avvertiti e non ce ne dobbiamo preoccupare. Di quei cento miliardi, solo uno in media si accorgerà che tu esisti e urterà una particella del tuo pollice. La maggior parte dei neutrini attraversa tutta la Terra senza interagire con nulla. La cattiva notizia è che non esiste un modo per schermarsi dai fantastiliardi di neutrini che arrivano; la buona notizia è che non fanno alcun male.

Per il delicato equilibrio dei meccanismi che consentono la vita umana, sono molto più pericolose particelle pesanti ed elettricamente cariche come i protoni o i nuclei atomici. Un protone ad alta energia può penetrare nel nostro corpo producendo una distruzione significativa. Gli astronauti devono prendere opportune contromisure ed essere sempre schermati, non basta certo spalmarsi di crema solare. Oltretutto, come qualsiasi altra enorme palla di fuoco, il Sole è in grado di fare cose imprevedibili. Per la maggior parte del tempo ribolle tranquillamente a qualche fantastilione di gradi, ma può capitare che sia soggetto a indigestioni che producono eruzioni solari. Queste eruzioni sparano filamenti di plasma nello spazio profondo e rilasciano dosi massicce di particelle pericolose. Chiunque debba restare per un po’ nello spazio deve conoscere bene le previsioni del tempo solare e proteggersi alla svelta nel caso in cui abbia luogo una di queste eruzioni.

Ci sono, dunque, miliardi e miliardi di particelle spaziali che colpiscono continuamente la Terra e che trasportano un sacco di energia.

Per nostra fortuna, stiamo in superficie[73] e l’atmosfera terrestre ci fornisce una protezione adeguata. Quasi tutte le particelle ad alta energia che colpiscono la Terra urtano violentemente contro le molecole di aria e gas che ricoprono il nostro pianeta, perciò le molecole si spezzano e producono una sorta di enorme grandinata fatta di particelle a energia più bassa. Ti sarà capitato di chiederti quale sia la causa dell’aurora boreale o australe (ovvero le luci che appaiono al Polo Nord e al Polo Sud): be’, i bagliori luminosi sono causati dai fasci di raggi cosmici che vengono deviati verso i poli dal campo magnetico della Terra.

La protezione dell’atmosfera funziona solo se si rimane vicini alla superficie. Se passi tanto tempo lontano da essa, perché magari sei un assistente di volo o un passeggero clandestino nella stiva di un aereo, sei soggetto a dosi di radiazioni maggiori. Sfortunatamente, in questo caso spalmarsi di crema solare serve a poco.

Con quale velocità viaggiano queste particelle? Qui sulla Terra, il record di produzione di particelle veloci è del Large Hadron Collider, che riesce a farle andare a circa dieci teraelettronvolt (10^13 eV). Il prefisso « tera- » fa sempre una certa impressione, ma non è nulla in confronto all’energia delle particelle che arrivano dallo spazio. La Terra viene colpita di continuo da particelle che hanno una energia di dieci teraelettronvolt: più o meno, una al secondo per ogni metro quadro. Se ti sembra tanto, hai ragione. È come, se attraverso ogni metro quadro, passasse uno scuolabus molto lento ogni secondo.

Ci sono però raggi cosmici che colpiscono la Terra a energie anche più grandi. Molto più grandi. In confronto, le particelle accelerate dall’LHC sembrerebbero dei bebè che gattonano al rallentatore attraverso il burro d’arachidi. La particella più energetica che è stata vista colpire la Terra aveva un’energia pari a 10^20 eV, ovvero quasi più di due milioni di volte l’energia della particella più veloce prodotta dall’LHC. Andava così veloce che i fisici l’hanno soprannominata la particella Oh-My-God e, quando dei fisici impassibili si mettono a urlare come ragazzini stupefatti, vuol dire che sono davvero impressionati.

Particelle dotate di un’energia così folle sono incredibilmente frequenti. Sulla Terra ne arrivano quasi 500 milioni ogni anno, il che vuol dire più di un milione al giorno, ovvero trecento al secondo. Proprio adesso, mentre stai leggendo questa frase, oltre mille di esse (l’equivalente in energia di due miliardi di bus che vanno lenti) stanno colpendo la Terra.

Il vero mistero è che non sappiamo cosa, nell’universo, sia in grado di produrre particelle con un’energia del genere.

È proprio così: veniamo bombardati ogni giorno da milioni di particelle estremamente energetiche e non abbiamo la più pallida idea di cosa possa averle generate. Se provi a chiedere agli astrofisici[74] di fare un’ipotesi su quale possa essere la più grande velocità assoluta raggiungibile da una particella (in base a quello che sappiamo adesso), potranno: a) ringraziarti per aver fatto una domanda così brillante; b) uscirsene con spiegazioni deliranti su particelle emesse da esplosioni di supernove o fiondate da buchi neri; c) tagliare corto. Per quanto ne sappiamo al momento sull’universo, l’energia massima che una particella può avere nello spazio è di circa 10^17 eV, ovvero più di mille volte meno dell’energia delle particelle che colpiscono quotidianamente la Terra.

Immagina che il tuo concessionario Ferrari ti dica che l’auto che ti ha appena venduto riesce a superare i 300 chilometri orari e poi ne vedi alcune che arrivano a superare i 300.000 chilometri orari. La conclusione che trarresti è che anche i maggiori esperti di Ferrari al mondo sono in realtà dei ciarlatani.[75]

Con i raggi cosmici, è più o meno la stessa cosa. Alcuni colpiscono la Terra con un’energia che non può essere giustificata da nulla di quel che conosciamo, e ciò significa solo una cosa: nell’universo deve esistere qualche tipo di oggetto sconosciuto di cui non sappiamo niente.

Fare questa affermazione sembra una cosa ovvia e logica, ma resta il fatto che è sbalorditiva. Nonostante tutto ciò che conosciamo dell’universo (circa il 5 percento), nonostante secoli di osservazioni e l’utilizzo di strumenti d’incredibile precisione, ci sono ancora cose che non siamo in grado di vedere. Qualunque sia il generatore di questi raggi cosmici dall’energia folle, rimane avvolto nel mistero. L’aspetto curioso è che le particelle che ci vengono mandate forniscono indizi riguardo a dove potrebbe trovarsi la sorgente e cosa potrebbe essere. Da questo punto di vista, il rompicapo potrebbe essere subito risolto.

Da dove vengono?

Se un’entità misteriosa ti bersagliasse di oggetti superenergetici (palle di neve, cereali alla frutta, caccole ecc.), la prima cosa che faresti sarebbe probabilmente guardarti intorno per capire da dove arrivano. Queste particelle velocissime provengono da qualche stella? Da un buco nero supermassivo? O da un pianeta alieno? Magari provengono da tutte le direzioni. Fortunatamente, maggiore è l’energia di una particella, più rettilinea sarà la traiettoria che punterà in direzione della partenza. Se la particella è molto energetica, non subisce grandi deflessioni per via di eventuali campi gravitazionali o magnetici che possono trovarsi tra noi e la sorgente.

Per capire da dove possono venire, servirebbe fare delle rilevazioni. È un po’ come individuare un cecchino appostato su un tetto: più colpi spara e più è facile capire dove si trova. La difficoltà nell’individuare la sorgente è dovuta al fatto che la Terra è un bersaglio piuttosto grosso: anche se viene colpita milioni di volte al giorno, posizionare in modo corretto un rilevatore e catturare le particelle al momento giusto può essere difficile. È vero, ne arrivano centinaia al secondo, ma la Terra è molto vasta, per cui quello che conta è il numero di raggi cosmici che può colpire un’area delle dimensioni di un tipico rilevatore. L’unità di misura da considerare è, dunque, il chilometro quadrato.

Particelle con energie paragonabili a quelle dell’LHC (10^13 eV) arrivano sulla Terra con una frequenza di mille per chilometro quadrato al secondo. Particelle con energie assurde (10^18 eV) arrivano più raramente, circa una per chilometro quadrato all’anno. I veri gioielli, ovvero particelle che superano i 10^20 eV, sono molto rare: più o meno, una per chilometro quadrato ogni mille anni.

Ciò rende molto difficile capire da dove arrivino. Pur costruendo un rilevatore molto grande, la probabilità che riesca a catturare una di queste particelle ad alta energia è molto bassa. Fino a oggi, anche considerando tutti i telescopi per raggi cosmici che sono stati costruiti, si è riusciti a rilevare solo una manciata di queste particelle superveloci, e non si è stati in grado di localizzare con precisione nessuna sorgente di proiettili spaziali impazziti.

La buona notizia è che abbiamo un indizio importante: non possono venire da molto lontano. La luce visibile è in grado di viaggiare per miliardi di chilometri senza essere deviata o rallentata, per questo possiamo vedere galassie lontanissime. Se teniamo conto del fatto che è già difficile vedere le montagne in fondo al bacino di Los Angeles, ci rendiamo conto di quanto sia incredibile poter scrutare così tanto in profondità attraverso lo spazio.[76] Lo spazio ci sembra trasparente e vuoto, e invece una particella ad alta energia e elettricamente carica si muove al suo interno come noi faremmo in una stazione ferroviaria affollata. La luce che compone l’immagine dell’universo primordiale, la radiazione cosmica di fondo, riempie tutto lo spazio di una sorta di nebbia fotonica. I raggi cosmici interagiscono con questa nebbia e vengono rallentati piuttosto rapidamente. Una particella con un’energia di 10^21 eV riuscirebbe a viaggiare solo per pochi milioni di anni luce e poi sarebbe rallentata a energie inferiori a 10^19 eV.

Questo significa che le particelle ad alta energia che riusciamo a vedere devono per forza provenire da una sorgente relativamente vicina, altrimenti sarebbero rallentate dalla nebbia fotonica. L’unica possibilità che hanno di provenire da un luogo lontano è quella di partire con energie assurdamente elevate. Se escludiamo questo caso – che sembra del tutto assurdo – non resta che concludere che, ovunque si trovi la sorgente,[77] deve trovarsi in qualche galassia vicina. È piuttosto utile saperlo, visto che consente di escludere un’enorme porzione di spazio, ma è anche piuttosto inutile perché il volume che rimane da considerare resta comunque gigantesco.

Insieme, questi indizi ci dicono che possiamo essere certi nell’affermare quanto segue:

Tanti indizi fanno una prova cosmica, per cui siamo indotti a credere che ci siano nuove scoperte da fare nell’universo.

Come facciamo a vederle?

Quando una particella molto veloce colpisce la parte superiore dell’atmosfera, non arriva (per fortuna) sulla superficie della Terra senza prima urtare contro moltissime molecole di aria e gas. Se una particella con un’energia di 10^20 eV si scontra con una molecola dell’atmosfera, si divide in due particelle, ciascuna con metà energia, che urtano a loro volta altre molecole creando quattro frammenti con un quarto di energia, e così via. Alla fine, si ottengono miliardi di particelle con energie dell’ordine di 10^9 eV che inondano con un bagliore la superficie della Terra. Una tipica cascata di particelle può diffondersi per circa uno o due chilometri ed è principalmente formata da fotoni ad alta energia (raggi gamma), elettroni, positroni e muoni. Per quanto ne sappiamo, è quello che succede quando una particella con elevata energia colpisce la Terra: si genera un’estesa pioggia di energia.

Per rilevare una pioggia che si estende per oltre un chilometro, occorre un telescopio molto grande, che però per fortuna non deve necessariamente occupare con continuità tutto lo spazio. Nessuno potrebbe costruire un rilevatore di particelle grande più di un chilometro. Si prende, quindi, un pezzo di terra e lo si ricopre di rilevatori di particelle più piccoli. L’osservatorio Pierre Auger in Sud America è fatto esattamente così: su una superficie di 3000 chilometri quadrati di terreno, ci sono 1600 rilevatori e oltre 10.000 mucche.[78]

Questo rilevatore funziona molto bene per vedere cascate di particelle generate da raggi cosmici ad altissima energia. Sembra una gran cosa, e in effetti lo è. Non dimentichiamoci, però, che su ogni chilometro quadrato arriva una particella superenergetica ogni mille anni. Se si riuscissero a coprire 3000 chilometri quadrati, se ne potrebbe vedere qualcuna ogni anno e dopo decenni di osservazioni non è detto che si risolva il mistero.

Cos’altro potremmo fare? Per circoscrivere la zona di ricerca e capire qualcosa sull’origine di queste particelle, servono molte rilevazioni, ma costruire un telescopio più grande usando la tecnologia che abbiamo a disposizione sarebbe parecchio dispendioso. Il telescopio Auger è costato circa cento milioni di dollari.

Un’idea interessante sarebbe quella di cercare qualcosa che è già stato costruito per altri scopi e adattarlo come telescopio per raggi cosmici.[79] Se si dovesse descrivere il perfetto rilevatore di raggi cosmici, probabilmente si elencherebbero le seguenti caratteristiche:

- copertura di tutto il pianeta
- costo minimo
- impianto audio di prima scelta
- già costruito e messo in opera.

Prima di prenderci in giro per l’assurdità di queste specifiche tecniche, fermati un attimo ad analizzarle. Esiste una rete costituita da rilevatori di particelle che siano sparpagliati in tutto il pianeta e restino inutilizzati per gran parte della giornata? Se hai appena cercato di chiedere a Google usando il tuo cellulare, sei più vicino alla risposta di quanto non immagini.

Si dà il caso che le telecamere digitali dei cellulari possano funzionare anche come rilevatori di particelle. La stessa tecnologia che li rende così insostituibili quando si tratta di fare una foto a un sushi o all’ultima performance dei tuoi figli (hai davvero dei figli fantastici) fa sì che riescano a rilevare la pioggia di particelle generata da un raggio cosmico ad alta energia che penetra nell’atmosfera.

I cellulari sono ovunque. Mentre scriviamo questo libro, ce ne sono più di tre miliardi in funzione, sono programmabili, collegati a Internet e al sistema GPS, e restano inutilizzati per tutta la notte. Installando un’app che trasforma la telecamera in rilevatore di particelle, ogni telefonino potrebbe entrare a far parte di un telescopio per raggi cosmici che sarebbe uno strumento distribuito, autofinanziato e globale. Di recente, qualche scienziato ha fatto notare che se un numero sufficiente di persone (qualche decina di milioni) usasse questa app durante la notte, quando i cellulari non sono in funzione, la rete risultante sarebbe in grado di rilevare molti eventi generati da raggi cosmici altrimenti invisibili.[80] Maggiore sarebbe il numero di partecipanti, più estesa sarebbe la rete e più numerosi sarebbero gli eventi rilevati. Potresti esserci anche tu! Hai sempre desiderato diventare astrofisico e, se quest’idea assurda funzionasse, potresti contribuire a risolvere uno dei più grandi misteri dell’universo.

Cosa potrebbero essere?

Quando diciamo che gli astrofisici non sanno spiegare l’origine della grande energia di queste particelle, intendiamo dire che non riescono a giustificarla sulla base degli oggetti conosciuti. Se invece fossero liberi d’inventare nuovi tipi di oggetti in grado di generare particelle altrettanto energetiche, traboccherebbero di idee divertenti.

Gli astrofisici sono persone creative, e la storia della nostra esplorazione spaziale dimostra che l’universo sa essere addirittura ancora più creativo. Ecco alcune idee con cui si potrebbero spiegare i raggi cosmici, ma molto probabilmente nessuna di esse è corretta e la verità potrebbe essere molto più strabiliante delle congetture formulate da questi scienziati pazzi.

Buchi neri supermassivi

Secondo una spiegazione che è stata molto in voga per tanti anni, le particelle ad alta energia sarebbero state create da buchi neri potentissimi situati al centro delle galassie. Questo tipo di buchi neri ha masse più grandi di migliaia o forse milioni di volte rispetto a quella del nostro Sole. In una zona distinta da quella in cui si trova la materia già catturata all’interno del buco nero,[81] c’è una grande massa di gas e polvere che vortica tutto intorno in attesa di essere attratta verso il centro. Tutta questa materia è sottoposta a forze tremende, ed è stato osservato che genera un’incredibile quantità di radiazioni. La manciata di raggi cosmici ad alta energia osservati in decenni di rilevazioni, però, non sembra provenire dalle regioni di spazio in cui si trovano questi nuclei galattici attivi. Ciò fa supporre che non si tratti della spiegazione giusta, aprendo la strada a idee più stravaganti.

Scienziati alieni

Alcuni scienziati si chiedono se siamo l’unica specie intelligente che stia studiando la materia cercando di romperla in tanti piccoli pezzettini. Che succederebbe se gli alieni – esatto, intendiamo proprio esseri extraterrestri intelligenti – avessero costruito un acceleratore di particelle abbastanza grande da disintegrare le cose a un livello di gran lunga superiore a quel che siamo in grado di fare noi? I raggi cosmici superenergetici che vediamo potrebbero semplicemente essere il loro scarto, l’inquinamento generato dai loro esperimenti. Visto che stiamo parlando di alieni, prova a considerare un’ipotesi ancora più assurda e divertente: che succederebbe se si scoprisse che le particelle provengono da una zona ben precisa, per esempio un pianeta abitabile in orbita intorno a una stella vicina? Sarebbe senza dubbio una scoperta straordinaria.

Matrix

Ed ecco che l’idea si fa ancora più folle. Secondo alcuni scienziati, il nostro universo non è altro che una simulazione all’interno di un enorme computer cosmico. Alcuni esseri in un meta-universo più grande stanno facendo esperimenti usando il nostro universo. Come potremmo capirlo?[82] Questa simulazione potrebbe avere qualche problema tecnico a causa delle limitazioni del computer che sta facendo girare il programma del nostro universo.[83] Se la simulazione viene effettuata dopo aver suddiviso l’universo in giganteschi cubi e facendo dei cicli all’interno di ciascuno di essi, si otterrebbero strani risultati quando si descrivono oggetti che si muovono molto in fretta attraverso tanti cubi. Detto altrimenti: trovare traiettorie ripetute di raggi cosmici superenergetici potrebbe dimostrare che il nostro universo è una simulazione.

Una nuova forza

Attualmente si sta cercando di dare un senso a queste particelle ricorrendo a tutti gli oggetti cosmici e tutte le forze che la fisica ci mette a disposizione come in una cassetta degli attrezzi. Se però siamo ancora senza una spiegazione, potrebbe esserci un’altra possibilità, una possibilità esaltante e intrigante: forse queste particelle sono l’effetto di qualche nuova forza misteriosa. Se una simile forza esiste ed è responsabile di questi raggi cosmici, deve anche esserci una ragione per cui non osserviamo altri effetti in altre circostanze. La recente scoperta del fatto che il 68 percento di tutta l’energia è energia oscura dimostra che non è irrealistico immaginare che possano esistere ancora forze ignote che agiscono su scala universale. Magari queste particelle sono una testimonianza dell’esistenza in natura di una forza completamente nuova.

La buona e vecchia fisica

Naturalmente è anche possibile che la risposta sia piuttosto banale e non conduca a nessuna sconvolgente scoperta sulla natura dell’universo. Potrebbe essere una fase ancora sconosciuta nel ciclo di vita delle stelle, oppure qualche altro oggetto astronomico. Un particolare che può essere interessante per gli studiosi di stelle, ma che non spiegherebbe nulla di profondo. Teniamo vivo il sogno.

Messaggeri cosmici

Probabilmente hai vissuto finora senza sapere che sei bombardato senza sosta da proiettili spaziali superenergetici. Se non avessi letto questo capitolo, avresti continuato a vivere la tua vita felice, beatamente inconsapevole del fatto che là fuori c’è qualcosa di strano che ti sta sparando addosso e che nessuno ha idea di cosa, o di chi, si tratti.

Be’, ormai è troppo tardi. Come hai imparato nel capitolo 8, non puoi tornare indietro nel tempo. Adesso che lo sai, puoi usare la tua conoscenza per osservare un po’ di più il cielo e ricordarti che l’universo è ancora pieno di misteri irrisolti.

Invece di raffigurare i raggi cosmici come proiettili sparati per farti male, puoi considerarli dei messaggeri. Pensaci: viaggiano per miliardi e miliardi di chilometri, e ci portano informazioni su qualcosa di nuovo e folle che non abbiamo mai visto né immaginato prima. Sono la prova dell’esistenza di un processo che coinvolge enormi energie e magari forze sconosciute, misteriosi meccanismi cosmici o forme di vita aliena. Potrebbero portare a scoperte straordinarie.

E questo è un proiettile che non ti conviene certo schivare!

12
Perché siamo fatti di materia
e non di antimateria?
La risposta non sarà antipatica

La matematica e la fisica hanno un rapporto molto stretto. Ciò significa che in genere vanno molto d’accordo, come compagni di stanza di lunga data, ma qualche volta litigano per un avanzo in frigorifero.[84]

Per fare un esempio, la fisica dipende dalla matematica per poter esprimere le sue leggi, come E = mc^2, e per fare calcoli complicati del tipo « qual è la fetta di torta più sottile che posso tagliare senza che nessuno se ne accorga? » La matematica è il linguaggio della fisica nella stessa misura in cui l’inglese è la lingua di Shakespeare. Se non si conosce la matematica, leggere un sonetto di fisica sarebbe piuttosto faticoso.[85] A essere sinceri, pur conoscendo la matematica, non sempre si riescono ad apprezzare poesie scritte dai fisici.

D’altra parte, la matematica deve fare affidamento sulla fisica per poter fornire qualcosa di utile. Senza la fisica, sarebbe limitata a una serie di concetti astratti come i numeri immaginari e i rimborsi delle tasse. La fisica ha il potere di eccitare i matematici, sottoponendo loro nuovi tipi di problemi. Per esempio, molte nuove idee matematiche sono state sviluppate a partire dalla teoria delle stringhe, la teoria fisica candidata a essere quella definitiva.

Ci sono poi situazioni in cui il nostro intuito non è altro che un ostacolo alla comprensione del mondo fisico. In questi casi, è meglio affidarsi alla matematica e farsi guidare da lei. Come quando si cerca di capire il bizzarro comportamento delle particelle quantistiche o i moduli delle tasse. In situazioni del genere, si può solo seguire la matematica e vedere dove porta. Se si maneggiano correttamente i numeri, si può stare certi che la matematica è in grado di descrivere la realtà molto meglio di quanto non possa fare l’intuito. I risultati possono sembrare insensati – come il fatto che le particelle quantistiche possono comparire oltre barriere impenetrabili, o che devi ricevere dodici quadrilioni di dollari come rimborso delle tasse – ma se la matematica è corretta, allora sono veri.

Non sempre, però. A volte capita che la matematica faccia previsioni insensate da un punto di vista fisico e, in questo caso, vanno scartate. Mettiamo, per esempio, che tu abbia aperto una fabbrica di dolci e che voglia provare un nuovo sistema di consegne a domicilio basato sul lancio di torte al cioccolato come proiettili. Qual è la velocità con cui bisogna sparare le torte per far sì che atterrino esattamente di fronte alla porta di casa di ogni cliente? Per trovare il risultato e scoprire velocità di uscita e angolo di lancio del cannone, occorre risolvere un’equazione più o meno come questa: y = ax^2 + bx + c. Visto che l’equazione contiene il termine x^2, ci sono due soluzioni che porteranno la torta nello stesso posto.

Una delle due rappresenta la soluzione fisica, grazie alla quale sarà possibile sparare la torta e farla arrivare perfettamente a destinazione. La seconda soluzione fornirà una risposta senza senso: ti dirà che la velocità iniziale deve essere negativa e che, quindi, dovresti sparare la torta all’indietro e direttamente verso il pavimento. Questa è una soluzione matematicamente corretta, ma che non va d’accordo con la fisica. Salta fuori perché l’approccio matematico al problema non tiene conto dei vincoli fisici del sistema, come il fatto che le torte non possono volare attraverso il terreno. Andrebbero poi valutati tutti i problemi di sicurezza che si avrebbero riempiendo il cielo di torte al cioccolato, ma in questo libro ci interessa parlare solo di fisica.

In qualche caso – come la fallimentare idea delle torte proiettile – è ovvio che la prima soluzione può funzionare, mentre quella con velocità negativa dev’essere ignorata. I fisici ormai ci sono abituati e di norma scartano soluzioni non fisiche considerandole artifici matematici che non portano a una reale comprensione di qualche aspetto dell’universo.

Fate attenzione, però, cari fisici compiaciuti (e imprenditori dolciari), perché a volte capita che gli artifici matematici possano rivelarsi reali, e il premio Nobel (insieme a tanti soldi) potrebbe essere dietro l’angolo. In questo capitolo parleremo di come una soluzione negativa abbia condotto alla scoperta delle antiparticelle e dell’antimateria e di come restino ancora oggi irrisolte tante domande, a distanza di quasi un secolo da quando è stata divorata l’ultima briciola della torta al cioccolato del vincitore del premio Nobel.

Particelle specchio

La faccenda delle antiparticelle è iniziata quando un fisico di nome Paul Dirac stava studiando un’equazione che descrivesse il moto di elettroni che sfrecciavano ad altissima velocità in modo coerente con la meccanica quantistica.

Fino ad allora, i fisici avevano trovato equazioni in grado di descrivere bene i pigri elettroni che si muovevano lentamente. Tutto questo succedeva all’inizio del XX secolo, quando la meccanica quantistica aveva rappresentato una rivoluzione, portando a una riformulazione totale nel modo di descrivere la natura su scala microscopica. La meccanica quantistica aveva obbligato i fisici ad abbandonare semplici presupposti di base riguardo al mondo, come il fatto che le cose non possono trovarsi contemporaneamente in due posti diversi, o che effettuando in modo identico lo stesso esperimento si arrivi sempre agli stessi risultati. Bum! Roba da far scoppiare la testa.

Per ben due volte all’inizio del XX secolo, i fisici hanno mandato in frantumi la nostra semplicistica percezione dell’universo. Al culmine della follia a cui si è giunti con la meccanica quantistica, è arrivata la rivoluzione della relatività, che ha dimostrato come il limite di velocità dell’universo (vedi capitolo 10) ci imponga di abbandonare per sempre tanti concetti a cui eravamo affezionati, come la bizzarra idea che il tempo sia universale e che le persone debbano essere sempre d’accordo sull’ordine in cui si verificano gli eventi.

Dirac prese queste due folli teorie matematiche – ciascuna delle quali descriveva in modo corretto alcuni aspetti della fisica che andavano contro l’intuito – e si domandò: « Che succede se provo a metterle insieme? » Se la sua speranza era di trovare qualcosa di ancora più folle, gli è certamente riuscito.

Ha sviluppato allora un’equazione (fantasiosamente detta equazione di Dirac) che descriveva il comportamento di elettroni molto veloci, mettendo d’accordo sia la meccanica quantistica sia la relatività. Era molto bella ed elegante e sembrava che funzionasse tutto, tranne un piccolo problema.[86]

Dirac aveva notato che l’equazione funzionava bene per i consueti elettroni carichi negativamente, ma altrettanto bene anche per elettroni con carica elettrica opposta.[87] In altre parole: l’equazione suggeriva che le leggi della fisica sarebbero andate bene anche per descrivere elettroni carichi positivamente, che lui ha chiamato antielettroni. Queste particelle erano per certi versi proprio come gli elettroni normali: avevano la stessa massa ed erano descritti dalle stesse proprietà quantistiche. Semplicemente, avevano carica elettrica opposta. Questo era un enigma, perché nessuno aveva mai visto particelle del genere.

Qualcun altro sarebbe stato tentato di scartare questa soluzione in quanto artificio matematico, una soluzione negativa che andava ignorata. Dirac, invece, ne è rimasto affascinato. E se era qualcosa d’importante e non solo una bizzarria della matematica? Dopotutto, quale legge fisica proibiva l’esistenza degli antielettroni? Nessuna.

Dirac allora ha studiato meglio le equazioni ed è andato addirittura oltre, suggerendo che tutte le particelle avessero un’antiparticella corrispondente.

Quindi ha fatto molto più che predire l’esistenza di una nuova particella: ha predetto un intero nuovo tipo di particella. Certo non un’idea da poco. Sembra incredibile, ma ogni particella ha una sua omologa opposta, come nei film in cui il protagonista ha un gemello diabolico. Nel caso di una particella, la sua antiparticella non differisce solo per la carica elettrica ma anche per le cariche relative alle forze nucleari debole e forte. Se fossimo in un film, vorrebbe dire che se il gemello buono fosse alto, grasso, bruno e ghiotto di cioccolato fondente, il gemello cattivo sarebbe basso, magro, biondo e amante del cioccolato bianco (malvagio!).

Sembra una follia, ma è vero; gli scienziati sono riusciti a vedere le antiparticelle molte volte. Poco dopo che Dirac ha proposto la sua idea, l’antielettrone (in seguito ribattezzato positrone) è stato rilevato e oggi c’è la conferma che quasi tutte le particelle cariche conosciute hanno un’omologa antiparticella. Si possono produrre facilmente facendo urtare tra loro particelle normali, e ogni anno al CERN viene generato qualche picogrammo di antiparticelle. I raggi cosmici provenienti dallo spazio contengono a volte antiparticelle o ne creano qualcuna per un breve arco di tempo quando collidono con l’atmosfera.

Le antiparticelle sono un buon esempio delle simmetrie che si riscontrano nella fisica su scala microscopica. Particella e antiparticella possono essere considerate come le due facce della stessa medaglia più che come due entità non correlate tra loro. Bisogna poi tener presente che ci sono altri casi in cui compaiono particelle che possono essere considerate copie l’una dell’altra. Ogni particella di materia ha due cugini più pesanti; per esempio, l’elettrone ha il muone e la particella tau, che hanno quasi le stesse proprietà quantistiche (stessa carica e stesso spin), ma una massa più grande. Quindi si può dire che l’elettrone è replicato in due modi diversi: nei suoi cugini pesanti e nella sua antiparticella. Naturalmente, anche i cugini hanno le proprie antiparticelle.

E potrebbe non finire qui! Secondo una teoria detta supersimmetria, ogni particella possiede una ulteriore tipologia di particella affine: una superparticella simile all’originale (stessa carica e forse stessa massa), ma con spin quantistico differente. L’universo è pieno di case degli specchi come quelle dei luna park, che riflettono e deformano la fisionomia delle particelle in tanti modi diversi.

A questo punto non ci resta che porci altre domande: perché le nostre particelle devono avere queste gemelle malvagie?[88] E perché se ne vedono così poche?

Annichilazione di antiparticelle

Come per tutte le cose di cui si parla nei film di fantascienza, anche nel caso dell’antimateria è possibile che ci siano molti luoghi comuni. Capita per esempio di sentir dire che una particella esplode quando tocca la sua antiparticella. Ridicolo, no?

E invece succede esattamente così.

Quando una particella e una sua antiparticella gemella s’incontrano, non si limitano ad abbracciarsi e mettersi comode: si disintegrano completamente l’un l’altra. Le particelle spariscono e le loro masse vengono convertite totalmente in una particella mediatrice di forza come un fotone o un gluone. Questo fenomeno prende il nome di « annichilazione ». Delle due particelle non resta più alcuna traccia. Il processo avviene non solo quando un elettrone incontra un positrone, ma anche quando un quark incontra un antiquark o un muone un antimuone. Nel momento in cui una particella incontra la sua gemella malvagia, si assiste a un dramma e a un enorme lampo di energia. In questo caso, la storia da film di fantascienza è proprio vera anche se sembra folle!

Non è certo cosa da poco, visto che la massa racchiude in sé un’enorme quantità di energia. Albert Einstein ha stabilito che la massa e l’energia sono legate tra loro dalla famosa equazione E = mc^2. È importante notare che in questa equazione la velocità della luce c – che già di per sé ha l’enorme valore di 300 milioni di metri al secondo – compare elevata al quadrato. Quindi, anche poca massa porta con sé tantissima energia. Quando due particelle si annichilano totalmente, viene rilasciata una grande quantità di energia. Per la precisione, un singolo grammo di antiparticelle combinato con un grammo di particelle normali avrebbe più forza esplosiva di quaranta chilotoni, ovvero più del doppio della potenza delle bombe atomiche sganciate dagli Stati Uniti durante la Seconda guerra mondiale. Una normale uvetta passa pesa più o meno un grammo, per cui un’uvetta più un’antiuvetta costituirebbero un’arma disidratata di fruttazione di massa.

Il concetto di annichilazione potrebbe sembrare strano visto che non capita tutti i giorni di vedere oggetti che si trasformano in accecanti lampi di energia.[89] Ma cosa significa che due oggetti si annichilano? Che si avvicinano fino a toccarsi e poi bum, si trasformano all’improvviso in energia pura?

Innanzitutto, va ricordato che queste particelle sono oggetti della meccanica quantistica e non possono essere considerate come tante piccole palline. In alcune circostanze, può far comodo visualizzarle come palline, mentre in altre è meglio immaginarle come delle onde, anche se entrambi i paragoni sono goffi e a volte inappropriati. Un po’ come quel tuo zio al picnic che la tua famiglia organizza ogni anno.

Quando due particelle arrivano abbastanza vicine, non si può dire che si tocchino visto che non hanno una vera superficie. È più corretto pensare che avvenga una sorta di fusione delle loro proprietà quantomeccaniche e che, di conseguenza, si arrivi alla scomparsa delle particelle e alla trasformazione in una diversa forma di energia, per lo più fotoni. A partire da questa energia – in funzione anche di quant’altra energia è stata introdotta nel processo – si possono generare anche altre particelle. È esattamente ciò che accade quando si fanno scontrare particelle nel Large Hadron Collider: si generano nuovi tipi di particelle a partire da particelle ordinarie.

In altri termini, tutte le interazioni tra particelle possono essere viste come annichilazioni delle particelle originarie seguite dalla creazione di nuove particelle. Ciò che cambia nel processo tra particelle e antiparticelle è che, avendo cariche di segno opposto, sono l’una l’immagine speculare dell’altra. La carica opposta le rende reciprocamente attrattive e aumenta la probabilità che si struscino l’un l’altra. Essendo poi perfettamente complementari, possono annichilarsi per diventare qualcosa di elettricamente neutro come un fotone.

Un altro aspetto di cui tener conto è che, quando le particelle interagiscono (o si strusciano), alcune grandezze si conservano. Per esempio non è possibile creare dal nulla o distruggere la carica elettrica. La carica elettrica totale delle particelle deve essere la stessa prima e dopo l’urto. Perché? Non lo sappiamo. Non capiamo perché valgano queste regole, semplicemente le osserviamo negli esperimenti e le inglobiamo nelle nostre teorie.

Quando un elettrone e la sua antiparticella – il positrone – si avvicinano, le cariche opposte (–1 e +1) li spingono ancora di più l’uno verso l’altro. Dopo l’urto le cariche opposte si annullano a vicenda e ogni traccia della loro precedente esistenza va perduta. Alla fine, rimangono solo fotoni. Se si provasse a fare lo stesso con qualsiasi altra coppia di particelle, per esempio due elettroni, le cariche negative porterebbero a una repulsione reciproca. Anche riuscendo a superare questo ostacolo della repulsione, alla fine si rimarrebbe con una carica totale negativa (–2) che dovrebbe essere conservata anche dopo l’urto e ciò impedirebbe di avere, come risultato finale, solo fotoni elettricamente neutri.

La carica elettrica non è l’unica grandezza che dev’essere conservata. Si potrebbe pensare che qualsiasi coppia di particelle con cariche uguali ma di segno opposto possano subire il processo di annichilazione (per esempio, un elettrone con carica –1 e un antimuone con carica +1), ma non è così. A quanto pare, c’è un’altra regola che va seguita nel caso di incontri tra particelle. Anche l’« elettronicità » e la « muonicità » vanno conservate. Non si può distruggere un elettrone con un non-elettrone. L’annichilazione funziona solo con la sua antiparticella, il positrone.[90] La stessa regola vale anche per gli altri cugini dell’elettrone: il muone e la particella tau.

E non finisce qui. Si può stilare un’intera lista di grandezze che devono essere conservate (come il numero di particelle costituite da tre quark, ovvero la “tre-quarkità”), ognuna delle quali deriva dall’osservazione di quali interazioni possono avere luogo e quali no.[91] Tutte queste regole fanno pensare che l’annichilazione totale possa avvenire solo nel caso di incontro tra una particella e la sua antiparticella.

Perché devono esserci regole così strane? Non lo sappiamo. Forse un giorno saremo in grado di dimostrare che sono la naturale conseguenza di una semplice teoria delle particelle. Per il momento, possiamo solo affermare che le antiparticelle devono nascondere qualche importante indizio sulle regole di base del nostro universo.

Un anti-te

Quindi le antiparticelle non sono altro che particelle gemelle che si muovono nell’ombra e quando s’incontrano possono annichilarsi reciprocamente come minuscoli lottatori d’arti marziali che combattono all’ultimo sangue. Che tu ci creda o no, la faccenda sta per diventare ancora più interessante.

Le antiparticelle sono in grado di assemblarsi proprio come le particelle normali e formano anti-versioni di oggetti più complessi come protoni e neutroni. Per fabbricare un antineutrone si devono combinare due antiquark down e un antiquark up. L’antineutrone risultante sarà ancora elettricamente neutro (come il neutrone), ma fatto di antiparticelle. Un antiprotone può essere costruito assemblando due antiquark up e un antiquark down, e sarà uguale al protone tranne che per la carica negativa ottenuta dalle antiparticelle con cui è formato.

La situazione può farsi ancora più strana. Una volta che si sono ottenuti antielettroni, antiprotoni e antineutroni, si potrebbe in teoria costruire degli antiatomi! Un elettrone positivo e un protone negativo avranno lo stesso comportamento delle particelle omologhe tranne per il fatto che le cariche sono state invertite. Unendo antielettrone e antiprotone, l’antielettrone comincerà a orbitare dando luogo a un atomo di anti-idrogeno!

In linea di principio, assemblando un numero sufficiente di antiparticelle, si può ottenere un anti-qualsiasicosa. Per esempio, si possono combinare due anti-idrogeni con un antiossigeno per formare una molecola di anti-H^2O, ovvero l’antiacqua, che avrebbe uguale aspetto e comportamento dell’acqua normale, ma se provassi a berla esploderesti in un lampo accecante che – bisogna ammetterlo – sarebbe piuttosto antirinfrescante.

Ma perché fermarsi qui? Se si può creare l’antiacqua, teoricamente si può creare l’antiversione di qualsiasi atomo e di qualsiasi molecola. Magari si possono fare l’antichimica, le antiproteine e l’anti-DNA.

Potrebbe esistere un altro pianeta Terra o un altro te stesso che sembra esattamente uguale a te, solo che sarebbe fatto di antimateria. Ci sarebbero un’anti-lei e un anti-lui che guiderebbero un’antimacchina e vivrebbero in un’anticasa e leggerebbero un’antiversione di questo libro, fatta di anticarta e piena di battute realmente divertenti.[92]

In effetti, la materia di cui siamo costituiti non possiede nulla di fondamentalmente « materiale », così come non c’è nulla di « antimateriale » nell’antimateria. Se la situazione fosse invertita e noi fossimo fatti di quelle che chiamiamo antiparticelle, probabilmente chiameremmo le antiparticelle « materia » e quelle che adesso ci sembrano normali « antimateria ». Si tratta solo di nomi arbitrari. Insomma, potremmo essere noi i gemelli cattivi! (Segue musica da rivelazione scioccante.) Potrebbe essere questo il colpo di scena finale?

Naturalmente tutte queste discussioni sulle antiparticelle e sull’antimateria impongono la seguente domanda: dove si trova tutta questa antimateria?

I misteri dell’antimateria

Sappiamo che le antiparticelle esistono davvero e che l’equazione di Dirac funziona molto bene per descrivere il loro comportamento ad alte velocità. Ciò non significa, però, che sia ormai una questione risolta. Le domande sono più numerose delle risposte.

Tanto per farne una: perché esistono le antiparticelle? La teoria ne prevede l’esistenza, ma potrebbero anche esistere altre teorie che contemplino la presenza di un maggior numero di gemelli (forse anche di trigemini e quadrigemini).

Oppure: le antiparticelle sono l’esatto opposto delle particelle normali o posseggono qualche sfuggente differenza nel comportamento, nella consistenza, nel sapore o nella preferenza del cioccolato? Sono soggette alla forza di gravità in modo normale o la sentono al contrario?

Forse la domanda più importante è anche per certi versi la più banale: perché il nostro mondo è fatto di materia e non di antimateria?

Se sei un tipo positivo, puoi sicuramente affrontare qualcosa di negativo, per cui continua a leggere e scoprirai qualcosa su questi misteri. Resterai... annichilato.

Perché il nostro universo non è un antiuniverso?

La più grande, importante e ovvia differenza tra materia e antimateria è che la prima è ovunque, mentre la seconda è parecchio difficile da trovare. A quanto pare, quindi, nell’universo c’è molta più materia che antimateria.

Se materia e antimateria sono l’una il riflesso dell’altra, si potrebbe pensare che durante il Big Bang siano state generate in uguale quantità. Proviamo, però, a immaginare cosa sarebbe successo in questo caso: se per ogni particella fosse stata creata un’antiparticella, alla fine si sarebbero incontrate, avrebbero dato luogo al processo di annichilazione e tutta la massa dell’universo sarebbe stata convertita in fotoni. Tenendo conto del fatto che sei vivo, stai leggendo questo libro e sei abbastanza convinto di non essere fatto di luce,[93] possiamo supporre che tutto ciò non è accaduto. In conclusione, bisogna ammettere che dev’esserci stata una preferenza per la materia piuttosto che per l’antimateria.

Per spiegare questa disparità di trattamento ci sono (almeno) due possibilità.

Possibilità n. 1

Durante il Big Bang, la quantità di materia generata è stata lievemente superiore alla quantità di antimateria. Mentre gran parte di materia e antimateria si sono annichilate a vicenda e si sono perse nel nulla, quel poco di materia sopravvissuta è bastata a creare tutte le galassie, le stelle, le torte di cioccolato e la materia oscura che esistono oggi.

Questa possibilità spiegherebbe quello che vediamo, ma non risolverebbe il problema di fondo. Consente soltanto di passare dalla domanda « Perché il nostro universo è fatto di materia e non di antimateria? » alla domanda equivalente « Perché l’universo è iniziato con più materia che antimateria? » Sfortunatamente, non siamo in grado di rispondere a questa domanda. (Inoltre, le moderne teorie sui primi istanti dell’universo sono incoerenti con un’asimmetria nella produzione iniziale di materia e antimateria.)

Possibilità n. 2

Durante il Big Bang, è stata generata la stessa quantità di materia e di antimateria. Nel corso del tempo è avvenuto qualcosa tra le particelle che ha fatto sì alla fine che ci fosse più materia che antimateria.

Ciò è possibile se esistono processi fisici in grado di distruggere l’antimateria più rapidamente di quanto non accada con la materia, o che creano più materia che antimateria. Visto che le particelle vengono create e distrutte in continuazione, anche una piccola differenza nel modo in cui ciò accade può condurre a una grandissima differenza finale.[94]

Da questo punto di vista, la possibilità n. 2 sembra promettente, ma com’è possibile che l’universo abbia una predilezione intrinseca nel produrre o salvaguardare la materia a discapito dell’antimateria?[95] Gran parte della fisica è del tutto simmetrica e, per quanto ne sappiamo, qualsiasi cosa fatta da una particella normale può essere anti-fatta da un’antiparticella. Per esempio, un neutrone può decadere in un protone, un elettrone e un antineutrino (questo fenomeno si chiama decadimento beta e avviene in continuazione). In modo analogo, un antineutrone può decadere in un antiprotone, un antielettrone e un neutrino.

Magari la preferenza è molto piccola. Quando i fisici studiano la creazione e la distruzione delle particelle, sono sempre alla ricerca di piccole difformità che possono verificarsi nelle due versioni di un fenomeno. Purtroppo, anche se qualche differenza si vede, non sembra essere tale da giustificare l’enorme squilibrio che vediamo oggi.

Dev’esserci dunque qualcos’altro che giustifichi la preferenza per la materia rispetto all’antimateria. Qualsiasi cosa sia, potrebbe innanzitutto fornirci qualche indizio sul perché vi siano due classi di particelle. Al momento, però, non abbiamo la più pallida idea di cosa sia.

Un momento, forse l’antimateria è da un’altra parte

Forse abbiamo sbagliato tutto. E se materia e antimateria fossero ugualmente abbondanti, ma si trovassero in luoghi diversi? La Terra e tutte le cose vicine sono fatte di materia, certo, ma se altri oggetti là fuori fossero fatti di antimateria?

Queste due sostanze si somigliano moltissimo. Guardando semplicemente la luce che proviene da una stella lontana, è impossibile capire se è fatta dell’una o dell’altra. In entrambi i casi, avrebbero le stesse reazioni nucleari e genererebbero fotoni allo stesso modo e con le stesse energie.

Partiamo da qualcosa che ci è un po’ più vicino. Sappiamo che sulla Terra non si possono trovare significative quantità di antimateria perché tutto è fatto di materia, per cui se ce ne fosse anche solo una particella ci sarebbe una reazione esplosiva. Facciamo allora un passo avanti: possono esistere cospicue regioni di antimateria nello spazio vicino alla Terra? È possibile che qualche pianeta del nostro sistema solare sia fatto di antimateria?

Decisamente no! Ricordati sempre quello che succede quando materia e antimateria s’incontrano: una reazione più esplosiva di quella che ci sarebbe parlando di politica con un parente. Se la Luna fosse fatta di antimateria, ogni volta che viene colpita da un meteorite di materia, dovremmo vedere un’enorme esplosione e un immenso lampo. Un meteorite delle dimensioni di un’uvetta produrrebbe un’esplosione paragonabile a quella di una bomba atomica.

Terra e Luna vengono costantemente bombardate da meteoriti di materia, piccoli e grandi, perciò possiamo affermare che almeno la Luna non è fatta di antiformaggio.

Lo stesso vale per Marte e per tutti gli altri pianeti del nostro sistema solare. Se Marte fosse fatto di antimateria, vedremmo di continuo i fotoni generati dalle esplosioni. In sostanza, se ci fosse una concentrazione significativa di antimateria in una zona occupata da materia, si vedrebbero costantemente annichilazioni e lampi di fotoni provenire dalle zone di confine tra le due regioni. Dalle nostre parti non si vede nulla del genere, per cui possiamo dire con una certa sicurezza che il nostro sistema solare è fatto di materia.

Non va dimenticato, poi, che abbiamo mandato in esplorazione nello spazio tantissimi oggetti fatti di materia (persone comprese) e nulla è stato annichilato all’istante producendo un lampo scintillante.[96]

Gli astronomi hanno esteso l’indagine, alla ricerca di interi sistemi solari fatti di antimateria nella nostra galassia, e finora non sono stati visti i lampi luminosi che ci si aspetterebbe di vedere nelle zone di confine tra materia e antimateria. È stata poi considerata la possibilità che esistano intere galassie fatte di antimateria, ma se ce ne fossero lo spazio tra le galassie di materia e quelle di antimateria sarebbe illuminato dall’annichilazione delle particelle che verrebbero a passare da una galassia all’altra. Al momento, gli astronomi sono arrivati al punto di dire che l’intero raggruppamento di galassie al quale apparteniamo è costituito interamente di materia.

Questo è il limite delle nostre osservazioni dirette, oltre il quale non possiamo affermare nulla con certezza. Lo spazio vuoto tra i vari raggruppamenti di galassie è talmente vasto che, se anche ci fosse qualche interazione sul confine, sarebbe troppo tenue per essere osservata.

Nonostante tutto, però, sembra molto probabile che anche il resto dell’universo sia fatto di materia consueta. Se fosse organizzato in raggruppamenti di galassie fatte alternativamente di materia e antimateria, vorrebbe dire che fin dall’inizio le due sostanze si sarebbero dovute trovare ben separate e questa circostanza porterebbe a tutta un’altra serie di problemi.

Per riassumere, nel nostro universo osservabile non esistono prove dell’esistenza di grandi ammassi di antimateria. Il mistero del perché vediamo solo materia e non antimateria rimane ancora aperto.

Materia neutra

Ogni particella ha la sua antiparticella? Fin qui, abbiamo visto che ogni particella dotata di carica elettrica possiede la sua omologa antiparticella, ma non è chiaro se ciò vale anche per le particelle neutre.

Per esempio, il fotone (che non ha carica) non ha una sua antiversione, che sarebbe l’antifotone. Si potrebbe supporre che il fotone sia anche l’antifotone, ma più che una risposta sembra un trucco per evitare la domanda (dire che sei il migliore amico di te stesso equivale a dire che non hai amici?). Stesso discorso vale per il bosone Z e per il gluone. Qualcuno potrebbe obiettare che si tratta di particelle mediatrici di forze, ma anche la particella carica W è mediatrice di una forza e ciò nonostante possiede la sua antiparticella. Perché alcune hanno l’antiparticella e altre no? Non ne abbiamo la più pallida idea.

I fisici pensano che il neutrino (che ha carica elettrica nulla) abbia probabilmente un’antiparticella caratterizzata dal fatto di avere un opposto valore della carica associata alla forza nucleare debole (chiamata « ipercarica »). I neutrini però sono particelle piccole, misteriose e difficili da studiare, per cui è possibile che anche il neutrino sia l’antiparticella di se stesso.

Come si studia l’antimateria?

L’idea di poter costruire un antioggetto di antiparticelle è certamente affascinante. Sarebbe parecchio interessante e anche istruttivo: potremmo studiare in che modo l’antimateria differisce dalla materia e ciò servirebbe a capire perché esiste l’antimateria.

Per nostra sfortuna, però, fare esperimenti con antioggetti (fatti di antiparticelle) è terribilmente complicato.

Costruire oggetti fatti di materia consueta è già difficile di per sé (per fare una torta al cioccolato servono 10^25 protoni, 10^25 elettroni e un sacco di amore), figuriamoci doversi preoccupare che la torta esploda non appena entrerà in contatto con una singola particella di materia normale.

Solo di recente gli scienziati hanno saputo produrre antiprotoni e antielettroni e farli interagire fino a generare dell’anti-idrogeno. Nel 2010, sono riusciti a crearne qualche centinaio di atomi, mantenendoli intrappolati per circa venti minuti.[97] Da un punto di vista tecnico, è stato un risultato impressionante, ma è ancora troppo poco per rispondere a tutte le domande che restano in sospeso. È davvero poco quel che si può apprendere sul nostro universo osservando solo qualche atomo di idrogeno e solo per pochi minuti.

Certo, si stanno facendo progressi enormi, ma con ogni probabilità non riusciremo a capirci qualcosa di più finché non diventeremo più bravi a fabbricare antimateria e a immagazzinarla in modo sicuro. Oggi al CERN si riescono a produrre pochi picogrammi di antimateria ogni anno, il che significa che, prima di riuscire a fare l’equivalente di mezzo acino di uvetta fatto di antimateria, dovrebbero passare milioni di anni. E poi, se anche ci si riuscisse, occorrerebbe inventare un contenitore che non entri in contatto diretto con essa, magari sfruttando i campi elettromagnetici.

Aspetti curiosi

Possiamo dire di sapere qualcosa di certo sull’antimateria. Sappiamo che esiste, che ha carica elettrica opposta rispetto alla materia e che, quando ci entra in contatto, si annichila trasformandosi in luce. Qualche indizio, dunque, ce l’abbiamo.

La nostra conoscenza, però, è nulla in confronto a tutto ciò che non sappiamo. Tanto per cominciare, non sappiamo perché esiste. È un indizio importante anche per il modo in cui è strutturata la materia ordinaria? Possono esserci altre forme di materia? E perché, pur essendoci moltissime simmetrie tra antimateria e materia, l’universo sembra abbia decisamente preferito la seconda?

Tutte queste domande potrebbero renderti sospettoso. Di certo non toccherai mai l’antimateria, però pensa a tutte le cose carine che potrebbe farci imparare.

Un altro gigantesco punto interrogativo è: le antiparticelle sono soggette alla gravità nello stesso modo delle particelle?

Anche se sappiamo che l’antimateria esiste e la teoria corrente predice che sente la gravità esattamente come la materia normale, non abbiamo mai potuto osservarne abbastanza per riuscire a rispondere a questa semplice domanda. La gravità è una forza talmente debole che può essere misurata solo con un gran numero di particelle. E l’antimateria è così rara e instabile che è praticamente impossibile fare esperimenti gravitazionali.

Che succederebbe se l’antimateria sentisse la gravità in modo diverso? Ricorda che la caratteristica saliente di un’antiparticella è quella di avere opposte, rispetto alla particella normale, le cariche elettromagnetica, debole e forte. Può essere che un’antiparticella abbia anche la « carica gravitazionale » opposta? Un’antiparticella può sentire la gravità in modo opposto? Prova a immaginare che succederebbe se fosse così e se riuscissimo a creare e gestire un antimateriale dotato di proprietà « antigravitazionale ». Le macchine volanti e gli stivali antigravitazionali che abbiamo sempre sognato potrebbero diventare realtà!

Se tutto questo accadrà, dovremo ribattezzare l’antimateria e chiamarla « materia fichissima ».

13
Che fine ha fatto il capitolo 13?

Non ne abbiamo la più pallida idea.

14
Che cos’è successo durante il Big Bang?
E cosa c’era prima?

Se qualcuno ti dicesse che sei nato in circostanze misteriose, non saresti incuriosito? E se scoprissi d’essere apparso all’improvviso sulla Terra e nessuno sapesse dirti se sei stato sintetizzato in una provetta, assemblato in una fabbrica o generato dagli alieni, non ti sentiresti un po’ turbato?

Sapere da dove si viene e come si è nati fa parte della nostra identità. La consapevolezza di essere stati concepiti e di essere nati è una certezza latente che rassicura, rende naturale la nostra esistenza e ci fa sentire parte di una storia più grande.

Per l’universo, invece, le cose non stanno così.

Il nostro universo è venuto al mondo circa quattordici miliardi di anni fa (parleremo dopo di come facciamo a saperlo) e dire che è successo in circostanze misteriose è probabilmente la madre di tutti gli eufemismi. Gli scienziati pensano di sapere cosa sia successo subito dopo la nascita dell’universo, un’immensa esplosione espansiva detta Big Bang, tuttavia sanno molto poco di quello che è successo nei primissimi istanti, e non conoscono le cause dell’esplosione né cosa ci fosse prima (se mai c’era qualcosa).

In questo capitolo, parleremo delle cose che sappiamo e di quelle che non sappiamo su questo straordinario evento. Allerta spoiler: è probabile che non si sia trattato di una fecondazione in provetta.

Come facciamo a sapere qualcosa del Big Bang?

Quando ci si ritrova in situazioni come questa, è utile ricordare quali siano i limiti della scienza. La scienza è uno strumento molto utile per risolvere tanti problemi, ma è soggetta a parecchi vincoli. Tanto per cominciare, una teoria scientifica dev’essere in grado di effettuare previsioni verificabili che possano essere confermate sperimentalmente. Se ti sei fatto una teoria sul comportamento del tuo gatto, puoi verificarla sparandogli con una pistola ad aria compressa per vedere come reagisce.

Se una teoria non può essere verificata sperimentalmente, allora va collocata nell’ambito della filosofia, della religione o della pura speculazione. Per esempio, qualcuno potrebbe sostenere che ci sia un gattino di peluche rosa che fluttua libero nello spazio profondo tra la nostra galassia e quella di Andromeda. È una solida teoria fisica, ma la nostra tecnologia attuale non ci consente di verificarla, quindi per il momento non può essere considerata un’idea scientifica e i teorici del Gattino dello Spazio Profondo possono affidarsi solo alla fiducia o ad altri argomenti.

Nel corso della storia, tante teorie hanno varcato il confine tra non-scienza e scienza. L’idea che la materia fosse costituita da minuscoli atomi è stata formulata ben prima che avessimo a disposizione la tecnologia per rilevarli. Problemi come questo sono passati dall’ambito della filosofia a quello della scienza grazie allo sviluppo di strumenti sempre più efficaci e potenti.

Per il Big Bang si potrebbe fare un discorso analogo.

Fino a poco tempo fa, parlare dei primi istanti dell’universo sarebbe stato un esercizio di pura speculazione. Dopotutto, come si fa a studiare qualcosa che è successo quattordici miliardi di anni fa? E come si possono effettuare esperimenti per verificare un’eventuale teoria? Non si può tornare ai tempi del Big Bang solo per ragioni scientifiche.

Per nostra fortuna, il Big Bang ha lasciato un gran disordine e ci sono tanti indizi differenti e pezzi di detriti che possono essere analizzati nel dettaglio. Nell’ultimo mezzo secolo, la nostra tecnologia, la matematica e le teorie fisiche hanno fatto così tanti progressi che stiamo iniziando a spostare il problema del Big Bang verso la categoria delle questioni scientifiche. Possiamo verificare se le teorie possono fare previsioni su quello che si potrebbe trovare nei detriti; sono pur sempre previsioni, anche se gli eventi si sono verificati tanto tempo fa.

Il fatto di essere arrivati a tanto non significa che sappiamo tutto del Big Bang, specialmente di quello che c’era prima. Per capire che cosa non sappiamo, iniziamo a dire quello che sappiamo.

Cosa sappiamo del Big Bang?

L’idea del Big Bang è nata all’inizio del XX secolo, quando gli scienziati si sono accorti che tutte le galassie visibili si stavano allontanando da noi. Questo voleva dire che l’universo si stava espandendo.

I cosmologi hanno poi cercato di dare un senso alle osservazioni, giocando con le nuove equazioni della relatività generale di Einstein che descrivono il funzionamento di spazio, tempo e gravità. Sì è appurato che le equazioni descrivevano correttamente un universo in espansione, ma c’era qualcosa di strano. Usando le equazioni per andare il più indietro possibile nel tempo, si arrivava a predire qualcosa di molto lontano dal nostro intuito: l’intero universo avrebbe dovuto essere contenuto in un unico punto, una singolarità con una massa enorme, un volume pari a zero, una densità infinita, con nessuna possibilità di trovare parcheggio.

La crescita, a partire da un minuscolo semino, del grandioso e vasto universo che vediamo oggi è ciò che chiamiamo Big Bang, l’origine del nostro universo.

Quasi tutti immaginano il Big Bang come un’esplosione, simile a quello che succede quando scoppia una bomba. Si tende a pensare che prima del Big Bang tutta la materia fosse stipata in un volume esiguo e che in una fase successiva sia volata via attraverso lo spazio, diventando l’universo che vediamo oggi. Se però fai fatica a credere che tutto quello che esiste oggi fosse compresso in un unico, singolo, infinitesimo punto che poi è esploso espandendosi, non hai tutti i torti. La storia di quello che è successo durante il Big Bang è molto più complicata di così ed è ancora ricca di misteri irrisolti. Continua a leggere, se vuoi sapere quali sono.

Grande mistero n. 1 – Gravità quantistica

Cominciamo dall’inizio. Ha senso affermare che una volta il nostro universo era un singolo punto infinitesimo? Che tutto quello che esiste adesso si trovava compresso nello stesso posto, in uno spazio di volume nullo? In effetti, stando alla teoria della relatività generale, è un’idea sensata.

Tuttavia, la teoria della relatività generale è stata concepita e sviluppata prima che diventasse chiaro che su scale microscopiche il nostro universo è un posto bizzarro, popolato da oggetti quantistici che seguono strane regole probabilistiche contrarie al nostro intuito. Le previsioni della relatività generale dovrebbero essere sbagliate quando la massa è così densa che gli effetti quantistici diventano rilevanti; come nei primi istanti dell’universo, quando tutto era compresso in uno spazio incredibilmente piccolo.

A volte, una teoria non può essere ritenuta valida fino alle sue conclusioni logiche. Immagina di aver misurato la rapidità di crescita dei tuoi gatti e poi immagina di volerla estrapolare andando indietro nel tempo. Se tenessi conto solamente delle dimensioni, potresti concludere che all’inizio non erano altro che delle singolarità feline e, se ignorassi del tutto i limiti imposti dalla fisica, potresti affermare che una volta avevano dimensioni negative. Sarebbe gattastrofico...

Lo stesso vale per la relatività generale e il Big Bang. Non avendo una teoria della relatività quantistica, non possiamo calcolare o fare previsioni su cosa possa essere successo durante i primissimi istanti dell’universo. In altre parole, affermare che il Big Bang è iniziato da una singolarità non è probabilmente accurato. Questa fase iniziale è stata dominata dagli effetti della gravità quantistica e non abbiamo idea di come descriverli.

Grande mistero n. 2 – L’universo è troppo grande

C’è un altro problema riguardo alla descrizione semplicistica del Big Bang come esplosione di una pallina originaria. Pur ammettendo che l’universo si sia espanso a partire da un punto infinitesimo, c’è ancora qualcosa che non quadra con quello che vediamo adesso: l’universo è più grande di quanto dovrebbe essere.

Per afferrare meglio il concetto, pensa innanzitutto a quanto universo riusciamo a vedere. Oltre al libro che hai in mano, al gatto che hai sulla pancia, e al mondo che è fuori dalla tua finestra, prova a prendere in considerazione le stelle lontane. Fin dove riusciresti a guardare se avessi un telescopio capace di catturare la luce che arriva faticosamente da stelle lontanissime? La risposta dipenderebbe dall’età dell’universo.

Vedere qualcosa significa catturare fotoni che hanno cominciato il loro viaggio partendo dalla cosa che stai cercando di vedere e che sono arrivati fino al tuo occhio (o al tuo telescopio). Visto, però, che c’è un limite alla velocità dei fotoni (possono andare solo alla velocità della luce), quando si vede qualcosa di molto lontano vuol dire che è passato molto tempo tra l’istante in cui il fotone è stato emesso e quello in cui è stato visto.

Quindi, la distanza fino alla quale ci si può spingere a guardare dipende da quanto tempo è trascorso dall’inizio dell’universo.

Se l’universo fosse cominciato cinque minuti fa, il punto osservabile più distante si troverebbe a cinque minuti moltiplicati per la velocità della luce, ovvero circa novanta milioni di chilometri.[98] Potrebbe sembrare tanto, ma vorrebbe dire essere in grado di vedere solo più o meno fino a Mercurio.

Sarebbe questo « l’universo osservabile ». Tutto ciò che riusciresti a vedere dovrebbe trovarsi dentro una sfera il cui centro sarebbe la tua testa e il cui raggio sarebbe la distanza percorsa dalla luce a partire dal momento della nascita dell’universo. Se un punto che si trova sulla superfice della sfera ti avesse inviato un fotone nel primissimo istante possibile, il fotone arriverebbe solo ora al tuo occhio. Questo definisce i limiti di ciò che puoi vedere.

La luce di stelle, pianeti e gattini al di fuori della sfera, non ci avrebbe ancora raggiunti e quindi nessun telescopio sarebbe in grado di vedere questi oggetti. Anche una supernova brillantissima o un gattino rosa di peluche grande quanto un pianeta sarebbero invisibili se si trovassero al di fuori della sfera. Curiosamente, questo concetto ci ha riportati al nostro antico ruolo di occupanti del centro dell’universo osservabile, solo che adesso ognuno si trova al centro del proprio universo osservabile!

Più passa il tempo, e più questa sfera cresce permettendoci di vedere una porzione maggiore di universo. Ogni anno possiamo guardare sempre un po’ più lontano, perché veniamo raggiunti dalla luce proveniente da oggetti più distanti. L’informazione giunge alla velocità della luce e, di conseguenza, anche il limite di quello che riusciamo a vedere cresce alla velocità della luce.

Nel contempo, tutto ciò che è presente nell’universo si sta allontanando da noi, per cui siamo di fronte a una gara tra il limite della nostra capacità di visione e gli oggetti su cui è puntato il telescopio. A che punto è la gara? I confini si muovono alla velocità della luce, mentre gli oggetti non possono andare più veloci della luce (stando alla teoria della relatività).

Quindi, se tutto ha avuto inizio a partire da un piccolo puntino quantistico e – dall’istante del Big Bang – ogni cosa si sta allontanando attraverso lo spazio, il nostro orizzonte visibile si starebbe ampliando più rapidamente di quanto stelle e gattini non siano in grado di fare e la nostra profondità di visione dovrebbe essere sempre maggiore. Molto in fretta, magari già adesso, il nostro orizzonte visibile dovrebbe essere più ampio dell’intero universo.

Cosa vuol dire? Se il nostro orizzonte è più ampio dell’universo, significa che dovremmo essere in grado di oltrepassare il punto oltre il quale non ci sono più stelle (o non c’erano più stelle, visto che noi vediamo qualcosa che è successo tanto tempo fa). Dovremmo essere in grado di scorgere un punto in cui non c’è nulla: la fine di tutte le stelle.

Ma in qualsiasi direzione guardiamo, non vediamo mai la fine delle stelle. L’universo sembra ancora più esteso del nostro orizzonte, anche se sono già passati quattordici miliardi di anni. Evidentemente, deve ancora esserci qualcosa di non proprio corretto in quest’idea dell’universo che è cominciato da una piccola bolla che si poi è espansa in uno spazio statico.[99]

E i problemi non finiscono qua.

Grande mistero n. 3 – L’universo è troppo uniforme

L’idea che tutto si stia muovendo a partire da un punto iniziale comporta altri problemi. Per esempio, non si concilia con il fatto che l’universo è troppo uniforme.

Per quanto possa apparirci fantastico e caotico, l’universo possiede comunque una certa omogeneità o uniformità diffusa che si rileva osservando la radiazione cosmica di fondo di cui abbiamo parlato anche nel capitolo 3.

Per capire meglio, proviamo a fare un esempio. Immagina di avere fame e di volerti scaldare un dolcetto nel forno a microonde (leggere libri di fisica fa bruciare un sacco di calorie, dillo ai tuoi amici). Dopo pochi minuti, come tutti sanno, il centro del dolce sarà bollente mentre la parte esterna sarà più fredda.

Adesso immagina di essere all’interno del dolce, intento a misurare la temperatura di tutta la delizia che ti circonda.

Se ti trovassi esattamente al centro, ti accorgeresti che la temperatura è sempre la stessa in tutte le direzioni.

Ora immagina di trovarti un po’ più scostato rispetto al centro: se misurassi la temperatura vicino al centro troveresti un valore molto alto, mentre se la misurassi verso i bordi del dolce registreresti una temperatura più bassa.

La stessa cosa si può fare con il nostro universo, effettuando misurazioni dal nostro piccolo punto di osservazione chiamato Terra. Possiamo rilevare la temperatura della radiazione cosmica di fondo che colpisce la Terra da un lato e confrontarla con quella proveniente dal lato opposto. Il risultato è piuttosto sorprendente: la temperatura è la stessa (circa 2,73 K) indipendentemente dalla direzione di osservazione!

È poco probabile che noi ci troviamo esattamente al centro del nostro universo riscaldato a microonde. L’unica conclusione che possiamo trarne è che tutto si trova alla stessa identica temperatura. In altre parole: l’universo è un bagno tiepido piuttosto che un dolcetto scaldato al microonde.

Per capire quanti problemi comporta tutto ciò per la nostra semplice teoria del Big Bang, dobbiamo innanzitutto capire che cosa rappresenta la radiazione cosmica di fondo: è una sorta di immagine primordiale dell’universo.

Nei suoi istanti iniziali, l’universo era molto più caldo e denso di quanto non sia oggi. A quei tempi era talmente caldo che gli atomi non erano in grado di formarsi e tutta la materia era costituita solo da una nuvola fluttuante di ioni, uno stato che prende il nome di plasma. Gli elettroni svolazzavano liberi tutto intorno, perché avevano moltissima energia e si divertivano troppo per legarsi a un solo nucleo carico positivamente.

Quando l’universo ha cominciato a raffreddarsi, però, c’è stato un breve periodo in cui le condizioni non sono state più le stesse. La temperatura è scesa abbastanza da far diventare il plasma un gas elettricamente neutro, gli elettroni hanno cominciato a orbitare intorno ai protoni e si sono formati atomi ed elementi. Durante questa transizione, l’universo è passato dall’essere opaco all’essere trasparente.

Nella fase in cui la materia era nello stato di plasma, i fotoni non riuscivano a fare molta strada senza urtare contro qualche elettrone o ione che si muoveva liberamente. Quando elettroni, protoni (e neutroni) hanno formato atomi neutri, le interazioni sono diventate più rare e i fotoni hanno cominciato a muoversi con maggiore libertà. All’improvviso, l’universo nebbioso si è trasformato per i fotoni in un limpido cristallo. Da quel momento la temperatura si è ulteriormente abbassata, per cui gran parte di quei fotoni se ne vanno ancora in giro indisturbati.

Questi sono i fotoni che si rilevano misurando la radiazione cosmica di fondo e la cosa interessante è che sembrano possedere ovunque la stessa temperatura.

Indipendentemente dalla direzione verso cui si guarda, si vedono fotoni con la stessa energia. La radiazione cosmica di fondo è molto, ma molto, molto uniforme. È quello che ci si sarebbe aspettati se si fosse avuto parecchio tempo per mescolare tutto, bilanciando e parificando zone che erano più calde. Nell’esempio del dolcetto nel microonde, è quello che si otterrebbe lasciandolo raffreddare a lungo nel forno: alla fine, tutte le molecole avrebbero più o meno la stessa temperatura.

Non dimentichiamo, però, che i fotoni della radiazione cosmica di fondo sono molto antichi: sono nati subito dopo il Big Bang e adesso hanno circa quattordici miliardi di anni.[100]

Se si guarda il cielo in una certa direzione, si vedono questi fotoni creati quattordici miliardi di anni fa che provengono da molto lontano. Se si guarda dall’altra parte, si vedono altri fotoni provenire dalla direzione opposta e da luoghi altrettanto distanti.

Com’è possibile che abbiano la stessa energia pur provenendo da estremità opposte dell’universo? Come hanno fatto a mescolarsi e a trasferirsi reciprocamente energia fino a livellarsi? Sembra che abbiano potuto comunicare con una velocità maggiore di quella della luce fino a riuscire a mischiarsi e a raggiungere tutti la stessa temperatura.

Una risposta gonfiata

Quindi l’universo è troppo grande e uniforme per essere l’effetto del Big Bang e non può essere descritto come qualcosa che ha avuto origine a partire da una piccola pallina. Se avessimo scritto questo libro trent’anni fa, saremmo ancora di fronte a uno dei grandi misteri, ma oggi esiste una spiegazione che è allo stesso tempo soddisfacente e del tutto inaudita. Sei pronto?

Bene: cosa sarebbe successo se, pochi istanti dopo la creazione dell’universo, in un lasso di tempo durato circa 0,00000000000000000000000000000001 secondi, l’intelaiatura che costituisce lo spazio-tempo si fosse espansa di un fattore di circa 10.000.000.000.000.000.000.000.000 a una velocità maggiore di quella della luce?[101]

Bam. Problema risolto.

Come dici? L’idea di un’espansione dello spazio-tempo praticamente istantanea e di venticinque ordini di grandezza più veloce della luce ti sembra una cosa totalmente ridicola e inventata? Se è così, allora probabilmente non sei un fisico pazzo.

In realtà, si tratta della soluzione a cui sono giunti i fisici per spiegare perché l’universo è più grande di quello che dovrebbe essere e perché la temperatura è così uniforme. La chiamano (rullo di tamburi) « inflazione ». D’accordo, il nome non è dei migliori, ma l’interessante è che con ogni probabilità è successo davvero.

Cerchiamo di capire innanzitutto in che modo si risolve il mistero dell’universo troppo grande.

Il problema era che l’universo osservabile, che sta crescendo alla velocità della luce, sembrava più piccolo dell’universo effettivo che cresce a una velocità che dovrebbe essere inferiore a quella della luce. Ebbene, la teoria dell’inflazione afferma che – almeno per un tempo piccolissimo – l’universo si è espanso a una velocità maggiore di quella della luce.

Le cose che si trovavano al suo interno hanno continuato a rispettare il limite di velocità cosmico (non si sono messe ad andare più veloci della luce attraverso lo spazio), ma secondo la teoria lo spazio stesso si è espanso e spazio nuovo si è generato più in fretta di quanto la luce avrebbe impiegato ad attraversarlo.[102]

Tale fenomeno spiega come un universo generato a partire da un piccolo punto finito sia ora molto più esteso dell’orizzonte osservabile. Durante la fase d’inflazione, l’universo che si gonfiava ha superato l’orizzonte dell’universo osservabile, trasportando alcuni oggetti così lontano da noi che non siamo ancora stati raggiunti dalla luce che hanno emesso.

Questa espansione dello spazio è stata incredibilmente fulminea: l’universo si è accresciuto di un fattore maggiore di 10^25 in meno di 10^30 secondi. Al termine dell’inflazione, l’universo ha continuato a espandersi. All’inizio lentamente, mentre più di recente – per colpa dell’energia oscura – a una velocità maggiore. Adesso l’universo osservabile ha poche probabilità di rimontare, visto che si sta ancora espandendo alla velocità della luce. Ma quanto universo si trova ancora oltre il limite per noi osservabile? Non ne abbiamo la più pallida idea, ma questo è l’argomento del prossimo capitolo.

Come fa la teoria dell’inflazione a spiegare il problema dell’universo troppo uniforme?

Per risolvere questo problema, bisogna spiegare come mai i fotoni primordiali (quelli che arrivano da estremità opposte dell’universo) siano stati in grado di miscelarsi fino ad arrivare tutti alla stessa temperatura. Una cosa del genere potrebbe essere successa solo se in qualche remoto momento del passato questi fotoni si fossero trovati molto più vicini di quanto non faccia supporre l’attuale velocità di espansione.

La teoria dell’inflazione risolve il problema affermando che, in qualche istante precedente la rapida espansione dello spazio-tempo, questi fotoni erano in effetti molto vicini. Prima dell’inflazione, l’universo era abbastanza piccolo da permettere un’interazione, così si è raggiunto l’equilibrio che ha portato a una temperatura uniforme.

Durante l’inflazione, i fotoni sono stati spinti a enormi distanze l’uno dall’altro. Le distanze sono tali da farci sembrare impossibile che possano avere ora la stessa temperatura, ma il fatto che oggi si trovino a una distanza troppo grande da consentire un’interazione è solo una nostra impressione. Prima, erano vicini a sufficienza perché accadesse.

Abbiamo finito?

Grazie a questa assurda e praticamente istantanea distensione cosmica che prende il nome di inflazione, tutto ha senso.

La cosa sorprendente è che sta ancora avvenendo. Non con la stessa velocità folle, ma l’energia oscura sta creando nuovo spazio anche in questo preciso momento.

In tempi recenti, la congettura dell’inflazione è passata dall’essere una teoria folle matematicamente funzionante a un’osservazione supportata a livello sperimentale (anche se non ancora in modo definitivo).[103]

È legittimo chiedersi come si faccia a verificare qualcosa che è accaduto quattordici miliardi di anni fa. Be’, la teoria dell’inflazione prevede caratteristiche molto specifiche delle piccole increspature formate dalla radiazione cosmica di fondo visibile oggi e alcune di queste caratteristiche sembrano in effetti rilevabili. Naturalmente ciò non vuole dire per forza che la teoria dell’inflazione è corretta, visto che anche altre teorie spiegano queste ondulazioni caratteristiche. Comunque sia, si tratta di osservazioni che vanno nella direzione giusta.

Inoltre, tali evidenze sperimentali sono le stesse con cui si riesce a dimostrare che l’universo ha avuto origine circa quattordici miliardi di anni fa. Dallo studio di queste increspature si può effettuare una stima delle proporzioni di materia, materia oscura ed energia oscura. Utilizzando le grandezze ottenute insieme alla velocità di espansione, è possibile risalire all’età dell’universo.

C’è un altro motivo per cui l’idea dell’inflazione appare valida. Nel capitolo 7, abbiamo visto che lo spazio è in realtà un’entità dinamica vincolata dalla quantità di energia e materia presenti al suo interno. Strana coincidenza: queste quantità sono proprio quelle che servono per dare luogo a uno spazio praticamente piatto. Ebbene, la teoria dell’inflazione rende meno strana questa coincidenza, visto che l’espansione dello spazio lo fa apparire più piatto, allo stesso modo in cui un pianeta più grande sembra avere una superficie più piatta di un pianeta piccolo. In effetti, la teoria aveva previsto che lo spazio fosse piatto prima che si facesse una misurazione.

Grandioso! Il Big Bang è stato spiegato. D’accordo, perché tutto funzionasse abbiamo dovuto inventare un’espansione dello spazio-tempo brevissima e assurda, però gli esperimenti fanno pensare che le cose sono andate (probabilmente) così.

Resta, però, un altro aspetto misterioso: non sappiamo cosa abbia causato l’inflazione.

Perché lo spazio-tempo di un universo piccolo si è all’improvviso espanso incredibilmente di venticinque ordini di grandezza? Non lo sappiamo. Il mistero del Big Bang inflazionario è grande e forse stiamo cominciando ad affrontarlo nel modo giusto.

ATTENZIONE: Strada filosofica

Lasciamo le solide basi delle teorie scientifiche e balziamo nel mondo più sfocato della filosofia e della metafisica.

Al momento, gran parte delle idee che abbiamo quando si parla di queste cose sono inverificabili e folli (anche se stimolanti). Forse in futuro ci sarà qualche scienziato più intelligente che troverà il modo di verificarle e scoprirà sconvolgenti verità sulle cause dell’inflazione e sull’origine del Big Bang.

Qual è la causa dell’inflazione?

Ma è proprio vero che non abbiamo la più pallida idea di cosa abbia causato l’inflazione?

In realtà, i fisici qualche ipotesi l’hanno fatta. E la buona notizia è che, stando a una di esse, non serve inventare nessuna nuova potentissima forza della natura, ma basta introdurre un nuovo tipo di sostanza. Tutto qui.

L’idea è che l’universo primordiale fosse pieno di una nuova sostanza instabile in grado di portare a una rapida espansione dello spazio-tempo.

Visto? Facile. Non ci resta che rispondere a due semplici domande:

1. Come fa questa nuova sostanza a far espandere lo spazio-tempo?

2. Se questa sostanza è esistita davvero, dov’è andata a finire?

In linea di principio, una nuova sostanza sarebbe in grado di provocare l’espansione dello spazio-tempo allo stesso modo in cui la materia normale riesce a incurvare e deformare lo spazio-tempo nell’ambito della relatività generale e della gravità.

Come funziona? La gravità è quasi sempre una forza attrattiva che attira masse lontane l’una verso l’altra. Massa ed energia hanno però alcune proprietà che potrebbero produrre un’espansione dello spazio-tempo. Al posto di essere attratte, le cose sarebbero spinte lontane. Devi pensare a questi aspetti come a clausole della relatività generale scritte in piccolo. La proprietà di cui stiamo parlando è la componente di pressione del tensore energia-momento. Sembra un discorso tecnico, ma il concetto è che in determinate circostanze (pressione negativa) le sostanze possono causare l’espansione dello spazio.

Naturalmente, viene da chiedersi dove sia andata a finire questa sostanza e perché a un certo punto l’inflazione si sia arrestata. La risposta è che questa materia inflazionaria è instabile: decade o magari si trasforma in materia normale.

La teoria afferma più o meno questo: all’inizio forse l’universo era pieno di qualcosa che aveva una pressione negativa, la quale ha spinto lo spazio-tempo e l’ha fatto espandere molto rapidamente. Alla fine, questa ipotetica materia inflazionaria si è trasformata nella materia a noi familiare, l’espansione si è arrestata ed è rimasto un enorme universo caldo, riempito di densa materia normale.

La teoria sembra folle, ma spiega la causa dell’inflazione. Non va dimenticato che anche la teoria dell’inflazione era considerata assurda prima che riuscisse a spiegare molti aspetti misteriosi dei primi istanti dell’universo.

Certo, non abbiamo idea di cosa possa essere questa strana sostanza con pressione negativa, ma il concetto in sé non sembra tanto sconclusionato (almeno per gli standard dei fisici). La presenza di forze repulsive che agiscono su scala cosmica e che sono in grado di far espandere l’universo a una velocità incredibile è diventata ultimamente un’idea più accettabile, almeno dopo la scoperta dell’energia oscura. Sappiamo che qualcosa che si chiama energia oscura sta causando l’espansione sempre più rapida del nostro universo (vedi il capitolo 3), ma di questa sostanza con pressione negativa che avrebbe dato luogo all’inflazione non sappiamo nulla. Sono correlate? Ancora una volta non ne abbiamo la più pallida idea.

Che cos’è successo prima del Big Bang?

Se le circostanze in cui è avvenuto il Big Bang sono un mistero, ce n’è uno ancora più grande: che cosa lo ha causato? E cosa succedeva prima?

La domanda sembra sensata se si pensa al Big Bang come a qualcosa che è avvenuto in un momento preciso, quando l’universo era un puntino, tutti gli orologi segnavano t = 0 e gli eventi sono iniziati esplosivamente da quel primo istante.

Adesso il puntino è stato rimpiazzato da un’indistinta bolla quantistica (forse piccola, forse infinita) e l’esplosione ha lasciato il posto all’inflazione seguita da un’espansione alimentata dall’energia oscura. La domanda è ancora legittima, ma dev’essere riformulata nell’ottica nella nuova descrizione. Al posto di chiederci cosa sia accaduto prima del Big Bang, dovremmo domandarci da dove sia venuta questa bolla quantistica in grado di espandersi. Date le condizioni, il nostro è l’unico universo possibile o avrebbe potuto essere diverso? Questa bolla quantistica può comparire di nuovo? È già successo altre volte? Come sempre, la risposta è: non ne abbiamo la più pallida idea. La cosa interessante è che molto probabilmente si può trovare una risposta a domande del genere. Le prove necessarie potrebbero essere alla nostra portata, basterebbe avere i mezzi giusti. Nelle prossime pagine analizzeremo alcune delle possibili origini dell’universo. Si passa da idee abbastanza semplici a teorie che sembreranno bizzarre anche ai più appassionati lettori di libri di fantascienza.

1. Forse la risposta è che non c’è una risposta

Non tutte le domande hanno una risposta soddisfacente perché non sempre sono poste nel modo corretto. Per esempio, una domanda come « Cosa succede a una persona dopo la morte? » potrebbe dipendere dal fatto che ci sia ancora una persona dopo la morte. Allo stesso modo, la domanda « Perché il mio gatto non mi ama? » potrebbe essere mal posta, visto che non sappiamo se un gatto è in grado di amare.

Anche precise domande matematiche possono ricadere in questa categoria. Stephen Hawking ha suggerito che chiedersi cosa ci sia stato prima del Big Bang sarebbe come chiedersi cosa ci sia a nord del Polo Nord. Al Polo Nord, qualsiasi direzione punta verso sud e il concetto di andare verso nord non c’è più: è una conseguenza della geometria della Terra. Se poco dopo il Big Bang è stato creato lo spazio-tempo, è possibile che la sua geometria non consenta di dire in modo soddisfacente cosa c’era prima (ovvero non ci potrebbe essere un « prima »).

In base a quanto possiamo osservare, sembra che l’universo segua leggi fisiche secondo cui anche la creazione del Big Bang dovrebbe essere descrivibile in termini analoghi. È anche possibile, però, che dal nostro punto di vista privilegiato all’interno dello spazio-tempo non possiamo accedere all’informazione necessaria a capire cosa sia successo prima. Un evento tanto apocalittico potrebbe aver distrutto qualsiasi informazione riguardo a tutto quello che è successo prima, spazzando via tutte le eventuali prove. Sarebbe molto insoddisfacente, ma non c’è nessuna regola in base alla quale tutte le risposte della scienza ci debbano far stare meglio.

2. Forse si tratta di una sequenza di buchi neri

Se si accetta l’idea dell’inflazione, diventa fondamentale domandarsi come sia stata creata una tale quantità di materia molto densa e compatta. Scrutando l’universo alla ricerca di fenomeni in grado di generare zone di materia incredibilmente dense, viene subito da pensare ai buchi neri. All’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, la materia è compressa a causa dell’intensa pressione gravitazionale. Per alcuni fisici, la strana pressione negativa che avrebbe causato l’inflazione potrebbe formarsi anche all’interno di un buco nero massivo.

Facendo un ulteriore passaggio, si potrebbe supporre che tutto il nostro universo potrebbe essere compreso nell’orizzonte degli eventi di questo padre di tutti i buchi neri. Addirittura i buchi neri del nostro universo potrebbero contenere il loro miniuniverso privato al loro interno. Idee del genere sono al momento impossibili da verificare, ma sembrano fichissime.

3. Forse ci sono eventi ciclici

E se il Big Bang fosse stato solo uno dei tanti? Magari in un futuro lontano l’energia oscura e l’inflazione cambieranno segno producendo un collasso cosmico detto Big Crunch. Questo collasso strizzerà tutte le stelle, i pianeti, la materia oscura e i gatti in una piccola bolla da cui avrà origine un nuovo Big Bang. E il ciclo potrebbe continuare all’infinito: crunch, bang, crunch, bang, crunch... Questa teoria presenta alcuni problemi teorici, a partire dal fatto che un eventuale collasso cosmico implicherebbe una diminuzione dell’entropia. Siamo però piuttosto ignoranti sul modo in cui si comporta il tempo, per cui si potrebbero trovare soluzioni potenziali a patto di prendere in considerazioni idee folli.

Naturalmente sarà molto complicato riuscire a portare un’idea del genere dal mondo delle speculazioni creative a quello delle ipotesi scientifiche sperimentalmente verificabili. Le condizioni in cui si è verificato il Big Bang hanno con ogni probabilità distrutto ogni prova di un’eventuale ciclicità, quindi potremmo non trovare una risposta prima che il prossimo Big Crunch ci spazzi via tutti.

4. Forse ci sono tanti universi

Un’altra possibilità è che, quando questa strana sostanza a pressione negativa si espande rapidamente, genera altra strana sostanza. Anche se poi decade e si trasforma in materia normale, magari non lo fa abbastanza in fretta.

Se la quantità di sostanza strana generata è maggiore di quella che si trasforma in materia normale, l’effetto è che l’universo continuerà a espandersi per sempre. In alcune zone, si avrà un decadimento che sarà però compensato e superato dalla creazione di nuova materia inflazionaria. Se la teoria fosse vera, anche in questo momento si starebbe verificando un aumento di tale sostanza.

Cosa accade nei luoghi in cui si verifica un decadimento? Sarebbero posti dove il Big Bang è cessato, lasciando il posto a un universo di materia normale in lenta espansione.

Ognuna di queste zone sarebbe una sorta di « universo tascabile » come quello che vediamo intorno a noi. Visto che l’inflazione continuerebbe per sempre, si assisterebbe a una creazione ininterrotta di universi. Se l’inflazione creasse spazio in un tempo minore di quello che impiegherebbe la luce ad attraversarlo, tutti questi universi tascabili si troverebbero a distanze troppo grandi per poter riuscire a comunicare l’uno con l’altro.

Che tipo di mondi sarebbero questi altri universi tascabili? Ovviamente, non ne abbiamo la più pallida idea. Potrebbero essere simili al nostro, con le stesse leggi della fisica. Forse le piccole differenze casuali nelle condizioni iniziali potrebbero portare comunque a strutture simili alla nostra. Se l’inflazione esiste da sempre e continuerà per sempre, potrebbe esserci un numero infinito di questi universi tascabili.

Il concetto d’infinito è molto potente perché implica che qualsiasi evento accadrà, indipendentemente dalla probabilità che ha di accadere. Addirittura, se ci fosse un numero infinito di universi, un evento improbabile accadrà un numero infinito di volte, a patto che possa verificarsi con probabilità diversa da zero. Se questa teoria fosse vera, magari esistono altri universi che contengono copie quasi uguali della Terra, compresa quella in cui non è mai arrivato nessun asteroide in grado di far estinguere i dinosauri, o in cui la colonizzazione vichinga del Nord America ha avuto più successo, nel qual caso questo libro sarebbe scritto in danese. Magari c’è anche quella in cui il tuo gatto ti ama moltissimo.

Gran finale

Avere anche solo qualche indizio sulla fisica del Big Bang è una cosa assolutamente straordinaria. Prova a pensare a cosa significa ricostruire le circostanze della tua nascita nonostante il fatto di non conoscere nessuno che fosse presente in quel momento e sebbene sia avvenuta 14 miliardi di anni fa.

Su scale temporali del genere, il nostro tempo sulla Terra non è nient’altro che un battito di ciglia. Nonostante tutto, però, durante questo battito siamo stati in grado di osservare l’universo intorno a noi e di trovare prove che ci hanno condotto fino agli albori del tempo e fino ai confini dell’universo osservabile.

Se poi questo battito durerà ancora un po’, prova a immaginare tutto quello che potremo scoprire. Magari capiremo qual è la causa dell’inflazione e, nel frattempo, scopriremo nuovi tipi di materia o nuove proprietà a oggi sconosciute.

Un giorno la nostra conoscenza potrà forse oltrepassare i primi istanti e saremo in grado di vedere quello che è successo prima del Big Bang. Cosa troveremo dall’altra parte? Altri universi che galleggiano in un vasto oceano di materia inflazionaria? Un’altra versione del nostro universo che si dirige verso un Big Crunch?

Al momento, domande del genere sono filosofiche, ma in un futuro potranno diventare scientifiche e i nostri discendenti e i loro gatti conosceranno le risposte.

Le domande filosofiche di oggi porteranno a precisi esperimenti scientifici domani.

15
Quant’è GRANDE l’universo?
E perché è così vuoto?

Arrampicati sulla cima di una montagna remota in una giornata di sole e sarai ricompensato da un panorama meraviglioso. A meno che non vi sia già uno Starbucks, potrai godere di una vista sconfinata e solitaria che spazia per chilometri e chilometri.

È una sensazione meravigliosa anche perché, se non sei un miliardario che vive in un attico da sogno, la vista dalla tua finestra quando bevi il caffè al mattino si misura probabilmente in metri e non in chilometri. Anzi, forse sei così vicino al palazzo di fronte che stai leggendo questo libro da sopra la spalla del tuo vicino.

Se poi la sera guardassi il cielo, godresti di una vista ancora più grandiosa, potendo ammirare lo spazio per miliardi e miliardi di chilometri. Immagina che ogni stella sia un atollo nell’oceano tridimensionale dell’universo: tu puoi osservare il cielo immenso e godere dello spettacolo luminoso fornito dalle infinite isole che galleggiano nello spazio. Una visione del genere può far venire le vertigini, soprattutto se si pensa che siamo appollaiati in cima a un piccolo scoglio chiamato Terra, perso in quell’oceano cosmico sterminato.

Una vista così è possibile perché l’universo è incredibilmente esteso e quasi tutto vuoto.

Se le stelle fossero più vicine tra loro, il cielo notturno sarebbe molto più luminoso e andare a dormire la sera sarebbe parecchio più complicato. Se fossero più distanti, il cielo notturno sarebbe terribilmente buio e sapremmo molte meno cose sul resto dell’universo.

Ancora peggio sarebbe se lo spazio non fosse così trasparente. Lo spettacolo verrebbe rovinato dalla nebbia e sapremmo molto poco sulla posizione che occupiamo all’interno del cosmo. Fortunatamente, la luce emessa dal nostro Sole, e che i nostri occhi sono tanto bravi a vedere, è abilissima nell’attraversare gas e polveri interstellari (anche se la luce infrarossa e la luce con una maggior lunghezza d’onda lo fanno perfino meglio della luce visibile).

Per nostra fortuna, quindi, possiamo tutti guardare il cielo in profondità (anche i non miliardari). Guardare, però, non significa necessariamente capire. I nostri antenati fissavano lo stesso cielo e il più delle volte dicevano cose sbagliate. Durante la preistoria, anche l’uomo più ricco non aveva idea di tutti i fenomeni incredibili che gli passavano sopra la testa. Oggi, grazie ai telescopi e alla fisica moderna, siamo in grado di osservare lo spazio, dedurre le nostre coordinate cosmiche e capire come sono distribuite stelle e galassie.

Tuttavia, come ai nostri antenati, anche a noi sta probabilmente sfuggendo qualche indizio importante per una comprensione più ampia, e la nostra conoscenza conduce a domande sempre nuove: le stelle sono quelle che riusciamo a vedere o ce ne sono altre? Quant’è grande l’universo? Si può bere un buon latte macchiato lassù?

In questo capitolo affronteremo l’argomento più importante per l’umanità: le dimensioni e la struttura dell’universo.

Potresti aver bisogno di tenerti forte.

Il nostro indirizzo cosmico

In questo momento, mentre stai leggendo questo libro, ti trovi da qualche parte sulla Terra. Il punto esatto non conta molto. Magari sei sul divano e stai accarezzando il tuo criceto, o sei ad Aruba a dondolarti su un’amaca, oppure sei nel bagno di uno Starbucks. Tenendo conto delle dimensioni dell’universo, sarebbe un dettaglio irrilevante anche se fossi un multimiliardario nella tua stazione spaziale privata sospesa sopra la Terra.

Il nostro pianeta (che è il terzo), insieme ai suoi sette[104] fratelli, segue il Sole nella sua orbita intorno al centro della nostra galassia: un’enorme spirale circolare con molte braccia che si dipanano da un fulcro centrale e brillante. Noi ci troviamo più o meno a metà di un braccio della Via Lattea. Il nostro Sole è una dei circa cento miliardi di stelle della nostra galassia, e non è né la più vecchia, né la più giovane, né la più grande, né la più piccola. Riccioli d’Oro lo troverebbe perfetto. Guardando le stelle durante la notte, si vedono più che altro quelle che sono nel nostro stesso braccio. Si tratta di stelle vicine in una scala cosmica. In una notte limpida, lontano dall’inquinamento luminoso provocato dalle caffetterie, è possibile vedere abbastanza lontano da distinguere il disco dell’altra porzione di galassia. Appare come un’ampia fascia di stelle indistinte, così numerose e dense da far pensare che qualcuno abbia versato del latte in cielo (da cui il nome). Praticamente tutto quello che si vede nel cielo notturno appartiene alla nostra galassia, trattandosi degli oggetti più brillanti (e più vicini).

Il resto dell’universo è per lo più punteggiato da altre galassie. Non ci sono prove che vi siano stelle solitarie che fluttuano tra una e l’altra. Si tratta di un’informazione abbastanza nuova; fino a non più di un secolo fa gli astronomi pensavano che le stelle fossero sparpagliate in modo uniforme in ogni zona dello spazio, finché non sono stati costruiti telescopi abbastanza potenti da permettere di capire cosa fossero esattamente quegli appannati oggetti distanti. Non si poteva immaginare che le stelle fossero in realtà ammassate a formare galassie. Chissà che sorpresa dev’essere stata scoprire che la nostra galassia, a quei tempi ritenuta l’intero universo, era in realtà una tra miliardi e miliardi di galassie visibili nel cosmo, dopo aver già scoperto che il nostro mondo non era l’unico pianeta dell’universo e che il nostro Sole era una delle tantissime stelle. Ogni volta, la dimensione della nostra irrilevanza fa passi da gigante.

Solo di recente abbiamo scoperto che le galassie non sono distribuite uniformemente, ma tendono anch’esse ad aggregarsi in ampi gruppi[105] e ammassi, che a loro volta si aggregano in ammassi ancora più grandi che ne contengono decine. L’ammasso gigante a cui apparteniamo ha una massa circa 10^15 volte più grande di quella del Sole. Roba pesante.

A quanto pare, fino a scale comparabili con le dimensioni di giganteschi ammassi cosmici, la struttura dell’universo è molto gerarchica: le lune orbitano intorno ai pianeti, i pianeti intorno alle stelle, le stelle intorno al centro della galassia, le galassie intorno al centro del loro ammasso e gli ammassi intorno ai centri dei loro superammassi. La cosa strana è che ci si ferma qui. I superammassi non formano mega-ammassi o supermega-ammassi. Fanno, però, una cosa ancora più sorprendente: si dispongono in strati larghi centinaia di milioni di anni luce e filamenti lunghi decine di milioni. Questi strati di super-ammassi sono vastissimi e s’incurvano per formare bolle irregolari e filamenti che si attorcigliano intorno all’immenso vuoto cosmico, in cui non ci sono ammassi o galassie, ma solo qualche stella, qualche luna e qualche megamiliardario.

Questa organizzazione di superammassi rappresenta la struttura più grande riscontrabile nell’universo. Se si continuasse a guardare da un punto sempre più lontano, si vedrebbe questa trama fatta da stelle-galassie-ammassi-superammassi-strati ripetersi in tanti luoghi diversi, senza che si formino strutture di scala ancora maggiore. Le bolle formate dagli strati di superammassi non danno luogo a nessuna struttura complessa interessante. Come pezzetti di Lego sparsi a caso sul pavimento, gli strati sono sparpagliati in giro per il cosmo. Ma perché a un certo punto la trama s’interrompe? Da dove vengono le bolle di superammassi? Perché l’universo è così uniforme anche a tali distanze?

Una cosa è certa: su queste scale, siamo abbastanza insignificanti. Non occupiamo un posto speciale nell’universo: il nostro indirizzo cosmico non è in una piazza centrale di grande importanza, non siamo nell’omologo cosmico di Manhattan.[106] Tenendo conto del fatto che ci sono diversi miliardi di galassie, ciascuna con cento miliardi di stelle, è tutto da vedere se siamo speciali anche per quanto riguarda la vita e l’intelligenza.

Perché è andata così?

Per un lettore colto e di bell’aspetto come te,[107] il nostro indirizzo galattico probabilmente non è un mistero. Resta il fatto, però, che viene da chiedersi come mai la struttura sia proprio questa.

Non sarebbe difficile immaginare un universo in cui tutto è ordinato in modo diverso. Le stelle avrebbero potuto formare un’unica galassia gigantesca, oppure ogni galassia avrebbe potuto essere costituita solo da una stella con i suoi pianeti. E perché poi devono esistere le galassie? Perché le stelle non sono distribuite in modo uniforme, come granelli di polvere sospesi nell’aria di una vecchia stanza?

Perché dev’esserci una struttura? Prova a immaginare se l’universo nei suoi primi istanti di vita fosse stato totalmente simmetrico e distribuito in maniera uniforme, con una densità di particelle identica in ogni parte. A quale configurazione si sarebbe arrivati partendo da una situazione del genere? Se l’universo fosse stato infinito e uniforme, ogni particella sarebbe stata soggetta a un’attrazione gravitazionale uguale in tutte le direzioni e non sarebbe stata costretta a spostarsi da una parte o dall’altra. Le particelle non si sarebbero mai aggregate e l’universo ora sarebbe paralizzato. Se l’universo fosse stato finito ma sempre uniforme, le particelle sarebbero state tutte attratte verso un unico punto: il centro di massa dell’universo.[108]

In ogni caso, non si otterrebbero ammassi locali e non ci sarebbe nessuna struttura. Un universo del genere sarebbe piatto e uniforme, o fermo in un solo punto per tutta la vita, come un anonimo caffè di periferia.

Si dà il caso, però, che i fisici abbiano una teoria interessante per spiegare come mai ci ritroviamo in un universo molto strutturato. Eccola: nelle primissime fasi, piccole fluttuazioni quantistiche sono state stirate enormemente dalla rapida espansione dello spazio-tempo (l’inflazione) e hanno formato gigantesche increspature, da cui sono germogliate stelle e galassie grazie alla forza di gravità aiutata dalla materia oscura. A un certo punto, poi, l’energia oscura ha cominciato a distendere lo spazio ancora più velocemente.

Fiuu. Avevamo detto che era interessante, non facile.

Dunque, se oggi vediamo conformazioni complesse vuol dire che, nella sua irresponsabile giovinezza, l’universo ha fatto qualcosa di sregolato.[109] Quando si crea un minuscolo ammasso un po’ più denso del resto, si forma una zona attrattiva verso la quale vengono sospinti atomi lontani, portati dalla forza di gravità.

Per esempio, prova a immaginare una città in cui gli Starbucks siano distribuiti in modo uniforme. Ogni bevitore di caffè si sentirà attratto dal profumo proveniente dal locale più vicino, ma visto che sono tutti alla stessa distanza, rimarrà immobilizzato dall’indecisione. Per sempre. Se invece ci fossero piccole fluttuazioni nel processo d’infusione, alcuni caffè emanerebbero un aroma più intenso di altri, attraendo così più clienti. A questo punto, verrebbero aperti altri Starbucks nella stessa via, i quali attrarrebbero altri clienti, che farebbero aprire altri Starbucks, e via dicendo. Questo circolo vizioso provocherebbe un fenomeno a cascata e ben presto si avrebbero Starbucks che aprono all’interno di altri Starbucks. Alla fine si arriverebbe a una singolarità che non ci sarebbe stata senza quella piccola disomogeneità iniziale. Le piccole imperfezioni dell’universo primordiale sono state assolutamente cruciali per portare alle attuali conformazioni di stelle e galassie.

Ma che cosa ha provocato queste primordiali perturbazioni? L’unica responsabile conosciuta in grado di produrre un effetto del genere è la casualità della meccanica quantistica.

Non stiamo parlando di ipotesi, ma di qualcosa che è stato realmente osservato. Non dimentichiamoci che abbiamo una fotografia dell’universo bebè, ottenuta studiando la radiazione cosmica di fondo, che mostra com’era l’universo nel momento in cui ha cominciato a raffreddarsi dopo essere passato dalla fase in cui era plasma carico e caldo a quella in cui era in sostanza un gas elettricamente neutro. In questa immagine si vede che l’universo era uniforme, ma non perfettamente uniforme. Presentava piccole increspature che rappresentano le fluttuazioni quantistiche degli albori.

Durante il Big Bang, l’inflazione ha stirato lo spazio in modo tremendo, trasformando queste piccole increspature in immensi corrugamenti nella struttura dello spazio-tempo. In seguito, si sono formati grumi e addensamenti che hanno finalmente portato a strutture più complesse.

Per riassumere, possiamo dire che eventi quantistici casuali sono stati ingigantiti dalla rapida espansione dello spazio, che ha poi prodotto quello che vediamo oggi. Senza l’inflazione, l’universo avrebbe un aspetto molto diverso.

I fisici sospettano che la ragione per cui non ci sono strutture più grandi oltre agli strati e alle bolle di superammassi è che la gravità non ha avuto abbastanza tempo per attrarre più materia e produrre altre configurazioni. Nel nostro universo, ci sono zone che soltanto adesso iniziano a sentirsi reciprocamente attratte dalla forza di gravità, essendo anch’essa limitata dalla velocità della luce.

Cosa succederà in futuro? Se non ci fosse l’energia oscura a far espandere l’universo, la gravità continuerebbe a fare il suo lavoro raggruppando cose e costruendo strutture sempre più grandi. La presenza dell’energia oscura non può essere negata, per cui ci sono due effetti in competizione: da una parte, la gravità a cui occorre tempo per creare ammassi, dall’altra l’energia oscura che allontana tutto. Al momento sembra che i due effetti si bilancino alla perfezione, e ciò significa che viviamo nell’istante ideale per vedere le più grandi strutture che potranno mai esserci.

È proprio così? È solo per pura coincidenza che siamo nati in questa era dell’universo?[110] Ogni volta che pensiamo di vivere in un posto speciale (la Terra come centro di tutto) o in un momento speciale (seimila anni dopo la nascita dell’universo), dobbiamo stare molto attenti perché forse stiamo solo adulando il nostro fragile ego.

Stando a quel che siamo riusciti a capire, sembra proprio che stiamo vivendo in un periodo molto particolare. La verità, però, è che non possiamo esserne troppo sicuri perché non siamo in grado di fare previsioni affidabili sul futuro dell’energia oscura. Se continuerà a far aumentare l’universo, la gravità non avrà più tempo per raggruppare galassie e ammassi in strutture più interessanti. Se però l’energia oscura cambiasse rotta, ci sarebbe sempre la possibilità di vedere nuove tipologie di aggregati per i quali non esiste ancora un nome! Riaggiorniamoci tra cinque miliardi di anni.

Gravità vs. pressione

Il fatto che esistano strutture, qualsiasi esse siano, dipende quindi dalle fluttuazioni quantistiche che hanno formato i primi corrugamenti gonfiati poi dall’inflazione fino a creare i grumi da cui si è sviluppato l’universo attuale. Ma come hanno fatto questi grumi a trasformarsi nei pianeti, nelle stelle e nelle galassie che vediamo? La risposta va ricercata nel rapporto d’equilibrio tra due effetti potenti: la gravità e la pressione.

Circa 400.000 anni dopo il Big Bang, l’universo era una grande bolla di gas caldo ed elettricamente neutro, con qualche piccola increspatura al suo interno. È in questa fase che la gravità ha cominciato la sua opera.

Il fatto che tutto fosse neutro è molto importante visto che rendeva tutte le altre forze sostanzialmente bilanciate. La forza forte aveva raggruppato i quark in protoni e neutroni, mentre la forza elettromagnetica aveva attratto elettroni e protoni per formare atomi neutri. Nulla invece poteva bilanciare o neutralizzare la gravità. È stata anche molto paziente: in milioni e miliardi di anni, ha gradualmente attratto le piccole increspature per formare aggregati sempre più densi.

L’universo però esiste da tanto tempo, come mai la gravità non è riuscita a formare nuovamente un ammasso unico, che fosse una stella enorme, un buco nero gigante o una sterminata galassia? Be’, a quanto pare, le quantità di materia ed energia sono tali da permettere alla gravità di formare solamente uno spazio « piatto » e non abbastanza incurvato da consentire a tutto di tornare indietro. Non va poi dimenticato che l’energia oscura sta espandendo lo spazio stesso, per cui alla fine le cose si stanno allontanando sempre di più.

Anche se la gravità non riuscirà a trionfare in questo tiro alla fune cosmico, ogni tanto si assiste a qualche vittoria locale. I filamenti di gas e polveri originati dalle increspature primordiali sono stati spinti fino a formare raggruppamenti più estesi, anche se poi i raggruppamenti sono stati sparpagliati in giro per l’universo. Il risultato finale dell’aggregazione di gas e polvere da parte della gravità dipende dalla quantità di massa coinvolta.

Se c’è poca massa, la forza di gravità riesce a formare al massimo un asteroide o un grosso sasso. Forse anche un Frappuccino. Il motivo per cui un sasso o un bicchierone di caffè non vengono compressi dalla gravità fino alle dimensioni di un piccolo puntino è che internamente c’è una pressione prodotta dalle altre forze non gravitazionali. Agli atomi di un sasso non piace essere troppo schiacciati, per cui oppongono resistenza (hai mai provato a comprimere una roccia fino a trasformarla in diamante? Non è facile), e il risultato è un equilibrio tra la gravità che comprime e la pressione interna.

Se la massa è abbastanza grande da formare un pianeta delle dimensioni della Terra, la forza di gravità nel centro diventa sufficiente da comprimere rocce e metalli fino a renderli lava liquida. Il centro della Terra è caldo e liquido solo per merito della gravità. La prossima volta che la prendi in giro per la sua debolezza, chiediti se tu saresti capace di comprimere un sasso fino a farlo diventare lava.

Io la pensavo così.

Se la massa è ancora più grande, la gravità può creare un plasma così caldo che si arriva alla formazione di una stella. Le stelle sono in sostanza bombe a fusione nucleare in una fase di esplosione continua; l’unica cosa che le argina è la gravità. Può sembrare una forza debole, ma se si mette insieme abbastanza massa, la gravità è in grado di trattenere per miliardi di anni bombe atomiche che scoppiano in perpetuo. Anche le stelle non collassano in oggetti più densi grazie alla loro pressione. Una volta esaurito il carburante, e non riuscendo più a fornire la pressione necessaria a combattere l’inarrestabile attrazione gravitazionale, qualche stella collassa in un buco nero.

Questo equilibrio tra gravità e pressione ha luogo nelle rocce inerti, nei pianeti con un cuore di lava fusa, e determina l’arginamento di stelle alimentate dalla fusione nucleare. Spiega anche perché le stelle si raggruppano in galassie e perché non si hanno stelle solitarie e buchi neri sparsi nell’universo.

Bisogna ricordare che gran parte della massa dell’universo non è come quella che forma i pianeti, le stelle e i chicchi di caffè: circa l’80 percento della massa (il 27 percento dell’energia totale) si trova sotto forma di materia oscura, che potrebbe essere soggetta a qualche tipo d’interazione che non conosciamo, anche se siamo certi che la sua massa contribuisce a creare effetti gravitazionali. Visto che non sente la forza elettromagnetica e la forza forte, non ha gli stessi mezzi della materia normale per fornire una pressione che si oppone alla gravità. Per questo forma anch’essa dei grumi, ma poi continua a comprimersi formando aloni immensi. Ovunque sono presenti questi aloni, la materia normale ne viene risucchiata per colpa della forte attrazione gravitazionale. Si pensa che la formazione delle galassie in una fase iniziale della storia dell’universo sia proprio da imputare alla materia oscura. Se non ci fosse stata lei, ci sarebbero voluti svariati miliardi di anni in più per formare le prime galassie. Bisogna ringraziare la gravità e l’invisibile mano della materia oscura se ci sono galassie nate appena qualche milione di anni dopo il Big Bang.

Anche le galassie sono attratte reciprocamente dalla gravità, ma non collassano in un enorme buco nero grazie alla presenza di vari tipi di pressione che cambiano da una galassia all’altra. Le galassie a spirale non collassano perché ruotano molto velocemente e il momento angolare risultante riesce a mantenere le stelle lontane l’una dall’altra. Questo è anche il motivo per cui la materia oscura non collassa in aggregati più densi. La velocità e il momento angolare delle particelle di materia rendono difficile il lavoro della gravità.

Ci troviamo quindi in un universo pieno di immensi strati e grandi bolle fatte da superammassi di ammassi di galassie, ciascuna con centinaia di miliardi di stelle che ruotano intorno a buchi neri, in mezzo a polvere, gas e pianeti. E su almeno uno di questi pianeti ci sono esseri umani che guardano le stelle e riflettono sulla loro esistenza.

Fin dove si estende tutto questo?

Strati di galassie e bolle gigantesche si susseguono in eterno? O forse tutta la massa dell’universo è più o meno come un’isola o un continente con confini ben marcati che separano da un nulla infinito?

Quanto è grande l’universo?

Le dimensioni dell’universo

Se si potesse bere un espresso sestuplo e farsi un viaggio dell’universo a velocità infinita, si imparerebbero un sacco di cose sul suo funzionamento e soprattutto si capirebbe fin dove arriva.

Per nostra sfortuna, il massimo che si può trovare in commercio è un espresso quadruplo,[111] e poi l’universo ha un limite rigoroso riguardo alla velocità con cui possiamo andarcene in giro a scattare foto. Finché non riusciremo a costruire percorsi spaziotemporalmente incurvati, saremo costretti a cercare le risposte utilizzando solo le informazioni che provengono sulla Terra dall’immenso Fuori.

La luce arriva fino a noi portando immagini meravigliose e strane. Lo fa da 13,8 miliardi di anni. Ciò significa che tutto quello che si trova oltre a questa distanza per noi è invisibile. Potrebbero esserci draghi blu grandi quanto una galassia che saltellano e sputano fuoco proprio davanti a noi, ma non potremmo rendercene conto. Naturalmente nulla fa supporre che questi draghi esistano davvero, ma qual è la probabilità che quello che c’è oltre i confini accessibili alla nostra vista – qualsiasi cosa sia – corrisponda a quello che già vediamo? La natura è sempre pronta a fare rivelazioni bizzarre e sorprendenti.

L’universo osservabile, ovvero la sfera che riempie tutto il nostro orizzonte, è molto grande. Anche se non possiamo vedere nulla al di fuori di essa, possiamo domandarci quant’è grossa. Prendiamo in considerazione alcune possibilità:

1. visto che nulla può viaggiare più velocemente della luce, l’universo osservabile deve coincidere con l’età dell’universo moltiplicata per la velocità della luce, ovvero 13,8 miliardi di anni luce in tutte le direzioni.

1. Visto che lo spazio è in grado di espandersi più rapidamente della luce (e l’ha fatto), noi possiamo vedere cose che un tempo erano all’interno del nostro orizzonte, ma che adesso lo hanno oltrepassato arrivando fino a 46,5 miliardi di anni luce in tutte le direzioni.

1. L’universo osservabile è la distanza tra i due Starbucks più lontani. La misura non è nota alla scienza visto che ne costruiscono di continuo.

La risposta corretta è la b. Grazie all’espansione dello spazio, possiamo vedere cose che erano più vicine a noi di quanto non lo siano adesso. Pertanto l’universo osservabile è molto più grande di quello che si avrebbe moltiplicando la velocità della luce per l’età dell’universo. Questo è tutto quello che possiamo vedere oggi.

La buona notizia è che c’è molto da vedere: più o meno tra le 10^80 e le 10^90 particelle, distribuite tra sestilioni di stelle, a loro volta contenute in miliardi di galassie. Un’altra buona notizia è che ogni anno il nostro universo osservabile – il nostro orizzonte visibile – cresce di almeno un anno luce senza nessuno sforzo da parte nostra.[112]

Grazie al potere della matematica, il volume dell’universo osservabile cresce ancora più in fretta, visto che la porzione di spazio che ogni anno viene aggiunta ha un volume più grande di quella dell’anno precedente. Di conseguenza, il numero di galassie con bellissime montagne che non riuscirai mai a visitare è talmente elevato che faresti fatica anche solo a concepirne il numero.

Il discorso, però, è più complicato di così. Tutto si sta allontanando muovendosi attraverso lo spazio e, contemporaneamente, lo spazio stesso si sta espandendo. Ci sono quindi oggetti la cui distanza da noi sta aumentando così rapidamente, che la loro luce non ci raggiungerà mai. In altre parole: l’universo osservabile potrebbe non raggiungere mai l’universo esistente e, di conseguenza, non riusciremmo mai a vedere tutto quello che c’è fino ai confini più estremi.

La cattiva notizia è che non sappiamo con certezza quale sia l’estensione dell’universo e forse non lo sapremo mai. Brutta scoperta, se pensavi di diventare un cartografo cosmico.

Proviamo a indovinare

Quant’è grande l’intero universo? Ci sono alcune possibilità

Un universo finito in uno spazio infinito

Una possibilità è che l’universo abbia dimensioni finite, ma che abbia oltrepassato il nostro orizzonte visibile a causa dell’espansione dello spazio. Alcuni scienziati hanno provato a vedere quali fossero le conseguenze di questa ipotesi, cercando di stimare la quantità di materia contenuta nell’universo. Per riuscirci, hanno fatto alcune supposizioni che sembrano ragionevoli:

- prima dell’inflazione, le dimensioni dell’universo dovevano essere più o meno uguali alla velocità della luce moltiplicata per l’età dell’universo. Lo spazio, infatti, non aveva ancora subito alcun tipo di allungamento.

- Il numero di particelle nell’universo è abbastanza grande.

- Nessuno è in grado di concepire numeri più grandi di 10^20, per cui ognuno può pensare al numero che gli pare.

Prendi queste affermazioni, uniscile a ciò che sappiamo sullo spazio che si è stirato durante il Big Bang, considera quanto lo sta facendo adesso per colpa dell’energia oscura, e otterrai una stima sulle dimensioni dell’intero universo.

A seconda di quello che avrai pensato, la risposta potrà variare di più di un fattore 10^20. Se quindi pensi che la soluzione al problema sia ancora lontana, hai ragione. Immagina che qualcuno ti dica che la tua casa ha una superficie compresa tra i 100 e i 100.000.000.000.000.000.000.000 metri quadrati: penseresti giustamente che sta sparando numeri a caso. Pur volendo accettare l’ingiustificata supposizione che la quantità di materia dell’universo sia finita, non abbiamo comunque la più pallida idea di quanto sia esteso.

Nonostante tutta questa incertezza, ci sono alcuni scenari per i quali è possibile fare una stima.

Un universo finito in uno spazio finito

Se l’universo fosse incurvato, lo spazio sarebbe come la superficie di una sfera ma in tre (o più) dimensioni. In questo caso, dunque, lo spazio stesso sarebbe finito, chiuso circolarmente su se stesso, per cui viaggiando sempre nella stessa direzione si ritornerebbe infine al punto di partenza. Per quanto ciò possa essere spaventoso, in questo modo almeno sapremmo che l’universo è finito e non infinito.

In questo scenario da mal di testa, anche la luce viaggerebbe in tondo (presumendo che il giro sia sufficientemente corto) e durante il suo viaggio potrebbe quindi passare per la Terra più di una volta. Questo fenomeno sarebbe realmente osservabile, perché guardando il cielo si vedrebbe tante volte lo stesso oggetto, una volta per ogni giro della luce.[113] Gli scienziati hanno cercato effetti del genere, osservando sia le galassie, sia la radiazione cosmica di fondo, ma purtroppo non è stata riscontrata nessuna evidenza. La conclusione è che, se l’universo è davvero finito e circolare, dev’essere più esteso di quello che vediamo.

Un universo infinito

È possibilissimo che l’universo sia infinito e che contenga una quantità infinita di materia ed energia. Si tratta di un’ipotesi complicata da considerare perché il concetto d’infinito per noi è ostico. Vuol dire che qualsiasi cosa che abbia una certa probabilità di accadere (non importa quale sia la probabilità, basta che sia diversa da zero) da qualche parte dell’universo sta accadendo. In un universo infinito, quindi, ci sarebbe uno che ti somiglia e che sta leggendo una versione di questo libro stampata su una vela da barca a pois, e ci sarebbe anche un pianeta popolato da draghi blu che si chiamano tutti Samuel e che continuano a confondersi a vicenda. Pensi che siano scenari improbabili? Hai ragione, ma in un universo infinito tutto ciò che può accadere prima o poi accade. Per sapere quanto spesso può succedere una certa cosa, basta prendere la probabilità che avvenga e moltiplicarla per infinito. Pertanto, a patto di avere una probabilità diversa da zero, quella cosa accadrà. E non una, ma un numero infinito di volte. Ci sarebbe anche un numero infinito di pianeti popolati da draghi blu che si confondono l’un l’altro. Roba da impazzire.

Un universo infinito può essere coerente con ciò che vediamo? Questa infinitezza si concilierebbe con l’essersi espanso a partire dal Big Bang? Sì, ma occorre presumere che il Big Bang non abbia avuto inizio da un singolo punto, bensì da una serie di eventi che si sono verificati ovunque e nello stesso istante. Si fa fatica a pensare a una cosa del genere senza farsi scoppiare il cervello. Una descrizione del genere non sarebbe in contraddizione con le osservazioni che possiamo fare oggi. Se fosse andata così, ci sarebbero stati tanti Big Bang esplosi ovunque e tutti insieme.

Materia finita in uno spazio infinito, materia finita in uno spazio finito, materia infinita in uno spazio infinito: in quale di questi scenari viviamo? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Perché l’universo è così vuoto?

Un altro grande mistero sulla struttura dell’universo è: perché è così vuoto? E perché stelle e galassie non sono più vicine o più lontane?

Per darti un’idea, il nostro sistema solare è largo circa nove miliardi di chilometri, ma la stella più vicina si trova a ben 40.000 miliardi di chilometri. La nostra galassia è larga più o meno 100.000 anni luce, ma la galassia più vicina a noi, Andromeda, dista circa 2.500.000 anni luce.

Qualsiasi forma e dimensione abbia lo spazio, sembra proprio che ci fosse un sacco di posto per mettere le cose un po’ più vicine. Pare invece che siano arrivati dei genitori cosmici a separare stelle e galassie che stavano bisticciando sul sedile di dietro.

Fortunatamente, il concetto di vuoto dipende dal punto di vista, per cui si può dividere la questione in due:

Perché non possiamo andare più veloci della luce?

e

Perché lo spazio si è espanso durante il Big Bang e perché si sta ancora espandendo?

La velocità della luce è l’unità di misura con cui si definisce cosa è « vicino » e cosa è « lontano ». Se fosse molto più grande, potremmo guardare più lontano e viaggiare più in fretta. Le cose non ci sembrerebbero poi tanto distanti. Se invece la velocità della luce fosse minore, le nostre stelle vicine sarebbero ancora più impossibili da visitare o da raggiungere con dei messaggi.[114]

D’altro canto, non si può dare tutta la colpa alla velocità della luce. Se subito dopo il Big Bang lo spazio non si fosse allungato tanto, adesso sarebbe tutto molto più vicino. Se poi non ci fosse l’energia oscura a spingere le cose ancora più lontane, la prospettiva di fare viaggi interstellari non sarebbe sempre più remota di minuto in minuto[115] e si potrebbe immaginare un universo in cui l’inflazione non ha portato all’assurdo accrescimento dello spazio di un fattore 10^32.

Il vuoto del nostro universo è conseguenza della presenza contemporanea di questi due aspetti: la velocità della luce che determina la scala delle distanze, e l’espansione dello spazio che contribuisce ad allontanare tutto. Non sappiamo perché le due quantità abbiano proprio i valori che hanno, ma se potessero essere cambiate anche l’universo ci apparirebbe differente. Come per tanti altri misteri, possiamo fare indagini solo sul nostro singolo universo per cui non possiamo sapere se si tratta dell’unico possibile o se ne esistono altri dove c’è stata un’espansione molto più ridotta e tutto appare più vicino.

Ridimensioniamo tutto

Mentre bevi la tua bevanda alla caffeina preferita e ammiri il cielo notturno sopra di te, ti invitiamo a considerare il fatto che tutto ciò che sappiamo sulle dimensioni e sulla struttura dell’universo l’abbiamo dedotto da osservazioni fatte dalla Terra. Certo, abbiamo mandato sonde su altri pianeti, telescopi nello spazio e addirittura persone sulla Luna, ma in una prospettiva cosmica non siamo sostanzialmente andati da nessuna parte. Tutto ciò che abbiamo imparato sull’universo lo abbiamo imparato guardando dal nostro angolino di cosmo.

Nonostante il nostro punto di osservazione un po’ alla buona, siamo comunque stati in grado di trovare la risposta a domande antichissime (cosa sono le stelle? Perché si muovono?) e abbiamo messo definitivamente da parte tante convinzioni sbagliate (come quella che ci trovavamo al centro dell’universo).

Ne restano però delle altre: fin dove si estende lo spazio? Viviamo in un universo finito o infinito? Che struttura avrà tra qualche miliardo di anni? Rispondere a domande del genere significherebbe modificare sostanzialmente l’immagine complessiva che abbiamo di noi stessi e del posto che occupiamo nell’universo.

16
Esiste una teoria del Tutto?
Qual è la descrizione più semplice dell’universo?

Solo recentemente nella storia dell’umanità siamo stati in grado di dare un senso a ciò che accade nel mondo intorno a noi.

Nell’epoca che ha preceduto questi pochi secoli di progresso scientifico, regnava una grande confusione riguardo agli eventi e alle cose di tutti i giorni. Che cosa pensavano dei fulmini i primi umani? E delle stelle, delle malattie, del magnetismo o dei babbuini? Il mondo appariva pieno d’incomprensibili misteri, forze prodigiose e animali strani.

Più di recente ha preso piede una tranquilla e disinvolta fiducia nella scienza, per cui si ha la sensazione che il nostro mondo possa essere descritto attraverso leggi razionali determinabili. Per l’uomo si tratta, tutto sommato, di una novità. È ormai raro imbattersi in qualcosa di completamente misterioso, potrebbe non capitare mai nel corso di una vita. Quasi mai assistiamo a fenomeni in grado di turbarci o di cui non conosciamo le cause. Fulmini, stelle, malattie, magnetismo e perfino i misteriosi babbuini sono ormai fatti naturali spiegati chiaramente: cose belle e affascinanti, ma in definitiva vincolate dalle leggi della fisica. Non trovare una spiegazione è un’esperienza così rara e insolita, che siamo addirittura disposti a pagare per provarla di nuovo: ecco perché gli spettacoli di magia appassionano tanto.

Non siamo solo arrivati alla comprensione, abbiamo anche acquisito un controllo impressionante su tutto ciò che ci sta intorno. Sappiamo far volare sugli oceani aerei che pesano quattrocento tonnellate, gestiamo la meccanica quantistica dei miliardi di transistor nel chip di un computer, apriamo il corpo umano per inserirvi pezzi di ricambio e possiamo perfino prevedere le modalità di accoppiamento di un babbuino eccitato. Viviamo davvero in un’era prodigiosa.

Ma il fatto che ogni giorno siamo tanto bravi a spiegare fenomeni macroscopici e dettagli microscopici, vuol dire che abbiamo capito tutto? Le nostre teorie sono in grado di descrivere Tutto (con la T maiuscola)?

A meno che tu non abbia saltato i primi capitoli di questo libro, sarai d’accordo con noi che la risposta è un secco no. Non sappiamo praticamente niente della sostanza che riempie l’universo (la materia oscura) né sappiamo come descrivere le forze più potenti che la controllano (l’energia oscura e la gravità quantistica). La nostra padronanza riguarda solo un piccolo angolino di universo, per il resto siamo circondati da un enorme oceano d’ignoranza.

Da una parte, siamo in grado di capire il mondo intorno a noi, ma dall’altra non sappiamo quasi nulla del funzionamento dell’universo: come si conciliano questi due aspetti? Quanto siamo lontani dalla scoperta della teoria definitiva, di una Teoria del Tutto (TdT)? Esiste davvero? Decreterà la fine di tutti i misteri?

È tempo di partire alla ricerca della TdT.

Che cos’è una teoria del Tutto?

Prima di perdere troppo tempo in chiacchiere, definiamo subito con chiarezza il concetto di « teoria del Tutto ». In poche parole, una teoria del Tutto dovrebbe essere la più semplice descrizione matematica dello spazio, del tempo, della materia e delle forze dell’universo al livello più profondo possibile.

Proviamo ora a scomporre la definizione pezzo per pezzo.

Abbiamo incluso la materia, perché questa teoria dovrebbe essere in grado di descrivere tutto ciò di cui è fatto l’universo. E abbiamo incluso le forze, perché la teoria deve saper descrivere un sistema più complesso di una semplice bolla di sostanza inerte. Vogliamo anche capire come interagisce la materia e cosa è in grado di fare.

Abbiamo incluso poi lo spazio e il tempo, perché sappiamo che sono entità per certi versi malleabili che agiscono su materia e forze (subendone a loro volta gli effetti).

Ma soprattutto vogliamo una teoria che sia la più semplice e che vada al livello più profondo perché vogliamo che sia la descrizione più fondamentale possibile. In particolare, con più semplice intendiamo dire che la teoria non può essere riducibile, cioè deve avere il minor numero possibile di variabili e costanti, mentre con più in profondità intendiamo dire che dev’essere in grado di descrivere i fenomeni che avvengono alle più piccole scale concepibili. Vogliamo trovare i più piccoli pezzi indivisibili di Lego, da cui partire per costruire tutto e vogliamo conoscere i meccanismi di base grazie ai quali questi pezzettini sono in grado di attaccarsi l’uno con l’altro.

Il nostro universo è un po’ come una cipolla. Non perché fa piangere quando lo si affetta e nemmeno perché è fondamentale per ogni buona zuppa, ma perché è composto da strati sovrapposti di fenomeni emergenti.

Consideriamo, per esempio, questo modello di atomo:

L’immagine mostra un atomo fatto di elettroni che orbitano intorno a un nucleo di protoni e neutroni. È forse una delle raffigurazioni scientifiche più famose e riconoscibili, che ha rappresentato un grande successo non solo di pubblico, ma anche perché si è andati oltre l’idea che gli atomi fossero i costituenti ultimi della materia, riconoscendo l’esistenza di pezzetti più piccoli e fondamentali.

Questa storia, però, si è rivelata incompleta. Qualcuno di questi pezzetti è ulteriormente suddivisibile (protoni e neutroni sono fatti di quark), ma soprattutto ci si è accorti che a queste distanze le cose si comportano in un modo molto diverso da come ci si aspetterebbe. Non potrebbe quasi esserci differenza maggiore. Gli elettroni, i protoni e i neutroni non sono infatti minuscole palline dotate di superficie rigida e in grado di aggregarsi e roteare l’una intorno all’altra, ma sono sfuggenti particelle quantistiche definite da onde e governate da indeterminatezza e probabilità.

Entro certi limiti, ciascuna di queste idee fa il suo dovere. La raffigurazione degli atomi come minuscole palle da biliardo consente di descrivere gli urti delle molecole di un gas all’interno di un contenitore. L’affermazione secondo cui gli atomi sono piccoli aggregati solidi con elettroni che gli ronzano intorno funziona per tutti gli elementi della tavola periodica. E la descrizione quantistica delle particelle è in grado di rappresentare molto bene ogni tipo di fenomeno naturale.

Il fatto è che, a quanto pare, viviamo in un universo in cui esistono ottime teorie che funzionano anche se ignorano completamente ciò che sta succedendo davvero a distanze più piccole. In altre parole: è possibile prevedere comportamenti collettivi che coinvolgono tutti i pezzetti di cui è fatto qualcosa, pur non sapendo nulla su quello che stanno facendo questi pezzetti (o addirittura ignorandone l’esistenza).

Per esempio, il campo dell’economia, che può essere largamente descritto con la matematica (a patto di presumere che gli individui si comportino in modo razionale rinnegando il babbuino che c’è in ognuno di noi), è un fenomeno emergente di psicologia individuale. Le azioni di tanti individui singoli e di operatori di borsa che comprano e vendono producono cambiamenti dei prezzi su grandi scale; cambiamenti che possono essere descritti usando poche e semplici equazioni. È possibile studiare e descrivere il comportamento di un ampio gruppo di persone, senza conoscere le scelte e le motivazioni di ciascun membro del gruppo.

E ci sono moltissimi esempi simili nella fisica. Per esempio, anche se non abbiamo ancora scoperto i costituenti ultimi della materia e non abbiamo idea di quale sia il comportamento quantistico della gravità, possiamo fare previsioni molto accurate di quello che succederebbe se una scimmia si tuffasse nella tua piscina saltando dal tetto della casa. Ci sono teorie molto efficienti in grado di prevedere il moto parabolico della scimmia, teorie di fluidodinamica che possono descrivere lo spruzzo, e teorie comportamentali capaci di spiegare perché non ti piace avere la piscina che puzza di scimmia.

A ben vedere, nell’universo ci sono strati e strati di teorie del genere, ognuna in grado di descrivere il fenomeno che emerge a livelli diversi. La teoria dell’evoluzione è stata formulata ben prima della scoperta del DNA e l’uomo è sbarcato sulla Luna ben prima di sapere qualcosa del bosone di Higgs e di tante altre particelle fondamentali che oggi conosciamo e amiamo.

La teoria definitiva sarà quella che riuscirà a descrivere la natura a partire dalle sue caratteristiche più microscopiche. A quel punto, i fisici potranno appendere il camice al chiodo, spegnere i microfoni, e andarsene via (probabilmente disoccupati) dicendo « Ecco, abbiamo finito ». La teoria definitiva non dovrà limitarsi a descrivere un tipo di fenomeno emergente dal comportamento collettivo dei costituenti ultimi, ma piuttosto essere una teoria sui costituenti ultimi della materia e sulle loro modalità d’interazione.

Queste caratteristiche rendono difficoltosa la formulazione di una teoria del Tutto, e potrebbe anche darsi che non sapremo mai dire con certezza assoluta di averla trovata. Magari riusciremo a formulare una teoria che ci sembrerà quella fondamentale, salvo poi rivelarsi la descrizione di un fenomeno collettivo causato da babbuini microscopici nascosti sotto l’ennesimo strato dell’universo a cipolla. Come faremmo ad accorgercene?

E se l’universo avesse una sequenza infinita di strati? E se una teoria definitiva non esistesse? E se si scoprisse che tutto dipende dai babbuini?

Tutto dipende dai babbuini

Ora che abbiamo spiegato che cos’è una teoria del Tutto, analizziamo i progressi che sono stati fatti per capire la natura nei suoi strati più fondamentali, senza chiederci se questo tipo di conoscenza sia utile o meno a far uscire le scimmie dalla tua piscina.

Potremmo chiederci innanzitutto se nell’universo c’è una distanza minima. Siamo abituati a pensare che esista una risoluzione infinita e che si possa scrivere 0,00000...00001, dove « ... » rappresenta un’infinita sequenza di zeri. E se non fosse così? Cosa succederebbe se ci fosse una distanza al di sotto della quale non ha più senso andare, come i pixel dello schermo di un computer? In questo caso, se avessimo trovato una teoria in grado di descrivere oggetti e interazioni a quella scala, potremmo essere abbastanza sicuri del fatto che si tratta di una teoria davvero fondamentale perché non esisterebbe niente di più piccolo. Se invece la distanza minima non esistesse, se ci fosse l’infinitamente piccolo e l’infinitamente vicino, non potremmo mai essere sicuri di non trovare qualcosa che si nasconde oltre.

Un altro modo per affrontare il problema è chiedersi se gli oggetti della nostra teoria, ovvero i mattoncini di Lego che la teoria descrive, sono davvero fondamentali o se sono fatti, a loro volta, da altri pezzi. Gli elettroni, i quark e le altre particelle che abbiamo trovato sono gli ultimi costituenti di materia? Esistono particelle più piccole?

Bisogna poi chiedersi come avvengono le interazioni. Ne esistono modalità diverse (cioè, vari tipi di forza) o ce n’è solo una che si manifesta in tanti modi diversi? Come si fa a descrivere una forza nella maniera più fondamentale possibile?

Partiamo dalla questione della distanza.

La distanza più piccola

Esiste una distanza minima, ovvero la risoluzione di fondo dell’universo? La realtà che vediamo è pixelata e non può essere descritta al di sotto di una certa scala? Fermati un istante a considerare l’idea.

La meccanica quantistica afferma che non possiamo conoscere con infinita precisione la posizione delle particelle, entità fisiche aventi proprietà intrinsecamente casuali che sono descritte come sfocate eccitazioni ondulatorie dei campi quantistici. Oltre a questo, la teoria afferma che la posizione esatta di una particella è indeterminata e che al di sotto di un certo limite non può essere ottenuta nessuna informazione sull’effettiva posizione. Questa circostanza sembra un indizio del fatto che potrebbe esistere una distanza minima significativa, una quantizzazione dello spazio che può quindi essere visto come una pixelizzazione.

Se la realtà è pixelata, quanto grandi sono i pixel? Non ne abbiamo veramente la più pallida idea, ma i fisici hanno fatto stime molto approssimative, basate sulle varie costanti universali che forniscono informazioni di base sulla natura. La prima di queste grandezze è h, nota come costante di Planck. Si tratta di un numero molto importante, perché è strettamente connesso alla quantizzazione dell’energia, che è una sorta di scomposizione discreta dell’energia.

Per arrivare a un numero che descrive una distanza (espressa per esempio in metri), i fisici hanno moltiplicato la costante di Planck per altre due costanti: il limite di velocità dell’universo (c, la velocità della luce) e la costante gravitazionale (G). Miscelando opportunamente le tre quantità, si arriva a un numero che rappresenta una lunghezza.[116] Il valore ottenuto è piccolissimo: 10–35 metri, ovvero 0,00000000000000000000000000000000001 metri.

Questo numero prende il nome di lunghezza di Planck. Ma che cosa significa? Non lo sappiamo, ma è possibile che fornisca una stima approssimativa di quella che potrebbe essere la dimensione di un pixel di spazio. Non esiste una vera giustificazione nel combinare le costanti in questo modo, tranne il fatto che ognuna rappresenta un aspetto della fisica che potrebbe essere coinvolto su scale quantistiche. Prese tutte insieme, queste costanti potrebbero dirci qualcosa sull’unità di misura fondamentale dello spazio.

Possiamo esserne certi? Non ancora. Gli strumenti a nostra disposizione per esplorare distanze infinitesime sono passati dai microscopi ottici, che arrivano fino all’ordine della lunghezza d’onda della luce utilizzata (circa 10–7 metri), ai microscopi elettronici che si spingono fino a dimensioni dell’ordine di 10–10 metri. Per procedere oltre, occorre passare agli urti ad alta energia che avvengono negli acceleratori di particelle con i quali è possibile guardare all’interno di un protone a distanze dell’ordine di 10–20 metri.

Ciò significa che purtroppo ci troviamo ancora a quindici ordini di grandezza dalla lunghezza di Planck. Ci stiamo ancora perdendo tantissimi dettagli. Quanti? Immagina che il tuo righello più preciso, ovvero l’oggetto più piccolo che il tuo occhio è in grado di vedere, sia lungo 1.000.000.000.000.000 (10^15) metri, una distanza cento volte maggiore della larghezza del sistema solare. Se il tuo limite fosse questo, ci sarebbero un sacco di cose interessanti di cui non sospetteresti nemmeno l’esistenza. In quindici ordini di grandezza, possono sfuggire tantissime cose.

C’è qualche speranza di poter esplorare la realtà fino alla lunghezza di Planck? In uno o due secoli, la tecnologia ci ha portati da 10–7 (microscopi ottici) a 10–20 (acceleratori di particelle) per cui non è facile fare previsioni di quello che i futuri scienziati saranno in grado d’inventare per fornirci una visione ancora più dettagliata della realtà. Ipotizzando di continuare a usare il sistema impiegato negli acceleratori di particelle, dovremmo arrivare a strumenti in grado di fornire un’energia 10^15 volte maggiore rispetto a quella che si usa oggi. Servirebbero acceleratori 10^15 volte più grandi che costerebbero 10^15 volte di più: una spesa 10^15 volte maggiore di quella che possiamo permetterci.

Pertanto non abbiamo solide prove che la distanza più piccola sia una quantità finita, ma la meccanica quantistica e le costanti universali suggeriscono l’idea che potrebbe essercene una e che potrebbe essere davvero superpiccola.

Le particelle più piccole

Gli elettroni, i quark e le altre particelle « fondamentali » che abbiamo trovato sono le particelle più fondamentali nell’universo? Presumibilmente no.

Sembra abbastanza probabile che elettrone, quark e tutti i loro cugini siano fenomeni emergenti di... qualcosa. Forse sono l’effetto di particelle o gruppi di particelle ancora più piccole e ancora più fondamentali.

Il motivo per cui lo pensiamo è che le particelle scoperte finora sembrano disporsi in modo ordinato in quella che somiglia molto a una tavola periodica. Come si è visto nel capitolo 4, le particelle più piccole possono essere sistemate in una tavola tipo questa:

L’ordine preciso e le analogie presenti fanno pensare che potrebbe esserci qualcosa di nascosto. Ricordiamoci che l’originaria tavola periodica degli elementi (quella con ossigeno, carbonio ecc.) aveva suggerito agli scienziati che tutti gli elementi potessero essere configurazioni diverse di elettroni, protoni e neutroni. Analogamente, questa tavola fa sospettare che le particelle scoperte potrebbero a loro volta essere costituite da particelle più piccole o forse da una sola in grado di formare tutte le altre seguendo qualche legge ignota. In ogni caso, ci sono alcuni indizi.

Come facciamo a sapere cosa c’è dentro elettroni e quark? Dobbiamo continuare a far urtare cose tra loro.

Se una particella è davvero un composto di altri pezzi più piccoli, significa che questi sono tenuti insieme da qualche tipo di legame avente una sua caratteristica energia. Per esempio, un atomo di idrogeno è costituito da un protone e un elettrone che stanno insieme grazie alla reciproca attrazione elettromagnetica. Allo stesso modo, un protone è fatto da tre quark legati dalla forza forte.

Se una particella subisce un urto con energia inferiore a quella dei legami tra i suoi costituenti, si comporta come una pallina rigida. Se un babbuino lanciasse delicatamente una palla da baseball contro la tua auto, vedresti la palla che rimbalza, e tu e il babbuino ne concludereste che l’auto non è altro che una singola particella gigante. Se però il babbuino lanciasse la palla con forza e l’energia trasferita fosse maggiore di quella che tiene insieme tutti i pezzi, qualcuno potrebbe staccarsi, e tu ne dedurresti che l’auto è ottenuta assemblando parti più piccole e che probabilmente è stata fatta in America.

Quindi, un modo per capire se gli elettroni e i quark sono fatti di particelle più piccole consiste nel farli urtare a energie sempre più grandi. Superando la soglia dell’energia di legame, le particelle si rompono e noi possiamo vedere che sono fatte di pezzi più piccoli.

Non sappiamo però se elettroni e quark siano davvero fatti di qualcos’altro e non abbiamo idea di quale possa essere l’eventuale energia necessaria a ridurli in pezzi. Finora, negli acceleratori di particelle – nemmeno in quello grande e costoso che c’è a Ginevra – non sono mai state raggiunte energie tanto elevate da trovare pezzi più piccoli dentro elettroni, quark e cugini vari.

Un altro modo per indagare sulle analogie che intercorrono all’interno della tavola periodica delle particelle fondamentali consisterebbe nello scoprire nuove particelle da disporre in qualche casella. Se esistessero altri cugini di elettroni e quark, potremmo fare ipotesi su eventuali strutture sottostanti che magari ci farebbero capire se dietro le particelle attuali se ne nascondono altre più piccole.

Le forze più fondamentali

Il tassello mancante nella costruzione di una teoria del Tutto è la descrizione delle forze fondamentali dell’universo.

Sappiamo che le particelle di materia possono interagire in modi differenti, ma quante forze esistono? Possono essere manifestazioni diverse dello stesso fenomeno?

La ricerca della descrizione fondamentale delle forze non riguarda l’entità (non vogliamo trovare la forza « più piccola » presente in natura). Si tratta di capire se le forze che conosciamo non siano in realtà parte della stessa cosa.

Se avessi chiesto ai nostri scienziati cavernicoli Ook e Groog di elencarti tutte le forze presenti nell’universo, ti avrebbero probabilmente fornito un elenco del genere:

La lista potrebbe contenere altri fenomeni all’apparenza non correlati. Nel corso degli anni, però, gli scienziati hanno capito che molte di queste forze sono in relazione l’una con l’altra, e che molte possono essere descritte facendo ricorso allo stesso limitato numero di forze. Per esempio, sappiamo che la forza che ti fa cadere dal lama è la stessa che fa sembrare che quella palla brillante nel cielo (il Sole) si stia muovendo: si tratta della gravità. Sappiamo anche che la forza esercitata spingendo o toccando un oggetto (vento, rami, mastodonti) è una sola: la forza elettromagnetica tra gli atomi che si avvicinano.

A dire il vero, l’idea che la forza elettrica e quella magnetica fossero in realtà una sola (l’elettromagnetismo) è abbastanza recente e risale al XIX secolo. James Maxwell aveva notato che correnti elettriche generavano campi magnetici, mentre magneti in movimento generavano corrente elettrica, perciò ha scritto tutte le equazioni conosciute che descrivevano elettricità e magnetismo (legge di Ampère, legge di Faraday e legge di Gauss) e si è accorto che erano tutte perfettamente simmetriche e che potevano essere riscritte in maniera da inglobare elettricità e magnetismo all’interno della stessa teoria. In questo modo, ha dimostrato che non si trattava di due fenomeni distinti, ma semplicemente di due facce della stessa medaglia.

Più di recente è stata fatta la stessa cosa con la forza debole e quella elettromagnetica. Anche in questo caso, due forze molto diverse si sono rivelate due facce della stessa medaglia. Con l’ausilio della matematica, infatti, è possibile scriverle molto semplicemente come un’unica forza (chiamata con l’estroso nome di forza « elettrodebole »). Il fotone, che noi tutti conosciamo e amiamo, è in realtà solo una delle possibili manifestazioni di una forza più fondamentale in grado di produrre anche i bosoni W e Z che veicolano la forza debole.

Un passo dopo l’altro, abbiamo fatto progressi e ridotto la lunga lista di forze stilata da Ook e Groog prima a quattro e poi solo a tre elementi.

Di quanto ancora può essere ridotto il numero delle forze? È possibile che siano tutte diverse manifestazioni della stessa forza?

Può esserci una sola forza nell’universo? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Quanto siamo lontani dalla teoria del Tutto?

Una teoria del Tutto dev’essere in grado di descrivere tutto ciò che esiste nell’universo nel modo più semplice e fondamentale possibile. Ciò significa che deve funzionare fino alla distanza più piccola dell’universo (nel caso in cui esistesse), basarsi sui più piccoli pezzettini di Lego esistenti e descrivere tutte le possibili interazioni tra essi nel modo più sintetico possibile.

Fin qui, un’eventuale indiziata a essere la distanza più piccola (la lunghezza di Planck), un buon catalogo di dodici particelle che finora non siamo riusciti a distruggere in pezzi più piccoli (il Modello standard), e una lista di tre modi diversi in cui le particelle possono interagire (la forza elettrodebole, la forza forte e la gravità).

Quanto siamo lontani da una definitiva teoria del Tutto? Non ne abbiamo la più pallida idea, ma nessuno ci impedisce di abbandonarci alle supposizioni.

Se proseguissimo nel ragionamento, potremmo affermare che la descrizione più semplice che comprenda materia, forze e spazio, deve contemplare la presenza di una sola particella e una sola forza. Inoltre, dovrebbe avere il vincolo di una risoluzione minima, oppure dimostrare che questa non esiste.

A partire da questa teoria, si deve essere in grado di descrivere tutto ciò che c’è nell’universo (oggetti, comportamenti, babbuini) per poi spostarsi verso il basso, attraverso tutti i fenomeni emergenti in ciascun livello di complessità, riuscendo a spiegarli come risultato del moto e del comportamento di una sola particella che interagisce tramite una sola forza.

A quanto pare, c’è ancora strada da fare. E non dimentichiamo che tutte le teorie che abbiamo adesso funzionano solo per il 5 percento di universo! Non abbiamo ancora la più pallida idea di come descrivere il 95 percento restante. Stiamo solo facendo un po’ di solletico al problema.

Unire la forza di gravità e la meccanica quantistica

Uno degli ostacoli principali alla formulazione della teoria del Tutto riguarda la possibilità di unire gravità e meccanica quantistica. Vediamo di cosa si tratta.

Allo stato attuale, abbiamo due teorie per descrivere i vari fenomeni (sarebbe meglio parlare di due strutture teoriche): meccanica quantistica e teoria della relatività generale. Nel mondo della meccanica quantistica, tutto – anche l’azione delle forze – viene descritto come interazione di particelle quantistiche,[117] che sono a loro volta descritte come minuscole perturbazioni e hanno proprietà ondulatorie a causa delle quali possiedono un’intrinseca indeterminazione quantistica. Le perturbazioni si spostano all’interno di un universo fisso e quando interagiscono (quando cioè una particella ne attira un’altra o ne viene respinta) si scambiano reciprocamente altre particelle, che sono descritte anch’esse tramite un’onda. Esistono teorie quantistiche per descrivere la forza forte e quella elettrodebole, ma non esiste una teoria quantistica per la gravità.

La teoria della relatività generale, dal canto suo, è una teoria classica, il che vuol dire che è venuta prima della meccanica quantistica. Non presume che il mondo sia quantizzato. Una cosa che sa fare molto bene è descrivere il comportamento della gravità: nell’ambito della relatività generale, non è una forza che agisce su due corpi dotati di massa e attratti reciprocamente, ma è invece descritta come una deformazione dello spazio. Quando qualcosa ha massa deforma lo spazio e il tempo circostanti. Questa deformazione viene percepita dagli oggetti che si trovano nelle vicinanze, i quali tendono a spostarsi verso la massa che ha prodotto la deformazione.

Siamo dunque in presenza di una meravigliosa teoria per le particelle – la meccanica quantistica – in grado di descrivere quasi tutte le forze fondamentali, e di una meravigliosa teoria per la gravità – la relatività generale – che descrive un’altra forza fondamentale. C’è solo un piccolo problema: queste due teorie sono quasi incompatibili l’una con l’altra.

Sarebbe meraviglioso se si riuscisse a fondere le due teorie e a ricavare un’unica impalcatura teorica da cui partire alla ricerca della teoria del Tutto. Per il momento, però, non è ancora successo, anche se gli sforzi non sono certo mancati.

Quando si prova a unire le due teorie, saltano subito fuori due grossi problemi. Innanzitutto, pare che la meccanica quantistica funzioni bene solo in un noioso spazio piatto. Se si prova a estenderla alla gravità in uno spazio curvo, cominciano a succedere cose strane.

Per far funzionare le cose, bisogna usare uno speciale trucco matematico chiamato « rinormalizzazione », che permette di gestire alcune quantità che altrimenti assumerebbero un valore infinitamente grande, come per esempio la densità di carica di un elettrone puntiforme o il numero di fotoni irradiati a energie bassissime. La rinormalizzazione consente in sostanza di spazzare via gli infiniti nascondendoli sotto il tappeto, facendo poi finta che non ci sia nulla di nascosto.

Purtroppo, però, non funziona quando la si applica anche alla teoria della gravità quantistica in uno spazio curvo. Non appena si è riusciti finalmente a risolvere il problema di un infinito, ecco che ne sbuca fuori un altro. Non importa quanti infiniti cerchi di nascondere, a quanto pare ce n’è un numero infinito. Alla fine si arriva sempre a equazioni che fanno strane previsioni e che coinvolgono grandezze infinite che rendono la teoria inverificabile. La ragione – in parole semplici – è che la gravità determina una sorta di retroazione: più s’incurva lo spazio, più c’è gravità, più massa viene attratta. Si determina quindi un effetto non lineare che non è presente nella descrizione quantistica delle forze elettrodebole e forte.

Il secondo problema dell’integrare le due teorie sta nel fatto che vedono la gravità in modo molto diverso. Se si vuole descrivere anche la gravità come una forza quantistica, allora dev’esserci una particella che veicola la forza, ma per il momento nessuno l’ha mai vista. Fino a poco tempo fa, non c’erano i mezzi tecnici per poter rilevare una particella del genere (vedi il capitolo 6), ma in ogni caso non è stata ancora trovata.

Le due teorie dell’universo devono conciliarsi, ma non sappiamo se possono farlo. Non abbiamo la più pallida idea di cosa possa essere il gravitone, e tutte le previsioni fatte dalla teoria congiunta forniscono risultati divergenti e inutilizzabili.

I casi sono due: o non stiamo usando la matematica giusta per conciliare le teorie, o stiamo cercando di conciliarle nel modo sbagliato. Potrebbe anche darsi che entrambi i casi siano veri! Sappiamo come trattare le forze nell’ambito della meccanica quantistica, ma non come usarle per calcolare l’incurvamento dello spazio.

Come faremo a sapere che ci siamo riusciti?

Prova a immaginare che un giorno gli scienziati riescano a costruire un acceleratore di particelle grande quanto il sistema solare (che si chiamerà RLHC, ovvero Ridiculously Large Hadron Collider). Immagina anche che i dati di questo acceleratore di particelle incredibilmente grande rivelino l’esistenza dell’elemento fondamentale di materia delle dimensioni della lunghezza di Planck che, a sua volta, rappresenta l’unità di misura più piccola che abbia significato.

Dopo aver trovato l’elemento ultimo di materia, ipotizza di saperne descrivere le interazioni e comprendere il modo in cui avvengono i processi su scale via via crescenti.

Vorrebbe dire che avremmo finito?

Fin dai tempi di Guglielmo di Ockham,[118] scienziati e filosofi hanno preferito spiegazioni sintetiche e semplici rispetto a quelle complicate. Immagina di tornare a casa e trovare la tua piscina che puzza di babbuino. Avrebbe più senso ipotizzare che un’organizzazione criminale si sia introdotta furtivamente per versare odore di babbuino in un’operazione in cui erano coinvolti anche Justin Bieber e tre giocatori di basket, o sarebbe più logico supporre semplicemente che il tuo babbuino domestico abbia disubbidito agli ordini e si sia fatto un bel bagno rinfrescante?

Se hai a disposizione due teorie diverse in grado di spiegare entrambe un certo fenomeno, quella più semplice è probabilmente quella giusta (ammesso che tu abbia un babbuino). I fisici hanno avuto spesso fortuna quando sono riusciti a semplificare le teorie, riuscendo a notare come eventi diversi fossero in realtà collegati tra loro, per esempio nel caso del tuono e del fulmine.

A parte chiederci se esiste o no la particella più piccola, dovremmo porci il problema di trovare la teoria più semplice. Potremmo anche dimostrare che esistono la distanza più piccola dell’universo e la particella più piccola, ma siamo in grado di dimostrare di aver trovato la teoria più semplice? Come facciamo a sapere che abbiamo concluso la nostra ricerca? Magari potremmo esserci illusi di aver raggiunto il traguardo, salvo poi incontrare dei fisici alieni che sono stati capaci di formulare una teoria ancora più semplice.

Il primo aspetto da considerare è in che modo si può misurare la semplicità di una teoria. Dipende da quanto sinteticamente riusciamo a scriverla? Da quanto sono belle e simmetriche le equazioni che ne derivano? Dalla possibilità di farcela stare su una maglietta?

Un criterio importante è dato dalla quantità di numeri che occorre utilizzare. Immagina di essere giunto alla teoria del Tutto e di avere una certa costante che compare nelle formule. Non è tanto importante quale sia il suo valore numerico, ma ipotizza che sia una grandezza significativa, come la massa della particella più fondamentale dell’universo, che chiameremo il « minuscolone ». Immagina poi che, per poter utilizzare la teoria (magari per prevedere quanto tempo impieghi a cadere da un lama), occorra determinare l’entità di questa costante. Non ti resta che tornare all’acceleratore, metterlo in funzione, misurare la massa del minuscolone e inserire il valore nelle formule. Voilà: la teoria funziona e devi solo metterti seduto ad aspettare che il comitato per il Nobel venga ad annunciarti il riconoscimento.

Adesso si presenta uno sconosciuto che afferma di aver trovato anche lui una teoria del Tutto. La sua è un po’ diversa e contiene già il valore numerico della massa del minuscolone. Funziona solo se si considera proprio quel numero. Lo sconosciuto non ha bisogno di fare altre misurazioni, visto che le equazioni prevedono il valore numerico. Gli serve una costante in meno per far funzionare la teoria.

Anche se le tue equazioni possono sembrare più generali, quelle dello sconosciuto illustrano meglio le caratteristiche dell’universo essendo in grado di dire perché la massa del minuscolone è proprio quella (altrimenti la teoria non funzionerebbe). Ha meno costanti, quindi è più semplice, quindi è più fondamentale. Addio premio Nobel.

Un modo per capire se siamo davvero giunti a formulare la teoria del Tutto è contare quante costanti contiene: meno ce ne sono, e più siamo vicini al centro della cipolla.

Magari al centro non ci sono costanti. Forse nel cuore della radice da cui scaturisce l’intero universo c’è solo matematica pura. Tutte le costanti che conosciamo (come la costante gravitazionale, la lunghezza di Planck o il numero di volte che un mastodonte ti ha calpestato un piede) possono essere meravigliosamente dedotte usando solo la matematica.

L’attuale Modello standard ha tantissimi parametri del genere – ce ne sono ventuno sintetizzati nella lista che segue – e non riesce neanche a descrivere la gravità, la materia oscura e l’energia oscura:

Dodici parametri per le masse di quark e leptoni

Quattro angoli per determinare il modo in cui avvengono le transizioni da un tipo di quark a un altro[119]

Tre parametri che determinano l’intensità delle forze elettrodebole e forte

Due parametri per la teoria di Higgs

Un topolino comprato alla fiera dell’Est (teorizzato)

La verità è che non sappiamo proprio come fare a sapere se una teoria è quella finale oppure no. Potrebbero non esserci costanti nell’universo, oppure ce ne sono e hanno un significato profondo. Se scoprissimo una possibile teoria del Tutto che contiene il numero quattro, vorrebbe dire che il numero quattro rappresenta qualcosa d’importante?

Magari questi numeri sono dovuti a qualche evento casuale accaduto nei primi istanti dell’universo, e in altri universi tascabili hanno valori diversi. Vedi il capitolo 14 per una discussione su questi multiversi, ma sappi che tali idee non sono verificabili sperimentalmente, per cui rientrano nell’ambito delle teorie filosofiche.

Formulare una nostra teoria del Tutto

Visto che ci troviamo a quindici ordini di grandezza dalla lunghezza di Planck e che stiamo ancora impazzendo per trovare una teoria unificata in grado di descrivere un misero 5 percento di universo, magari dovremmo cambiare modo di procedere.

Perché, al posto di trivellare gli strati della cipolla, non proviamo a partire direttamente dal centro?

Al momento, siamo così lontani da questo centro, che siamo liberi di speculare e fare ipotesi su quello che potrebbe essere.

Forse l’universo è fatto con un solo tipo di minuscole particelle, o forse con piccoli würstel o babbuini in miniatura.

Se una teoria del Tutto è in grado di predire le particelle e le forze che effettivamente si vedono, non può essere confutata da nulla. Se sei un filosofo o un matematico, puoi considerare l’universo come un immenso parco giochi intellettuale in cui non ci sono regole. Se vuoi descriverlo in modo scientifico (se quindi sei un fisico), la teoria dei babbuini in miniatura deve fare qualcosa in più del descrivere gli elettroni come particelle fatte di babbuini: deve saper effettuare previsioni verificabili sperimentalmente.

Teoria delle stringhe

Probabilmente l’idea più famosa e controversa della fisica moderna è la teoria delle stringhe, secondo cui l’universo ha dieci, undici, o forse più, dimensioni per lo spazio-tempo. Molte di queste dimensioni aggiuntive non sarebbero visibili perché attorcigliate o molto piccole, e sono piene di piccole cordicelle o stringhe. Vai al capitolo 9 per una discussione più dettagliata da cui si evince che l’ipotesi non è del tutto priva di senso.

Le stringhe vibrano e – a seconda di come lo fanno – si comportano come le particelle che abbiamo scoperto finora. Possono anche descrivere particelle che non abbiamo ancora visto, come il gravitone. La teoria delle stringhe è ritenuta matematicamente bella e affascinante. Si tratta di una vera teoria del Tutto, visto che è in grado di unificare tutte le forze e di descrivere la realtà nel suo livello più basso. Prima di aggiungere anche il tuo nome alla lista dei veri credenti della Chiesa della Teoria delle Stringhe, dovresti conoscere alcuni dettagli. O forse sarebbe meglio dire questioni delicate, o aspetti preoccupanti. Ok, forse sono problemi belli grossi.

Il primo è che, pur essendo teoricamente in grado di descrivere tutto, non è ancora riuscita a farlo. Finora i fisici non hanno trovato la prova che non è una teoria del Tutto, ma è ancora molto lontana dall’essere completa. Prima che si possa considerare assoluta, devono essere sviluppati parecchi aspetti matematici e vanno sistemati alcuni tasselli.

Questo porta al secondo problema: si tratta ancora di una teoria descrittiva, non in grado di fornire previsioni sperimentalmente verificabili. In generale, anche se una teoria è coerente e matematicamente affascinante, non significa che si basi su ipotesi valide.

Per scoprire se i pezzetti più piccoli di materia sono corde che vibrano o minuscoloni, bisogna formulare teorie in grado di fare previsioni verificabili. Visto che la teoria delle stringhe tratta oggetti della dimensione della lunghezza di Planck, non può essere convalidata. Esattamente come nel caso della teoria del Gattino dello Spazio Profondo, potrebbe essere corretta o sbagliata, ma credere senza una conferma sperimentale rientra nell’ambito della filosofia, o della matematica, o della fede. Non della fisica.

È sicuramente possibile che in futuro si giungerà a tecniche sperimentali molto migliori o che brillanti fisici teorici sapranno trovare un fenomeno nell’universo in grado di rivelarsi una predizione (e quindi una verifica) della teoria. Per il momento non è così.

L’ultimo problema della teoria delle stringhe riguarda uno dei parametri. La dinamica prevista dalla teoria dipende dal numero e dalla forma delle dimensioni spaziotemporali. Ci sono molte possibilità per scegliere queste dimensioni. Un po’ più di « molte »: 10^500 modi differenti, ovvero 10^410 volte più del numero di tutte le particelle dell’universo e 10^497 volte più del numero di amici che hai su Facebook. Forse nuove formulazioni della teoria riusciranno a ridurre il numero di scelte arbitrarie, ma se si dovesse giudicare la completezza di una teoria dal numero di parametri, sembra che questa debba fare ancora tanta strada.

Procedere in tondo

Un tentativo molto diverso di affrontare la questione consiste nell’immaginare che lo spazio infinitesimo sia quantizzato. In questa ipotesi, lo spazio è costruito a partire da piccole unità indivisibili a forma di anello che hanno le dimensioni della lunghezza di Planck, ovvero 10–35 metri. Intrecciando un numero sufficiente di anellini, si possono ottenere tutto lo spazio e tutta la materia.

La teoria prende il nome di gravità quantistica a loop, ed è in grado di unificare la gravità e le altre forze spiegando la natura dell’universo fino ai costituenti ultimi. Purtroppo, però, presenta gli stessi problemi della teoria delle stringhe: non essendoci modo di verificarla sperimentalmente, non può essere considerata una teoria scientifica. In particolare, prevede un fenomeno che prende il nome di Big Bounce, secondo cui l’universo si espande e si contrae periodicamente. Anche se fosse possibile convalidare la teoria, dovresti aspettare miliardi di anni prima che il prossimo rimbalzo ti permetta di reclamare l’ambito premio Nobel.[120]

Si tratta di tentativi iniziali. La speranza è che a partire da queste idee, lasciandosi ispirare da esse, o magari facendo sedute di meditazione in compagnia di pensosi babbuini, qualche fisico sia in grado di formulare una teoria del Tutto che non solo spieghi ogni cosa, ma produca anche previsioni verificabili.

Tutto questo servirà a qualcosa?

Quanto sarà utile avere una teoria del Tutto per risolvere problemi quotidiani?

A dire il vero, molto poco.

Anche se una teoria del Tutto potrebbe rivelarci i segreti meccanismi di funzionamento dell’universo, probabilmente non sarebbe granché utile per usi pratici, come la realizzazione di una rete protettiva per piscine a prova di scimmia.

La cosa interessante di un universo a cipolla, caratterizzato da fenomeni che emergono a scale distinte, è che teorie diverse possono risultare tutte contemporaneamente corrette. Immagina di dover descrivere il moto di una palla che rimbalza. Si può fare usando la fisica newtoniana (quella che si impara al liceo) e considerare la palla come un oggetto mosso dalla forza di gravità. In questo caso, arriveresti a una semplice traiettoria parabolica che può essere descritta usando una sola riga di formule.

Oppure si può descrivere il moto usando la teoria quantistica dei campi, facendo un modello che coinvolga la meccanica quantistica di ognuna delle più o meno 10^25 particelle che costituiscono la pallina e descrivendo cosa succede a ciascuna di esse quando interagisce con le altre e con l’ambiente. Del tutto impraticabile, ma teoricamente possibile. In linea di principio, si dovrebbe arrivare allo stesso identico risultato, ma sarebbe una cosa impossibile da fare.

Se avessimo una teoria capace di descrivere correttamente la natura a partire dal livello più profondo, potremmo essere teoricamente in grado di desumere il meccanismo di formazione delle galassie, la fluidodinamica o la chimica organica. Nella pratica, procedere in questo modo sarebbe assurdo e inutile.

L’universo è comprensibile e descrivibile a livelli diversi. Non serve partire dal punto più basso per fare la chimica organica o per capire le ossessioni dei babbuini, richiederebbe solo uno sforzo immenso. Nessuno pensa che un surfista, per stare in equilibrio sulla tavola, debba comprendere la teoria delle stringhe e calcolare il moto di 10^30 particelle di un’onda. Analogamente, quando devi fare una torta, non desideri certo avere una ricetta in termini di quark ed elettroni.[121]

Se i primi scienziati della storia avessero dovuto iniziare dalle particelle elementari, non saremmo arrivati da nessuna parte.

Fino in fondo

La ricerca della teoria del Tutto è un tentativo di arrivare a un risultato mai raggiunto finora: la scoperta dei segreti più profondi e nascosti dell’universo.

Finora l’uomo ha dimostrato d’essere abbastanza abile da trovare descrizioni funzionanti del mondo circostante. Dalla chimica all’economia, alla psicologia delle scimmie, i modelli sono serviti a migliorare le nostre vite e aiutarci a costruire società, curare malattie, aumentare la velocità dei collegamenti Internet. Il fatto che le descrizioni che usiamo non siano fondamentali, ma solo limitate a qualche fenomeno emergente, non le rende meno utili o efficaci.

Quello che manca a tutte queste teorie è la capacità di svelare il vero modo in cui funziona l’universo.

E noi vogliamo andare fino in fondo. Non perché ci serva per risolvere i problemi comportamentali del nostro babbuino o per fare maratone su Netflix, ma perché ci aiuterebbe a comprendere qual è il nostro posto nell’universo.

Purtroppo, però, come per molte grandi domande sull’universo, non abbiamo la più pallida idea di che aspetto possa avere una teoria del Tutto. Abbiamo il sospetto che le particelle più piccole che conosciamo (elettroni, quark ecc.) possano essere 10^15 volte più grandi dei costituenti ultimi dell’universo. Immagina d’essere grande quanto una galassia e di pensare che una stella è il più piccolo oggetto esistente. La nostra distanza dalla vera teoria del Tutto potrebbe essere grande così.

Non abbiamo ancora saputo descrivere tutte le forze nell’ambito di una sola teoria. Tuttora, la gravità non va d’accordo con la meccanica quantistica nonostante un secolo di mediazioni e terapie. Non abbiamo neanche la garanzia che esista davvero una teoria del Tutto.

Nulla però deve fermare la nostra ricerca. Fino a oggi, ogni volta che abbiamo sfogliato uno strato di realtà, ogni volta che abbiamo fatto un passo verso il centro dell’universo a cipolla, sono comparse strutture nuove e bizzarre, che hanno modificato il nostro modo di concepire la vita.

17
Siamo soli nell’universo?
Perché nessuno è mai venuto a trovarci?

Ogni viaggio in un Paese straniero ci porta all’affascinante scoperta di modi di vivere diversi dal nostro.

Come sarà il caffè, lungo e acquoso, o ristretto e forte? E i bagni saranno piccole stanze con una porta che garantisca un po’ d’intimità, o cabine sgangherate in cui sarà impossibile nascondere imbarazzanti indigestioni? Alzare e abbassare la testa indicherà sì, no o che vuoi bulbi oculari e tentacoli extra nel frappè? Per mangiare useranno forchette o bacchette, oppure le mani o delle farfalle ammaestrate? Si guiderà tenendo la destra, la sinistra, o entrambe?[122] Il valore più importante della vita sarà accumulare soldi, trovare l’amore o infastidire i parenti?

D’altra parte, però, molte cose saranno simili a quelle di casa propria. Dopotutto, anche là si mangia, si dorme e si chiacchiera. Magari nel piatto della colazione può capitare d’imbattersi in occhi che ti fissano oppure il caffè viene servito dentro una scarpa, ma alla fin fine tutti mangiano e bevono esattamente come te.

Quando si visitano altre culture, ci si rende conto di come alcuni aspetti siano universali e legati a necessità condivise da tutti gli uomini (mangiare, dormire, assumere caffeina ecc.), mentre altri sono locali e frutto di scelte casuali, anche se a noi possono sembrare fondamentali (bagni, posate, tentacoli a colazione e così via). Si tratta in realtà di dettagli che facilmente avrebbero potuto essere diversi. Osservare gli altri è il modo migliore per imparare quanto siano locali alcune cose che noi consideravamo universali.

Lo stesso principio che si applica ai cibi da colazione rimane valido nell’ambito della scienza. Tanti concetti errati riguardo all’universo derivano da una esagerata generalizzazione delle nostre ridotte esperienze locali. Per migliaia di anni, per esempio, gli uomini hanno creduto d’essere al centro dell’universo, o che addirittura il nostro mondo coincidesse con l’universo, con stelle e Sole a fare da scenografia esclusiva. A causa del nostro punto di vista locale, tutte queste idee erano certamente ragionevoli.

Forse, tra cinquemila anni, anche il nostro modo di vedere apparirà altrettanto ingenuo. Gli astronomi ci hanno già dato la brutta notizia che siamo solo minuscole persone su un minuscolo granello in un insignificante angolino di un universo immenso. Cos’altro potremmo aver mal interpretato dal nostro singolo punto di vista? Che dire del cosmo che vediamo e che consideriamo universale, quando invece è anch’esso locale? Si trova un buon frappè di bulbi oculari take away su Alfa Centauri alle tre del mattino?

Forse la domanda più importante che possiamo farci a proposito dell’universalità del nostro punto di vista riguarda la vita stessa: è qualcosa di comune o di raro?

L’universo pullula di vita o noi siamo gli unici? Visto che abbiamo esplorato solo la Terra e le sue immediate vicinanze, rispondere alla domanda è piuttosto difficile. Siamo come una tribù primitiva che vive in mezzo alla giungla senza essere minimamente consapevole dell’esistenza di altre civiltà? O come gli abitanti di un’oasi sperduta in un immenso, vuoto e sterile deserto? Per nostra sfortuna, entrambe le possibilità si conciliano con la nostra esperienza locale, per cui non possiamo prediligerne nessuna.

Se – e si tratta di un enorme « se » – ci fosse altra vita intelligente, la seconda domanda da porsi sarebbe: perché non ci siamo mai venuti a contatto? Perché non abbiamo mai ricevuto nessun messaggio, nessuna lettera, nessun invito a una festa? Siamo gli unici esseri dotati di coscienza o ce ne sono altri? Sono troppo lontani o ci ignorano di proposito, escludendoci dai loro tornei galattici di dodgeball?

E se venissimo contattati da altri esseri intelligenti, cosa potremmo imparare se riuscissimo a comunicare con loro? Cosa potrebbero aver capito loro di ciò che a noi ancora sfugge? Abbiamo esplorato l’universo quasi solo attraverso l’osservazione delle radiazioni elettromagnetiche (cioè la luce), perché è quello che siamo abituati a fare con i nostri occhi. Forse però gli alieni hanno scoperto che l’universo è immerso in informazioni di altro tipo (magari neutrini o particelle di cui noi ignoriamo l’esistenza) con cui si può avere una conoscenza totalmente diversa del funzionamento delle cose. Magari questi alieni non hanno neanche gli occhi! Sono tutte libere congetture, ma ogni scenario è possibile e non abbiamo la più pallida idea di quale sia quello giusto.

Anche l’idea di poter imparare dagli alieni implica molte supposizioni in merito alle loro modalità di comportamento. Scrivono libri o si trasmettono informazioni tramite connessioni telepatiche? La matematica è parte integrante del loro modo di pensare o è solo un’invenzione umana? Praticano la scienza? Noi stessi non la praticavamo affatto fino a un tempo vergognosamente recente, e anche al giorno d’oggi la nostra scienza consiste per lo più nel bere caffè con qualche occasionale intuizione e alcuni rari pomeriggi fruttuosi.

In questo capitolo, parleremo del livello della nostra conoscenza e della nostra ignoranza riguardo alle domande più profonde sulla vita: siamo soli? Se non lo siamo, perché nessuno si è mai fatto vivo? Vogliamo davvero entrare in contatto con loro? E se fossero loro a farlo, che cosa saprebbero dirci sulla vita, l’universo e tutto quanto?[123]

C’è qualcuno là fuori?

Se avessimo la certezza d’essere l’unica forma di vita in tutto l’universo, sarebbe qualcosa di molto particolare per noi e per il nostro pianeta. Essere da soli in un tale sconfinato cosmo vorrebbe proprio dire che la vita è un evento incredibilmente raro. Se poi l’universo fosse infinito, sarebbe molto più che raro: sarebbe praticamente impossibile. In un universo infinito, qualsiasi cosa che abbia anche solo una minuscola probabilità di accadere accade. Addirittura, un evento con una probabilità strettamente maggiore di zero si verificherebbe un numero infinito di volte. Solo le cose con probabilità infinitamente piccola si verificano una volta sola.

D’altro canto, sapere di non essere soli rafforzerebbe la consapevolezza del fatto che, nonostante la nostra intelligenza e il nostro livello di civiltà, non occupiamo una posizione privilegiata nell’universo. Vorrebbe dire che ben poco dell’esperienza umana rivelerebbe qualcosa di profondo o interessante sull’universo. Roba da farci sentire nel contempo umili ed emozionati.

In che situazione ci troviamo, quindi? Siamo speciali o banali?

È decisamente complicato fare ipotesi del genere solo sulla base di ciò che vediamo dal nostro unico punto di vista possibile. Ci sono due possibilità e non siamo in grado di riconoscere quella giusta: 1) siamo l’unica forma di vita nell’universo; 2) l’universo pullula di vita che non riusciamo a vedere perché è troppo lontana o perché è così strana che non possiamo né notarla, né riconoscerla come vita.

Immagina di essere un alunno delle scuole elementari. Un bel giorno, durante un compito in classe di matematica, ti viene consegnato anche un foglio con le soluzioni! All’inizio ti sentiresti eccitato, ma probabilmente ti chiederesti subito se sei l’unico ad averle ricevute. Forse è solo un’esercitazione e nessuno te l’ha detto. Forse anche gli altri bambini hanno ricevuto il foglio con le soluzioni, ma non vogliono farlo sapere a nessuno. In ogni caso, non puoi sapere se sei l’unico studente a essere stato così fortunato o se tutti conoscono le risposte. Se nessuno dei tuoi compagni ha ricevuto il foglio, non ci sarebbe nessuno che fa domande. Il fatto che tu ne sia in possesso non ti permette di sapere se sei speciale o no. Non puoi avere una visione globale dal tuo punto di vista locale.

Per quanto riguarda la questione della vita, non possiamo fare molto. Possiamo esplorare la Terra e studiare le varie forme di vita esistenti. Se ci sono caratteristiche che cambiano parecchio da un organismo all’altro (come per esempio il colore della pelle o il gusto di gelato preferito), possiamo essere abbastanza sicuri che non si tratta di aspetti necessari e fondamentali per la vita. Su altri pianeti queste caratteristiche potrebbero essere del tutto diverse (magari sul pianeta Zlybroxxia il gelato all’aglio ha un successo strepitoso). Se invece ci fossero peculiarità comuni a tutte le forme di vita sulla Terra (come la necessità di avere una fonte di energia e di acqua), potremmo supporre che siano caratteristiche necessarie alla vita ovunque essa si trovi. Questo ragionamento è particolarmente valido in quanto si può dimostrare che alcuni tratti caratteristici della vita si sono sviluppati in occasioni diverse e in modo indipendente: per esempio, gli occhi (sul serio!).

In questo senso, può essere utile riscrivere le domande utilizzando il formalismo matematico. Immagina, per esempio, di voler fare una stima del numero di persone che abitano nel tuo quartiere: potresti fare un’esauriente analisi porta a porta, oppure effettuare una semplice moltiplicazione del numero di case per il numero medio di persone che vivono in una casa.

In modo analogo, per fare una stima del numero di possibili forme di vita intelligente (N), potremmo scrivere un’equazione matematica più o meno come questa:

N = nstelle × npianeti × fbiocompatibile × fvita × fintelligenza × fciviltà × L

Le variabili che entrano nell’equazione sono:

nstelle Numero di stelle nella galassia
npianeti Numero medio di pianeti per stella
fbiocompatibile Frazione di pianeti biocompatibili, cioè adatti alla vita
fvita Frazione di pianeti biocompatibili su cui si sia effettivamente sviluppata la vita
fintelligenza Frazione di pianeti con forme di vita intelligente
fciviltà Frazione di specie intelligenti che abbiano sviluppato una civiltà tecnologica in grado di mandare messaggi o astronavi nello spazio

L Probabilità che esistano nello stesso momento in cui esistiamo noi

Si tratta di una formula matematica molto semplice (che prende il nome di equazione di Drake). La sua utilità risiede nel rendere possibile suddividere il problema in parti distinte: basta anche solo una di queste parti con un valore nullo, e non riceveremo mai notizie dagli alieni, anche se esistessero davvero.

Occorre sempre tenere a mente che si tratta di una stima basata sulla nostra esperienza di vita locale. In fin dei conti, restiamo pur sempre limitati dall’impossibilità di fare del turismo interplanetario. Possiamo fare una lista quanto più accurata possibile di tutte le caratteristiche necessarie alla vita, ma potrebbero essere necessarie solo alla vita per come la conosciamo noi. Magari, invece, la vita ha luogo in condizioni che noi neanche immaginiamo. Potrebbero esistere organismi caratterizzati dall’avere scambi chimici lentissimi, cicli di vita che per noi sarebbero eterni; organismi incredibilmente estesi o perfino delimitati da confini spaziali che ci apparirebbero vaghi e indefinibili. In sostanza, dobbiamo sempre ricordarci che quelli che noi consideriamo requisiti vincolanti per una forma di vita intelligente potrebbero non avere nessuna ragione d’essere. E l’unico modo per saperlo con certezza è trovare qualche prova da altre parti nell’universo.

Tenendo a mente tutti questi avvertimenti, affrontiamo ora l’equazione un pezzetto alla volta.

Numero di stelle (nstelle)

Secondo gli astronomi, il numero di stelle nella nostra galassia è incredibilmente grande: cento miliardi. Partire da un numero così grande è parecchio incoraggiante, anche perché gli altri pezzi dell’equazione potrebbero essere molto vicini allo zero.

Ma perché concentrarci solo sulla nostra galassia? Nell’universo osservabile si stima ci siano da uno a due trilioni, di galassie. Il motivo per cui partiamo dalla Via Lattea è che, se già le stelle della nostra galassia sono molto lontane, quelle delle altre sono lontane in modo deprimente, e comunicare o fare viaggi a tali distanze sembra proprio impossibile a meno di riuscire a sfruttare scorciatoie come cunicoli spaziotemporali o percorsi deformati. Per il momento, quindi, tanto vale considerare solo la nostra galassia e tenerci le altre nel taschino in caso di necessità. Se alla fine saremo depressi dal risultato e vorremo gonfiarlo un po’, potremo sempre moltiplicarlo per qualche trilione.

Numero di pianeti adatti alla vita
(npianeti × fbiocompatibile)

Fra tutte le stelle della nostra galassia, quante hanno pianeti in grado di ospitare la vita? Come devono essere fatti questi pianeti? L’unica possibilità è che siano rocciosi come la Terra, o possono anche essere diversi?

Per esempio, potrebbero esistere forme di vita in grado di prosperare anche nell’atmosfera di enormi giganti gassosi ghiacciati, o di nuotare nella lava sulla superficie fusa di piccoli pianeti bollenti.

Per il momento, però, limitiamoci alla ricerca di pianeti come la Terra, ovvero rocciosi piuttosto che gassosi, di dimensioni simili e con una quantità di energia paragonabile a quella che la Terra riceve dal Sole. È un po’ riduttivo, ma anche più realistico, visto che per quanto ne sappiamo la Terra è l’unico pianeta su cui c’è vita.

Quanti sono dunque nella nostra galassia i pianeti accoglienti come il nostro? I telescopi di cui disponiamo non sono abbastanza potenti da vedere piccole rocce buie che orbitano intorno a lontane stelle brillanti. Non solo questi pianeti sarebbero talmente lontani da essere sostanzialmente invisibili, ma dal nostro punto di vista sarebbero così vicini ai loro soli da esserne del tutto oscurati. Se guardi in modo fisso un faro che emette una luce molto intensa, infatti, non riusciresti mai a notare un sassolino che gli si trova di fianco.

Per questa ragione, fino a poco tempo fa, non avevamo la più pallida idea di quanti pianeti orbitassero intorno a una stella tipica, né quanti di loro fossero simili alla Terra. Nell’ultimo decennio, però, gli astronomi sono riusciti a sviluppare tecniche molto astute per rilevare in modo indiretto la presenza di pianeti. È possibile, infatti, misurare le piccole oscillazioni nella posizione di una stella e desumere le spinte gravitazionali esercitate dai pianeti. E si possono anche osservare i periodici cali nella luminosità della stella, che vengono causati dai pianeti in transito di fronte a essa. Sfruttando queste e altre tecniche, gli astronomi hanno fatto una scoperta straordinaria: circa una stella su cinque tra quelle della nostra galassia ha un pianeta di dimensioni simili alla Terra che riceve una quantità di energia simile a quella che riceviamo noi. Tradotto in numeri, vuol dire che di possibili Terre, solo nella nostra galassia, potrebbero essercene miliardi. Evviva! Ottime notizie per la nascente industria del turismo alieno.

Numero di pianeti abitabili con forme di vita (fvita)

Se ci limitiamo alla nostra galassia, sappiamo che ci sono circa cento miliardi di stelle intorno a cui orbitano venti miliardi di pianeti simili alla Terra. Venti miliardi di piastre di Petri dove può nascere vita: sono una bella quantità. I numeri sembrano incoraggianti, ma adesso viene il difficile: quanti, tra questi pianeti potenzialmente idonei, ospitano davvero forme di vita?

Prima di pensare a questo problema dobbiamo chiederci: quali sono gli ingredienti necessari alla vita? Dall’analisi della gran varietà di esseri viventi presenti sulla Terra, possiamo concludere che serve sempre acqua, elemento fondamentale per i complicati processi chimici e per il trasporto, e serve anche tanto carbonio, che compare in parecchi composti chimici e fornisce supporto meccanico, per esempio nelle pareti delle cellule e nelle ossa. Altri elementi necessari sono, a quanto pare, l’azoto, il fosforo e lo zolfo, principalmente per la fabbricazione di DNA ed altre proteine cruciali.

La vita come la conosciamo può esistere senza di essi? Alcuni sostengono che il silicio potrebbe essere impiegato al posto del carbonio. Fare ragionamenti di questo tipo può essere utile, ma forse il silicio, essendo più pesante e complesso del carbonio (ha quattordici protoni contro i sei del carbonio), è troppo poco abbondante per aprire nuove strade alla vita.

È invece parecchio più difficile sapere se questi elementi bastino da soli a generare vita. Se da qualche parte ci fosse un pianeta accogliente e sufficientemente riscaldato, con oceani e una grande abbondanza di questi elementi, liberi di miscelarsi e urtarsi, quali sarebbero le probabilità che vi nasca la vita? Si tratta di una delle più basilari e profonde questioni della biologia, e la risposta è tutt’altro che semplice. Qui sulla Terra, sappiamo che la vita ha avuto inizio qualche milione di anni dopo la comparsa dell’acqua sulla sua superficie. Di dettagli ne conosciamo pochi. Non sappiamo se è stato un tempo d’attesa lungo o corto dopo che gli ingredienti della zuppa chimica si erano mescolati.

Gli scienziati hanno provato a replicare alcuni passaggi che ritenevano necessari affinché da una zuppa sterile si ottenessero organismi viventi. In un famoso esperimento, si è partiti con una miscela di questi elementi chimici e la si è sottoposta a scariche elettriche per simulare gli effetti dei fulmini che colpivano la Terra primitiva. Non è nato nessun Frankenstein, ma è stata in effetti prodotta qualche molecola complessa necessaria alla vita. Si potrebbe quindi pensare che – almeno per alcuni passaggi – è sufficiente disporre di tutti i pezzi necessari e aspettare che arrivi la giusta quantità di energia attraverso il calore geotermico, le scariche elettriche dei fulmini o i laser delle armi aliene.

Fino a oggi abbiamo capito molto poco di come sia stato possibile creare la vita sulla Terra partendo da un ambiente sterile.[124] Se avessimo una conoscenza maggiore, potremmo tentare una stima più ragionevole della probabilità che nasca la vita su un pianeta con condizioni simili al nostro. Forse ci faremo un’idea solo quando ne sapremo di più, ma per ora non possiamo dire se è un evento che si verifica sempre o solo in un caso su un quadriliardo. Inoltre, dobbiamo sempre tener presente che potrebbero esserci forme di vita completamente diverse, ciascuna con la sua specifica probabilità di avere origine da una miscela sterile.

La nostra Terra non è l’unico posto dove sono presenti tutti gli elementi chimici necessari alla vita. Su Marte sono stati trovati parecchi ingredienti (anche l’acqua liquida!), ma finora non si è trovata nessuna prova di vita, né piccola né grande.

Altri luoghi nel nostro sistema solare, pur non rientrando tra le mete turistiche più ambite, sarebbero teoricamente in grado di ospitare la vita. Europa, uno dei satelliti di Giove, potrebbe avere un enorme oceano sotterraneo, mentre Titano, satellite di Saturno, possiede atmosfera e oceani di elementi chimici in cui potrebbero nascere organismi primordiali. Siamo ben lontani dall’affermare che c’è vita anche là, ma sembra almeno che ci siano gli ingredienti giusti e anche abbastanza diffusi.

Visto che stiamo facendo libere congetture, come facciamo a essere sicuri che sia proprio la Terra il luogo in cui è nata la vita? Tra le tante ipotesi poco credibili, ce n’è una decisamente fantascientifica ma che ha una probabilità diversa da zero di essere vera. La vita potrebbe essere nata altrove ed essere stata trasportata sulla Terra da un meteorite. Sembra uno scherzo, soprattutto se si pensa a microbi che costruiscono minuscoli razzi e affrontano viaggi eterni per arrivare fin qui. In realtà, i microbi non avrebbero bisogno di costruire astronavi per viaggiare tra stelle e pianeti. Quando qualcosa di molto voluminoso (come un grande asteroide) colpisce un pianeta, l’impatto è in grado di spedire nello spazio pezzi di pianeta, che potrebbero vagare per miliardi di anni o finire arrostiti se passano troppo vicini a una stella. A volte, però, riescono a raggiungere altri pianeti. Sulla Terra sono state trovate rocce che quasi certamente sono arrivate da Marte proprio grazie a questo fenomeno. Di certo, è possibile che qualche corpo celeste viaggi da un pianeta all’altro in seguito a un’esplosione. Nel caso in cui queste rocce contenessero organismi viventi che trovano riparo al loro interno, o minuscoli microbi o addirittura piccolissimi animali in grado di sopravvivere nel vuoto dello spazio,[125] non sarebbe impossibile (anche se certamente molto poco plausibile) che la vita microbica riesca a saltare da un pianeta a un altro.

Se fosse andata così – e non ne abbiamo alcuna prova – significherebbe che gli alieni esistono davvero: siamo noi! In effetti, gli scienziati una volta hanno trovato una roccia chiaramente proveniente da Marte, che aveva al suo interno strane e misteriose forme che ricordavano qualcosa di affine alla vita, vagamente simili a microbi terrestri. C’è da dire che molti sono parecchio scettici nel ritenere queste tracce una prova dell’esistenza di vita su Marte. Resta, però, il fatto che se ci fosse stata vita su Marte (o altrove) avrebbe potuto fare l’autostop fino alla Terra e diffondersi anche qui da noi.

Oltre a farci fantasticare sui nostri possibili bis-bis-bis-bis-bisnonni extraterrestri, l’idea ci fornisce un’opportunità. Se mai ci fosse vita su altri pianeti, potremmo trovarne le prove analizzando gli asteroidi. Certo, non è detto che questa spazzatura interplanetaria possieda caratteristiche tali da poter generare vita, ma se proviene da un pianeta lontano, magari contiene tracce di vita di un mondo remoto.

Numero di pianeti abitabili con forme
di vita intelligente (fintelligenza)

Dopo che la vita microbica ha avuto inizio, quali condizioni occorrono perché si sviluppino organismi complessi e vita intelligente?

Di sicuro serve tantissimo tempo, il che significa che devono esserci periodi molto lunghi tra gli eventi in grado di distruggere questa fragile colonia iniziale. La vita intelligente sulla Terra è comparsa tra i cinquecentomila e il milione di anni fa, a seconda di quale sia la soglia che si fissa per definire che cos’è l’intelligenza (qualcuno potrebbe dire che non l’abbiamo ancora raggiunta). Pertanto, la vita intelligente è arrivata miliardi di anni dopo la comparsa della vita: non proprio un processo rapido.

Queste condizioni pongono qualche vincolo ai luoghi in cui potrebbe svilupparsi la vita. Per esempio, se un pianeta fosse troppo vicino al centro della galassia, si troverebbe investito dall’incessante radiazione proveniente dal buco nero e dalle stelle di neutroni che si trovano al centro. E la radiazione potrebbe interferire pesantemente con i delicati meccanismi chimici necessari alla vita.

C’è poi un’altra ragione per cui non è desiderabile trovarsi troppo vicini alle stelle più antiche e al centro denso della galassia: tutti questi oggetti possono entrare in collisione o perturbare le orbite di grandi meteoriti e asteroidi eventualmente presenti nella zona. Se qualcuno di essi cadesse sul tuo pianeta, potrebbe provocare l’estinzione di tutto. Secondo alcuni scienziati, il fatto che nel nostro sistema solare ci siano due pianeti con una grande massa (Saturno e Giove) su orbite più ampie della nostra fa sì che si crei una sorta di aspirapolvere cosmico capace di catturare molti oggetti che potrebbero altrimenti essere un pericolo per la Terra.

D’altra parte non si può neanche stare troppo lontani dal centro della galassia. Perché possano avvenire processi chimici complessi, infatti, occorre una certa quantità di elementi pesanti che si possono formare solo tramite la fusione nel centro delle stelle. Quando poi le stelle collassano ed esplodono, questi elementi vengono dispersi nello spazio. Stelle di questo tipo sono più rare nelle zone di confine, quindi si deve stare abbastanza vicini al centro della galassia. Avere tanto tempo a disposizione, poi, non basta. La nascita di una forma di vita intelligente non è un fatto scontato, potrebbero servire anche fortuna e circostanze particolari. È necessario che si sviluppino esseri dotati di abilità manuale in grado di costruire strumenti e di manipolare l’ambiente circostante? Una civiltà tecnologicamente avanzata può esistere solo in complesse strutture sociali dotate di linguaggio e pensiero simbolico? Se i dinosauri non fossero stati spazzati via da un gigantesco asteroide, la vita intelligente sarebbe mai apparsa sulla Terra? Non ne abbiamo la più pallida idea.

Per farla breve, non abbiamo quasi nessuno strumento per stabilire la probabilità che la vita riesca a tramutarsi in qualcosa di sufficientemente complesso da sviluppare intelligenza e tecnologia. Si possono fare tante congetture in merito al fatto che sia un fenomeno raro o frequente. In gran parte dei casi, sono comunque ragionamenti estrapolati dalla nostra esperienza particolare, perciò tutti viziati dallo stesso difetto di partenza: non possiamo sapere quali aspetti della nostra vita intelligente siano locali e non necessari, e quali invece universali e imprescindibili.

È troppo facile prendere in considerazione i dettagli specifici che hanno riguardato l’evoluzione della vita tecnologicamente intelligente sulla Terra e concludere che sono tutti necessari. Alcuni potrebbero essere molto peculiari o addirittura infinitamente difficili da trovare nel resto dell’universo. Vuol dire che la vita è un fenomeno raro? Non necessariamente. L’importante è capire se la strada che abbiamo percorso è l’unica che conduce a una vita come la nostra, o se ce ne sono tante altre. Magari ne esistono tante altre diverse che conducono a vite diverse e per noi inimmaginabili.

Il fattore fintelligenza potrebbe essere 1, oppure 0,1, oppure 0,000000000001 o magari ancora più piccolo.

Numero di civiltà con tecnologie
di comunicazione avanzate (fciviltà)

Ipotizziamo che i termini dell’equazione analizzata finora (nstelle × npianeti × fbiocompatibile × fvita × fintelligenza) forniscano un valore grande, per cui vorrebbe dire che ci sono tante specie intelligenti nella nostra galassia. Non c’è nessuna valida ragione per sostenere che questo sia vero, se non per proseguire nell’analisi dei termini dell’equazione ed evitare che il capitolo finisca qui.

Se ci fossero altre forme di vita intelligente, magari su pianeti orbitanti intorno a stelle vicine, come faremmo a rilevarne la presenza? Quando esploriamo l’universo, lo facciamo soprattutto usando l’ampio spettro della radiazione elettromagnetica (EM): onde radio, luce visibile, raggi X e così via. La nostra preferenza per le onde elettromagnetiche è determinata dall’amore per la vista, la funzione sensoriale dei nostri occhi. Cosa potrebbero usare, invece, gli alieni? Magari preferiscono mandare messaggi tramite fasci di neutrini, o tramite onde di materia oscura o vibrazioni dello spazio. Non abbiamo la più pallida idea di che tipo di organi di senso possano avere (non sappiamo neanche se ce li hanno), né cosa siano in grado di percepire.

Un’altra possibilità totalmente diversa è che non comunichino tramite radiazioni, ma che mandino sonde robotizzate a esplorare la galassia. Se queste sonde fossero in grado di estrarre materiale dagli asteroidi e di riprodursi, potrebbero accrescere esponenzialmente il loro numero e visitare tutta la galassia in dieci o quindici milioni di anni. Sembra tanto tempo, ma è pochissimo in confronto all’età della galassia.

Semplificando, presumiamo – ancora una volta, al solo scopo di proseguire con i nostri ragionamenti – che anche gli alieni usino le onde elettromagnetiche. Anche questa evenienza va inclusa nella lista di coincidenze necessarie che accadono con probabilità ignota.

A meno che gli alieni non ci stiano esplicitamente mandando messaggi, sarebbe molto difficile per noi rilevare qualcosa. Se stessero solo inviando impulsi alla cieca o se ci fossero dispersioni di radiazione elettromagnetica dalle loro trasmissioni di radio e televisione, il segnale sarebbe troppo debole e riusciremmo a sentirlo solo se fossero parecchio vicini o se noi avessimo telescopi molto più grandi. Il nostro radiotelescopio più potente, che si trova ad Arecibo in Porto Rico, sarebbe in grado di rilevare segnali tanto deboli solo se provenissero da una sorgente situata a meno di un terzo di anno luce da noi. La stella più vicina, però, si trova a una distanza dieci volte maggiore. Un segnale mandato a caso da tanto lontano non può essere rilevato: occorre che venga espressamente diretto verso le nostre immediate vicinanze cosmiche.

Probabilità di forme di vita
in contemporanea a noi (L)

L’universo non è solo un posto enorme, ma è anche decisamente vecchio. La storia del cosmo è cominciata più di tredici miliardi di anni fa, e in tutto questo tempo una stella può nascere, bruciare, attenuarsi e morire svariate volte. Ogni ciclo di vita di una stella (sempre che sia stato generato un quantitativo sufficiente di elementi pesanti) è potenzialmente in grado di dare luogo a un pianeta simile alla Terra che si trovi nella condizione di ospitare la vita. Quindi, il lasso di tempo in cui una razza aliena potrebbe esistere è parecchio ampio. Per poter parlare con loro, dobbiamo esserci anche noi.

Quanto tempo può sopravvivere una società tecnologica? Data la nostra esperienza limitata, è difficile fare ipotesi, ma la storia umana è comunque caratterizzata da cicli secolari in cui si susseguono epoche civilizzate e periodi di crisi. Oltretutto, la nostra società ha anche molti più mezzi che in passato per arrivare all’autodistruzione. Ce la faremmo a restare in ascolto per cinquecento anni, o cinquemila o addirittura cinque milioni? Ci saremo ancora?

Potrebbe essere benissimo che gli alieni siano vissuti, abbiano prosperato e mandato messaggi nello spazio e che poi si siano autodistrutti un milione o un miliardo di anni fa... oppure ciò accadrà nel futuro. Per parlare con gli alieni, occorre che ce ne siano tanti o che vivano a lungo.

Immagina di essere ancora alle elementari e di trovarti in una scuola dove l’intervallo non viene fatto contemporaneamente da tutti i bambini, ma assegnato a ognuno in modo casuale. Quante probabilità hai di passarlo in compagnia dei tuoi amici? Se l’intervallo durasse cinque secondi e nella scuola ci fossero solo due studenti, ti ritroveresti a giocare a dodgeball da solo. Se durasse cinque ore e ci fossero venti miliardi di studenti, ti andrebbe molto meglio.

Quindi, dove sono?

Anche se attribuissimo valori ottimistici alle variabili dell’equazione di Drake e presumessimo che la galassia sia piena di civiltà aliene longeve e tecnologicamente avanzate, dovremmo ancora trovare risposta a tante domande.

Siamo sicuri che gli alieni vogliano parlarci? Dal nostro punto di vista, la domanda può sembrare assurda: chi non vorrebbe entrare in contatto con un alieno intelligente? Pensa a tutte le cose che potremmo imparare! Per farlo, però, dovremmo possedere basi culturali comuni. Non abbiamo la più pallida idea di cosa possano desiderare questi ipotetici alieni. Magari sono già entrati in contatto con altre specie ed è finita male, perciò ora si sono presi una pausa di diecimila anni dal controllare le email interstellari e aggiornare Spacebook.

Anche nella fortunata eventualità che esista davvero un’intelligenza aliena, che usi le onde radio per comunicare, che sia vicina e che ci stia mandando messaggi, cosa mai potremmo dire? Pur avendo radiotelescopi capaci di scrutare il cielo, non siamo sicuri di saper riconoscere un messaggio. Certo, sappiamo in che modo ne invieremmo uno noi, ma per comprenderne uno inviato dagli alieni dovremmo possedere tantissime strutture logiche affini: comunicazioni effettuate tramite un linguaggio simbolico, sistemi matematici per la codifica, simile percezione del tempo e così via. Gli alieni potrebbero ragionare troppo velocemente o troppo lentamente per essere comprensibili (e se inviassero un bit ogni dieci anni?). C’è anche la possibilità che stiano mandando messaggi proprio in questo momento e che noi non riusciamo a distinguerli dal rumore.

Nel 1977, un radiotelescopio in Ohio ha rivelato uno strano segnale, che durava settantadue secondi e proveniva da qualche parte in direzione della costellazione del Sagittario. Era così potente e modulato in modo tale, da far pensare proprio a un segnale giunto dallo spazio profondo. Gli scienziati che si trovavano in servizio quella notte hanno preso la stampata del computer e vi hanno scritto sopra: « Wow! » Purtroppo, però, il segnale Wow! non è stato mai più sentito (non certo perché si è smesso di ascoltare), per cui non è stato possibile trovare solide spiegazioni e non si è potuto interpretarlo inequivocabilmente come un messaggio extraterrestre. (Ciò non ha impedito agli scienziati di mandare una risposta nel 2012, per ogni evenienza.)

Sarebbe peggio se ci trovassimo in uno di quegli scenari paranoici che non possono essere scartati a priori. Forse siamo circondati da specie aliene che esistono da tantissimo tempo, ma che evitano di contattarci perché vogliono osservare il nostro naturale avanzamento, come in un assurdo zoo cosmico. O forse ci sono tante civiltà tecnologicamente avanzate, ma sono tutte in ascolto e nessuna si rivela per eccesso di cautela e per paura di invasioni. Magari sono già venuti a trovarci furtivamente. Tutto può essere, visto che non sappiamo nulla dell’ipotetica tecnologia di queste ipotetiche specie aliene ipoteticamente esistenti.

Dove sono finiti tutti?

Come mai non abbiamo ancora trovato vita su altri pianeti? La vita è un fenomeno raro? I microbi sono diffusi, ma gli esseri viventi più complessi sono rari? Organismi complessi sono ovunque, ma intelligenza e civilizzazione sono infrequenti? Anche gli alieni usano l’iPad, conoscono la tecnologia, sono dappertutto, ma non vogliono parlarci? Sono vissuti milioni di anni fa e adesso sono morti? Ci stanno parlando, però non riusciamo a capirli?

È allettante pensare a tutte le cose che potremmo imparare se incontrassimo gli alieni, ma i pericoli di un contatto del genere ci sarebbero comunque. Pensa a cosa è successo nella storia dell’uomo tutte le volte che una cultura più forte ne ha incontrata una più debole: raramente è finita bene per i più primitivi. Al momento non siamo ancora in grado di visitare altri pianeti o altre stelle, ma siamo proprio sicuri che sia opportuno segnalare la nostra presenza e invitare chiunque si trovi nelle nostre vicinanze galattiche a fare un salto per assaggiare gli avanzi di torta che abbiamo in frigo o, peggio ancora, per assaggiare noi?

Potremmo imparare la fisica da loro?

Escludendo la possibilità di entrare in contatto fisico con gli alieni a causa delle nostre (o delle loro) difficoltà nel compiere un viaggio interstellare, come sarebbe riuscire almeno a parlargli?

Prova a immaginare che tipo di conversazione sarebbe. Per colpa delle grandi distanze, ogni messaggio impiegherebbe anni ad arrivare, o forse decenni, se non addirittura secoli. Nell’ottimistica eventualità che il loro modo di ragionare sia affine al nostro, servirebbero comunque diversi contatti prima di giungere a qualche tipo di protocollo di comunicazione. Le enormi dimensioni dell’universo e il ridotto limite di velocità protrarrebbero questi colloqui per generazioni. Data la rapidità con cui cambia la nostra società e progrediscono le nostre conoscenze scientifiche, se anche finalmente ricevessimo le risposte, finiremmo per trovare noi stessi molto stupide e banali le domande che avevamo fatto.

Siamo soli?

Forse un giorno esisterà la guida Lonely Planet di altri pianeti (anche se forse bisognerà chiamarla Lonely Galaxy), dove i turisti potranno trovare importanti consigli su cosa portare a una festa Hrzxhpod su Alpha Centauri, o dove assaggiare il miglior ghiacciolo ai tentacoli sul pianeta Kepler-61b. Quanto sarà lungo un libro del genere, centinaia di pagine? Avrà una lista di tutte le strane forme di vita che si trovano in giro per l’universo? O sarà fatto di una sola pagina solitaria che parlerà esclusivamente della vita sulla Terra?

È uno dei più grandi misteri della scienza: quant’è improbabile e inusuale la vita?

Da un certo punto di vista, la nostra particolare tipologia di vita sembra molto improbabile. Pensa all’assurda sequenza di coincidenze che ti ha portato a essere qui in questo momento, a leggere questo premiato libro di fisica.[126] È stato necessario avere una stella delle dimensioni giuste e alla giusta temperatura. Il nostro pianeta si è dovuto ritrovare sull’orbita giusta. L’acqua è dovuta arrivare miracolosamente, magari proiettata dallo spazio profondo sotto forma di cometa o asteroide di ghiaccio. Su questo pianeta si è dovuta formare la giusta miscela di atomi e molecole finché, un giorno, è caduto un fulmine e ha innescato la prima fiammella di vita. Quant’è improbabile che quella fiammella si sia propagata? Quale incredibile serie di ostacoli deve aver superato in un mondo difficile e ostile, prima di riuscire a svilupparsi e trasformarsi, un bel giorno, in... noi? Bisogna proprio ammettere che l’intricato meccanismo della vita è un fenomeno come minimo parecchio improbabile.

Forse ci stiamo concentrando troppo sul nostro particolare tipo di vita. È indubbio che, per arrivare all’uomo, tanti eventi devono aver collaborato, ma se uno di essi non si fosse verificato, magari al nostro posto ci sarebbe un’altra specie o un altro tipo di vita. Per concludere che la vita è un fenomeno poco probabile, occorrerebbe dimostrare che una qualsiasi altra sequenza di eventi avrebbe condotto a un pianeta sterile. Visto che non conosciamo tutte le forme che la vita può assumere, non possiamo fare un’affermazione simile.

Se oggi non siamo in grado di effettuare valutazioni precise su quali siano le condizioni necessarie alla vita, è perché disponiamo di un solo campione da analizzare: noi stessi. Come si fa a misurare la probabilità che cada un fulmine quando lo si è visto una volta sola? Forse la nostra peculiare storia di vita terrestre ci condiziona a tal punto da non consentirci di vedere i milioni di altri modi attraverso cui la vita potrebbe cominciare. Forse la nostra vita è cominciata grazie all’improbabile intervento di un fulmine, ma l’universo è pieno di comode prese di corrente. Non ne abbiamo la più pallida idea!

Non va dimenticato, poi, che anche se la vita fosse un fenomeno improbabile viviamo in un universo follemente grande. È sterminato, ci sono miliardi di miliardi di galassie, ciascuna delle quali ha miliardi di stelle e pianeti sparpagliati in uno spazio straordinariamente esteso. L’eventualità che siamo soli nell’universo dipende proprio da questi due fattori: la possibile improbabilità della vita è annullata dalla folle enormità dell’universo? Se si lanciano i dadi un numero sufficiente di volte, anche il quasi impossibile prima o poi si verifica.

Una cosa, comunque, è certa: la verità è davvero là fuori (musica di X-Files in sottofondo). Le possibilità sono solo due: c’è vita su qualche altro pianeta (o c’è stata, o ci sarà), oppure no. Qualunque sia tra queste, la risposta è del tutto indipendente dal fatto che noi esistiamo o che ci poniamo il problema.

Ognuna di queste risposte è strabiliante, e solo una è giusta.

La buona notizia è che adesso cominciamo finalmente ad avere maggiore consapevolezza di quant’è grande l’universo, com’è strutturato e quanti pianeti contiene. Per la prima volta nella storia della vita su questo pianeta, abbiamo aperto gli occhi ed esteso il limite della nostra conoscenza fin quasi a raggiungere i confini estremi.

Forse siamo da soli. Forse gli esseri umani rappresentano l’unico flebile lume di autoconsapevolezza che questo immenso cosmo ha conosciuto e mai conoscerà.

O forse invece l’universo brulica di vita in ogni angolo e noi siamo solo uno dei tanti milioni di modi in cui le molecole possono disporsi per costituire aggregati in grado di riprodursi, avere coscienza e mangiare bulbi oculari.

Oppure può darsi che la risposta sia nel mezzo. La vita è un fenomeno raro, ma non così tanto. Magari nella storia dell’universo ci saranno pochi avamposti di vita che non entreranno mai in contatto tra loro per via delle enormi distanze di spazio e di tempo.

In ogni caso, non dobbiamo mai dimenticarlo: la vita esiste e noi ne siamo la prova.

Un tentativo di conclusione
Il Mistero Ultimo

E così siamo giunti alla fine.

Se il motivo per cui hai comprato, preso in prestito o rubato questo libro è che volevi trovare le risposte alle grandi domande sull’universo, forse hai fatto la scelta sbagliata.[127] Più che di risposte, questo libro si è occupato di domande.

Nel corso di questi diciassette capitoli, probabilmente avrai capito che ci sono ancora un sacco di cose da imparare. E si tratta di cose decisamente importanti. Magari ti sei un po’ innervosito quando hai scoperto che non sappiamo nulla sul 95 percento dell’universo, o che si verificano tanti strani fenomeni che conosciamo pochissimo (antimateria, raggi cosmici, limite di velocità dell’universo). Chi non s’innervosirebbe sapendo d’essere circondato da una sostanza misteriosa chiamata materia oscura e trascinato da una cosa detta energia oscura proprio in questo preciso momento? Non è decisamente il presupposto migliore per trascorrere una giornata serena.

Nonostante tutto, la nostra speranza è che tu abbia anche capito qual è il vero messaggio di questo libro: dobbiamo essere emozionati per tutte le cose che non conosciamo. Il fatto che ancora non sappiamo niente su tante verità significa che potremo ancora assistere a scoperte incredibili. Chi può dire quali saranno le meravigliose intuizioni che ci aspettano, o le pazzesche tecnologie che svilupperemo? L’era delle esplorazioni e delle scoperte è ben lontana dall’essere conclusa.

Se hai afferrato il concetto, allora sei pronto per un altro mistero a cui vogliamo sottoporti. Iniziamo con una domanda, così impegnativa che potremmo chiamarla il Mistero Ultimo:

Perché l’universo esiste e perché è fatto com’è fatto?

A questo punto qualcuno potrebbe iniziare a preoccuparsi e chiedersi perché dovremmo farci una domanda del genere. Dopotutto, un’altra delle grandi lezioni di questo libro riguarda la consapevolezza dei limiti della scienza. Se consideriamo l’insieme di tutte le possibili domande, solo alcune sono scientificamente pertinenti visto che ammettono risposte verificabili a livello sperimentale. Altre, le cui risposte non sono dimostrabili, possono sicuramente essere profonde e affascinanti, ma esulano dalla scienza e appartengono piuttosto alla sfera di competenza della filosofia. Domandarsi perché esiste l’universo ci porta molto vicini alla categoria delle domande filosofiche.

Nel chiederci perché, ciò che cerchiamo è una spiegazione basata su una legge fondamentale o un fatto in grado di dimostrarci che l’universo doveva esistere e che non avrebbe potuto essere diverso da quello che è (e restare coerente). Se invece l’universo avesse potuto essere diverso (o non esistere affatto), ecco allora la domanda successiva: come mai è fatto proprio così e non in un altro modo?

Se anche trovassimo una spiegazione simile e scoprissimo leggi universali vincolate al trovarsi in una certa relazione l’una con l’altra, salterebbe fuori un’altra domanda ancora:

Perché devono esistere le leggi fondamentali? E perché l’universo deve seguirle?

Sono domande difficili anche per un filosofo e le risposte potrebbero benissimo essere fuori dalla portata della scienza.

In effetti, molti grandi misteri di cui abbiamo parlato sono fuori dalla portata di un’indagine scientifica. Significa quindi che resteranno senza una spiegazione? Non necessariamente!

L’universo verificabile

È possibile che ci siano domande a cui non risponderemo mai, mentre altre si sono spostate dal mondo della filosofia a quello della scienza. Più aumenta la nostra capacità di scrutare lontano nell’universo e in profondità nella materia, più aumenta anche il numero di fenomeni dimostrabili scientificamente. Così facendo, accresciamo il cosiddetto universo verificabile.

Ricorderai il concetto di universo osservabile già discusso in questo libro. Si tratta di quella porzione di universo effettivamente visibile grazie al fatto che è trascorso abbastanza tempo dalla nascita dell’universo da consentire alla luce di arrivare fino a noi. Tutto ciò che sta al di fuori di questa zona non può essere osservato, perché la luce proveniente da regioni così distanti non ci ha ancora raggiunti.

Analogamente, l’universo verificabile è quella frazione di universo che siamo in grado di conoscere e verificare attraverso un’indagine scientifica. Non descrive solo i confini esterni del nostro campo visivo (cioè fin dove possiamo vedere nello spazio), ma anche quelli interni (ovvero quali sono i più piccoli costituenti di spazio e materia che siamo in grado di rilevare). Il concetto di universo verificabile riguarda cioè i limiti dell’accuratezza con cui riusciamo a distinguere le cose che si trovano alle distanze più grandi e a quelle più piccole. E include anche i limiti delle teorie che usiamo, della matematica e della nostra capacità di comprensione.[128]

Come l’universo osservabile, è plausibile (se non ovvio) che anche quello verificabile sia una frazione molto piccola dell’intero universo. Ciò significa che c’è ancora tantissimo al di fuori della nostra comprensione. L’aspetto eccitante della faccenda è che, pur essendoci ancora moltissime questioni fuori dalla portata della scienza, la scienza è in continua crescita.

Esattamente come l’universo osservabile, anche quello verificabile si sta espandendo. Ogni volta che si sviluppa una nuova tecnologia e nuove strumentazioni per indagare la realtà, l’universo verificabile cresce. La nostra capacità di comprensione del mondo aumenta ogni anno e la cosa affascinante è che la crescita dell’universo verificabile sta accelerando.

Fino a pochi secoli fa, agli albori della scienza, l’universo verificabile era ancora abbastanza piccolo e la sua crescita era lenta. Nel periodo iniziale della ricerca scientifica, la nostra tecnologia e le nostre capacità di descrivere e comprendere la natura attraverso modelli erano molto limitate.

A partire da un centinaio d’anni fa, grazie al fatto che il progresso tecnologico ci ha fornito nuovi strumenti per esplorare il mondo, l’universo verificabile ha iniziato a espandersi rapidamente. Oggi siamo in grado di fare domande – e trovare risposte! – riguardo alla fisica quantistica, alla formazione dell’universo e alla natura della materia. Tutte domande che prima erano lasciate ai filosofi.

Si può proprio dire che al giorno d’oggi l’universo verificabile stia vivendo una fase analoga all’inflazione cosmica: un’espansione mai vista prima. Sono passati poco più di cento anni e possiamo scrutare dentro il Big Bang e fin quasi ai confini del cosmo. Possiamo domandarci e forse verificare se lo spazio sia infinito o se s’incurvi come una patata. Siamo in grado di guardare cosa c’è dentro un protone e possiamo accelerare la materia fino al 99,999999 percento della velocità della luce. Siamo riusciti a mandare navicelle spaziali senza pilota fuori dal nostro sistema solare, abbiamo fatto atterrare sonde sulle comete.

Che cos’ha a che fare tutto questo con domande del tipo « Perché esiste l’universo? », che ci sembrano disperatamente fuori dall’universo verificabile? Guardando alla storia recente, dovremmo sentirci incoraggiati dal rapido sviluppo della nostra conoscenza. Gli strumenti scientifici e le tecniche sviluppate oggi e in futuro aumenteranno sempre di più il numero delle cose che potremo studiare e accresceranno il numero delle domande a cui sarà possibile dare una risposta chiara e verificabile sperimentalmente.

Riusciremo un giorno a trovare risposte a domande tanto complicate sull’universo?

Non ne abbiamo la più pallida idea.

Ma sarà senza dubbio un viaggio emozionante.

Ringraziamenti

Per l’impagabile valore delle loro conoscenze scientifiche e per il prezioso lavoro di verifica, esprimiamo tutta la nostra gratitudine a James Bullock, Manoj Kaplinghat, Tim Tait, Jonathan Feng, Michael Cooper, Jeffrey Streets, Kyle Cranmer, Jahred Adelman e Flip Tanedo.

Grazie mille a chi ha letto le prime versioni, per i giudizi e i commenti: Dan Gross, Max Gross, Carla Wilson, Kim Dittmar, Aviva Whiteson, Katrine Whiteson, Silas Whiteson, Hazel Whiteson, Suelika Chial, Tony Hu, Winston e Cecilia Cham.

Un ringraziamento speciale alla nostra editor Courtney Young, per aver creduto nel progetto e averci guidati con mano salda, e a Seth Fishman che ci ha aiutati a trovare la giusta collocazione per questo libro. Grazie a tutta la squadra della Gernert Company, tra cui Rebecca Gardner, Will Roberts, Ellen Goodson e Jack Gernert. Un enorme grazie a tutto il personale della casa editrice Riverhead Books che ha reso possibile la pubblicazione di questo libro, in particolare a Kevin Murphy, Katie Freeman, Mary Stone, Jessica Miltenberger, Helen Yentus e Linda Korn.

Vogliamo anche ringraziare le tante persone che hanno seguito per anni il nostro lavoro online: siete una fonte d’ispirazione e ci stimolate sempre a occuparci di cose interessanti.

Infine, desideriamo ringraziare i tantissimi scienziati, ingegneri e ricercatori che lavorano per ampliare sempre di più i confini della nostra conoscenza. Brindiamo alle vostre idee.

Bibliografia
Come si fanno a imparare queste cose?
E dove se ne possono trovare altre?

Capitoli 1 e 2

Le frazioni di materia oscura ed energia oscura citati in questo libro si riferiscono alle misurazioni effettuate nel 2013 da parte della Planck Collaboration: https://arxiv.org/abs/1303.5062. Esistono anche misurazioni successive che non hanno portato a modifiche sostanziali.

I primi a studiare le curvature galattiche sono stati Vera Rubin e Kent Ford negli anni Sessanta e Settanta. Vedi Vera Rubin, Norbert Thonnard e W. Kent Ford Jr., The Astrophysical Journal, 238, pp. 471-487.

Gli studi delle lenti gravitazionali avvengono attraverso due approcci del tutto diversi. In un caso si osservano grandi distorsioni di una singola galassia (per esempio, https://arxiv.org/abs/astro-ph/ 9801158), nell’altro si rilevano in modo statistico piccoli effetti su un gran numero di galassie (per esempio, https://arxiv.org/abs/astro-ph/0307212).

La collisione galattica a cui si fa riferimento prende il nome di Bullet Cluster (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0608407). Da questa collisione si evince che la materia oscura non è soggetta a grande autointerazione (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0309303).

Per un resoconto sulla situazione attuale nel campo della materia oscura e sulla ricerca delle particelle WIMP, vedi http://arxiv.org/abs/1401.0216.

Capitolo 3

Le supernove di tipo Ia sono state osservate dall’High-Z Supernova Search Team (https://arxiv.org/abs/astro-ph/9805201) e dal Supernova Cosmology Project (https://arxiv.org/abs/astro-ph/9812133). Queste supernove non hanno tutte lo stesso picco di brillantezza, ma possiedono tutte una curva luminosa caratteristica – ovvero la quantità di luce emessa in funzione del tempo – che può essere calibrata (Mark M. Phillips, The Astrophysical Journal, 413, 2, L105-L108). Questa caratteristica consente di effettuare una misurazione della distanza.

Capitolo 4

Molti dettagli sulla conoscenza attuale nel campo delle particelle possono essere trovati consultando il sito del Particle Data Group, all’indirizzo http://pdg.lbl.gov.

Capitolo 5

Il numero N = 10^23, come limite in cui l’energia dei legami diventa confrontabile con l’energia dei pezzettini di lama, deriva dal fatto che questo numero rappresenta molto approssimativamente il numero di atomi di un oggetto macroscopico (il numero di Avogadro).

Osservazioni sperimentali del modo in cui l’energia di legame produce effetti sulla misurazione della massa si possono effettuare nell’ambito dei fenomeni di decadimento nucleare.

Per esempio, nel decadimento beta un neutrone di massa 939,57 MeV decade in un protone di massa 938,28 MeV, un elettrone di 0,511 MeV e un neutrino di massa trascurabile. La massa che sparisce (939,57 − [938,28 + 0,511] = 0,78 MeV) è l’effetto della minor energia di legame del protone ed è convertita in energia cinetica del protone, dell’elettrone e del neutrino.

Il caso opposto si verifica nella molecola di O^2, che ha meno massa di due atomi di ossigeno visto che i due atomi si attraggono e la creazione della molecola di O^2 rilascia energia.

La percentuale di 0,005 deriva dal fatto che l’energia di legame media per nucleone è di pochi MeV (tipicamente tra uno e nove), mentre la massa di un nucleone è di circa 1000 MeV.

Le masse dei quark up e quark down sono < 5 MeV, mentre le masse di protone e neutrone sono circa 1000 MeV. Pertanto, le masse totali dei quark che compongono un nucleone sono circa 15/1000, ovvero più o meno l’1 percento.

Il quark top ha una massa di circa 170.000 MeV, mentre il quark up ha una massa di 2,3 MeV. Il rapporto è di circa 1:75.000.

Una descrizione tecnica sul funzionamento del campo di Higgs e di come venga risolto il problema delle masse dei bosoni W e Z può essere trovata all’indirizzo http://arxiv.org/abs/0910.5095 o più in dettaglio nel video dell’autore all’indirizzo https://vimeo.com/ 41038445.

Capitolo 6

Esistono tanti modi per confrontare l’intensità della forza di gravità con quella delle altre forze.

Innanzitutto, è possibile confrontare il valore della costante d’accoppiamento gravitazionale (αg = Gme2/(ħc) = 1,7518 × 10–45) con la costante di accoppiamento elettromagnetica (nota anche come costante di struttura fine) il cui valore è circa 1/137 = 7 × 10–3. Il rapporto tra le due costanti è dell’ordine di 10–42.

Tuttavia, la forza che agisce sui vari corpi a causa di gravità e forza elettromagnetica dipende dalla massa e dalla carica. Per esempio, se si confrontano gli effetti di gravità ed elettromagnetismo su due protoni (carica = 1, massa = 1000 MeV):

Fg = G(mp mp / r^2)

Fem = ke(qp qp / r^2)

si ricava

Fg /Fem = G(mp mp ) / ke(qp qp ) = [G(mp)2] / [ke(qp)2] = [6,674 × 10–11

Nm^2 / kg 2 (1,67 × 10−27 kg)2] / [8,99 × 10 9 Nm^2 / C 2 (1,6 × 10−19 C)2] = 8 × 10−37
che è un valore vicino a 1 × 10−36.

Un’onda gravitazionale è in grado di deformare lo spazio di una quantità molto piccola. Il primo rilevamento effettuato dall’esperimento LIGO ha misurato una distorsione dell’ordine di 1 × 10–21 (figura 1 all’indirizzo https: //arxiv.org/abs/ 1602. 03837).

Capitolo 7

Lo spazio è piatto con un margine dello 0,4 percento secondo le misurazioni della radiazione cosmica di fondo effettuate nel 2013 dalla sonda WMAP (http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_shape.html) e secondo lo studio di grandi triangoli (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0004404).

Distanze dell’ordine di 10–35 metri si riferiscono alla lunghezza di Planck:

Capitolo 8

Per un approfondimento sul concetto di freccia del tempo, consigliamo l’eccellente libro di Sean Carroll, Dall’eternità a qui.

Capitolo 9

Il flusso di neutrini solari è di circa 7 × 10^10 particelle al centimetro quadrato al secondo (da Claus Grupen, Astroparticle Physics, p. 95).

Per quanto riguarda la debolezza della forza di gravità e per una discussione sul fattore di 10–42 tra la gravità e la forza elettromagnetica, rimandiamo alle note del capitolo 6.

La nota relativa alla meccanica quantistica, e a come viene considerato il tempo, si riferisce al principio d’indeterminazione e al modo in cui pone in relazione l’incertezza sull’energia con l’incertezza sul tempo.

Capitolo 10

Per un buon resoconto sulla relatività, consigliamo Modern Physics for Scientists and Engineers di John R. Taylor, Chris D. Zafiratos e Michael A. Dubson.

La velocità della luce è di 299.792.458 metri al secondo. Si tratta di una grandezza calcolata con esattezza che viene usata anche per definire il metro.

I limiti della sopportazione umana alla forza di gravità sono stati studiati nell’ambito dell’addestramento dei piloti da caccia (vedi Ulf Balldin, Medical Aspects of Harsh Environments, vol. II, cap. 33).

Un’accelerazione di 3 g (~ 30 m/s^2) richiederebbe dieci milioni di secondi (un terzo di anno) per raggiungere la velocità della luce. Occorre osservare che, per mantenere una tale accelerazione, bisogna fornire un quantitativo di energia sempre crescente.

La stella più vicina è Proxima Centauri, che si trova a 4,2 anni luce = 4,0 × 10^16 metri.

Capitolo 11

Per un resoconto sui raggi cosmici e sulle modalità di rilevamento, si può consultare Extensive Air Showers di Peter Grieder.

Il rallentamento dei raggi cosmici ad altissima energia causato dalle interazioni con i fotoni generati nei primi istanti dell’universo è noto come effetto GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin).

Si noti che i valori numerici presentati in questo capitolo sono approssimati, perché c’è incertezza sul numero effettivo di particelle ad altissima energia. Tuttavia, la descrizione qualitativa rimane valida.

Capitolo 12

Al CERN si riescono a produrre dieci milioni di antiprotoni al minuto (vedi Niels Madsen, « Cold Antihydrogen: A New Frontier in Fundamental Physics », in Philosophical Transactions of the Royal Society, 2010).

Un grammo di antimateria che interagisse con un grammo di materia rilascerebbe una quantità di energia pari a 2 grammi × c^2 = (2 × 10–3 kg) (3 × 10^8 m/s^2)2 = 1,8 × 10^14 J = 43 chilotoni.

La ricerca di galassie fatte di antimateria è descritta qui: http://arxiv.org/abs/ 0808.1122.

Nell’esperimento ALPHA effettuato al CERN è stato possibile produrre e analizzare l’anti-idrogeno. Vedi https://home.cern/about/experiments/alpha.

Capitolo 14

Secondo i dati Planck del 2013 (2015), l’età dell’universo è di 13,6 (13,8) miliardi di anni.

La scoperta casuale della radiazione cosmica di fondo nel 1964, da parte di Arno Penzias e Robert Wilson, è valsa l’assegnazione del premio Nobel per la fisica nel 1978. Secondo i dati Planck del 2013, il momento in cui l’universo è diventato trasparente risale a 380.000 anni dopo il Big Bang (https://www.mpg.de/7044245).

Esistono diverse teorie dell’inflazione. Nel libro abbiamo utilizzato valori che sono approssimati, ma caratteristici: espansione di un fattore 10^25 avvenuta in un breve periodo di tempo che ha avuto inizio 10–30 secondi dopo il Big Bang.

Capitolo 15

Il numero di stelle presenti nella Via Lattea non è perfettamente determinato. La stima varia da cento fino a mille miliardi (http://www.huffingtonpost.com/dr-sten-odenwald/number-of-stars-in-the-milky-way_b_4976030.html).

Anche il numero di galassie presenti nell’universo osservabile non è noto con certezza. Le stime variano dai cento ai duecento miliardi (http://www.space.com/25303-how-many-galaxies-are-in-the-universe.html) fino a duemila bilioni (https://arxiv.org/abs/1607.03909).

La stima della massa del nostro superammasso di galassie è di 10^15 volte la massa del Sole (https://arxiv.org/abs/0706.1122).

Secondo le simulazioni, la formazione delle galassie dipende dalla quantità di materia oscura presente (http://arxiv.org/abs/astro-ph/0512234).

Si stima che la dimensione dell’universo osservabile sia di 14,26 giga-parsec, ovvero 46,5 miliardi di anni luce, ovvero 4,4 × 10^26 metri in tutte le direzioni (https://arxiv.org/abs/astro-ph/0310571).

La stima del numero di particelle dell’universo è molto approssimativa e si basa essenzialmente sulla stima del numero di stelle e sul rapporto tra materia oscura e materia normale. Non essendo nota la massa totale della materia oscura, l’incertezza è grande (http://www.universetoday.com/36302/atoms-in-the-universe/).

Capitolo 16

Il raggio di un protone è di circa 10–16 metri, ma la definizione è un po’ filosofica.

Le energie raggiungibili nell’LHC sono di circa 10 TeV, ovvero 10^13 eV, e consentono di scrutare fino a una distanza di 10–20 metri.

Capitolo 17

La stima della percentuale di stelle che potrebbero avere pianeti simili alla Terra si può ricavare dai dati Kepler (http://arxiv.org/abs/ 1301.0842).

I dati presenti sul Meteoritical Bulletin comprendono una lista di 177 meteoriti che provengono da Marte (http://www.lpi.usra.edu/meteor/index.php).

Letture consigliate

Max Tegmark, L’universo matematico, Bollati Boringhieri, 2014.

Sean Carroll, Dall’eternità a qui, Adelphi, 2012.

Carlo Rovelli, Sette brevi lezioni di fisica, Adelphi, 2014.

Note

1 L’ultima domanda è il titolo di uno degli articoli di filosofia più citati di tutti i tempi, scritto dal filosofo americano Thomas Nagel. Spoiler: la risposta è « Non lo sapremo mai ».

2 Sì, anche quella lucertola che una volta il tuo amico delle elementari ha provato a mangiare.

3 Nella sua forma moderna fatta di esperimenti, numeri e camici da laboratorio, la scienza ha solo qualche centinaio di anni, mentre la storia del pensiero riguardo a questi problemi è vecchia di migliaia di anni.

4 Pensiamo che succeda così. In realtà, nessuno ha mai tentato questo esperimento.

5 Anche se le galassie sono tendenzialmente un po’ più grandi di una giostra.

6 L’idea che le traiettorie luminose venissero incurvate dalla forza di gravità fu suggerita, e in seguito dimostrata, da Albert Einstein. Pare che fosse un tipo abbastanza sveglio.

7 Potrebbe darsi che la materia oscura interagisca debolmente con se stessa attraverso qualche nuova forza sconosciuta.

8 Se oggi a pranzo hai mangiato un panino al formaggio, questo non significa che tutti i tuoi pranzi saranno a base di panini al formaggio.

9 Nel momento in cui scriviamo, i meccanismi di finanziamento della ricerca scientifica sono imprevedibili.

10 Se due particelle di materia normale possono trasformarsi in due particelle di materia oscura, allora dev’essere possibile anche il processo inverso: due particelle di materia oscura possono trasformarsi in due particelle di materia normale.

11 E forse è meglio così, perché il cibo della mensa è piuttosto bizzarro.

12 Be’, quasi: « lato oscuro » era già stato utilizzato.

13 È impossibile stabilire quanti molto sarebbero necessari per esprimere la densità di questo punto. Si trattava dell’intero universo condensato in un unico punto.

14 Esatto, abbiamo usato questo verbo.

15 Astronomia: più esplosioni che in un film di Michael Bay.

16 Insieme ai calzini che hai perso e alle chiavi che hai messo nel posto sbagliato.

17 Non fa mai male adulare chi ci ha generati.

18 Non è l’amore che ci separerà, bensì l’energia oscura.

19 Se vuoi vedere le stelle, faresti bene a non rinviare di un altro miliardo d’anni quella vacanza in campeggio.

20 E comprarne delle copie per i tuoi amici.

21 D’accordo, automobili volanti ancora no.

22 È una supposizione ragionevole visto che leggi addirittura tutte le note.

23 Questo bla bla bla detiene il record per il più grande ammasso di materia mai contenuto in un bla bla bla.

24 Loro preferiscono l’espressione « di costituzione robusta ».

25 A quanto pare, i fisici del futuro hanno un serioso accento british.

26 Si presuppone che questo faccia parecchia impressione.

27 Come quella che forse dovresti cambiare quartiere.

28 Che fanno comunque sempre male quando li calpesti.

29 Esperimento concettuale del lama. Non provate a replicarlo a casa.

30 Potrebbe dipendere da quale parte dell’elefante viene colpita. Non provate a replicare neanche questo esperimento concettuale.

31 Nessuno ha mai atomizzato un lama con successo, ma sono stati fatti esperimenti analoghi. (Per la cronaca, siamo contrari all’atomizzazione dei lama. Se però doveste decidere di chiamare il vostro gruppo punk-rock peruviano « L’Atomizzazione dei Lama », allora vi adoreremmo.

32 Esistono alcune definizioni della dimensione di una particella che incorporano le particelle virtuali che la circondano, ma noi preferiamo un approccio più tradizionale.

33 La missione più importante della fisica è descrivere l’ignoto nei termini di ciò che si conosce, oltre a farti apparire intelligente a un cocktail party.

34 Si chiama « effetto tunnel » ed è un fenomeno acclarato, che viene utilizzato correntemente in alcuni microscopi molto potenti. Succede davvero.

35 Possiamo accettare che il bosone di Higgs sia più importante di almeno una di queste cose.

36 Se hai risposto davvero a una qualsiasi di queste domande, forse è meglio che continui a leggere questo capitolo.

37 Quasi mai. L’energia oscura e l’inflazione cosmologica potrebbero essere dovuti alla repulsione gravitazionale.

38 Questa è la visione della forza gravitazionale che aveva Newton. Più avanti vedremo la descrizione fornita dalla relatività generale in cui non esistono forze gravitazionali, ma si parla di masse in grado di distorcere lo spazio.

39 Diciamo la verità: ai fisici viene facilmente l’acquolina in bocca.

40 Le molecole di papaia sono minuscole e dolcissime e si chiamano papaioni.

41 O anche come una scorreggia in un uragano.

42 Perché la gravità adora le grandi masse, nessuna forza lo può negare.

43 Quasi sempre vero. Per una discussione sulla forza di gravità repulsiva durante il Big Bang, vedi il capitolo 14.

44 La forza forte ha più di due tipi di carica. Ne ha ben tre! Si chiamano « cariche di colore » e si distinguono tra « rossa », « blu » e « verde ». Per annullare una carica rossa ci sono due modi: si può aggiungere una carica blu e una verde per ottenere un oggetto neutro o « bianco », oppure si può trovare un’antiparticella con carica antirossa.

45 Forse non ci credete perché prima ci siamo inventati i « papaioni », però i gluoni esistono davvero!

46 Ok, ora ci stiamo pensando.

47 Potrebbe volerci un sacco di tempo, meglio comprarsi due copie di questo libro da portarsi dietro.

48 A meno che tu non sia in California: lì fanno qualsiasi cosa con il coriandolo.

49 Invitiamo tutti a restare sintonizzati in attesa del nostro prossimo libro: In cucina con i fisici.

50 Non è un’analogia perfetta perché la gelatina esiste solo all’interno dello spazio, mentre lo spazio possiede proprietà simili a quelle della gelatina anche se non sappiamo se è a sua volta contenuto in qualcos’altro.

51 Insospettisce il fatto che il super-spazio non sia mai stato visto insieme a un remissivo reporter-spazio dalle maniere delicate.

52 Questa lunghezza non è stata assegnata a caso, pur essendo molto complicato pensare a un numero del genere. Si tratta della lunghezza di Planck e – al momento – rappresenta la stima più affidabile e sensata della più piccola unità di distanza. Ne parleremo più approfonditamente nel capitolo 16.

53 I fisici: bambini di cinque anni che hanno smesso di crescere.

54 Ci dispiace, bambini, ma questo lavoro in realtà non esiste.

55 Più o meno. Il principio di indeterminazione si applica anche al tempo, per cui il risultato sarà un po’ sfocato.

56 A dire il vero, va detto che per nessuna cosa esiste una definizione universalmente accettata.

57 Almeno nel 5 percento di universo che per noi è familiare.

58 Se ti trovassi vicino a un buco nero o se ti muovessi ad altissima velocità, un altro osservatore vedrebbe accelerato o rallentato lo scorrere del tuo tempo, ma per te continuerebbe a scorrere un secondo al secondo.

59 È ancora impossibile avere campo quando ti serve davvero.

60 Fisica: fin dall’antichità, un modo per rovinare il divertimento.

61 Famoso per noi.

62 Se ti ricordi il futuro, facci uno squillo: avremmo qualche domanda da farti.

63 Tranne che nel collasso della funzione d’onda. Per alcuni è un fenomeno irreversibile, mentre per altri si tratta di una perdita di coerenza. Altri ancora, invece, discutono solo per il gusto di farlo.

64 Il genio di Einstein non si è distino nel dare nomi creativi alle cose.

65 In un mondo monodimensionale, non ci sono vie di fuga.

66 I muoni e i tauoni non sono versioni extradimensionali dell’elettrone perché non sono distanziati con regolarità nella massa e non hanno le stesse interazioni deboli dell’elettrone.

67 hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com

68 « Nel vuoto » è una puntualizzazione importante. Continua a leggere.

69 Cos’è che obbliga le particelle senza massa (come i fotoni) a viaggiare sempre alla massima velocità? Per quanto possa sembrare strana la luce, lo sarebbe ancora di più se riuscisse a rallentare. Se una particella senza massa fosse in grado di andare più lentamente della velocità massima, un oggetto dotato di massa potrebbe riuscire a raggiungerla. Cosa succederebbe a quel punto? Una particella senza massa non è altro che energia data dal moto (la massa non c’è), ma se fosse possibile raggiungere un fotone, la velocità relativa sarebbe zero, per cui non si vedrebbero né movimento né massa. Non si vedrebbe niente. Puf. Per quanto possa sembrare strano, è molto più logico che la luce vada sempre al massimo.

70 Affermazione sempre vera.

71 Per quanto, in un universo in cui esiste il nesso di causalità, la vita intelligente sarà in grado di scoprirlo e integrarlo nel suo sistema logico pur non sapendo da dove deriva.

72 Non è vero, l’abbiamo inventato noi, ma anche il fatto stesso di viaggiare in un cunicolo spaziotemporale è inventato, quindi perché no?

73 Se stai leggendo questo libro a bordo della stazione spaziale internazionale, per favore mandaci una foto.

74 Noi l’abbiamo fatto.

75 Esatto. Gli astrofisici sono come i concessionari di Ferrari in questo esempio.

76 E anche che l’aria di Los Angeles non è proprio un piacere da respirare.

77 O chiunque sia (da-da-da-daaaan).

78 Le mucche non hanno finalità scientifiche... per quel che ne sappiamo.

79 Rivelazione: uno dei due autori di questo libro ha avuto quest’idea. No, non quello che ha fatto le vignette, l’altro.

80 Con « qualche » intendiamo Daniel e i suoi amici. Per maggiori informazioni, visita il sito http://crayfis.io

81 « Buco » sembra essere un nome sbagliato per qualcosa che in realtà è enormemente denso e solido. « Massa nera » sarebbe stato un nome più adeguato, se non avesse fatto pensare a un rito satanico.

82 È vero: quest’idea l’ha avuta per primo Douglas Adams, ma è stata presa realmente in considerazione da veri scienziati. Sul serio.

83 Se stanno usando Windows, speriamo che non si impalli.

84 Non è colpa della fisica se la matematica lascia in frigo per giorni e giorni delle buonissime fette di torta al cioccolato.

85 « Posso paragonarti a un’infinita somma di giorni d’estate? » (da Le poesie perdute di Isaac Newton).

86 Va specificato che l’equazione mette d’accordo meccanica quantistica e relatività speciale, ovvero descrive particelle che si muovono quasi alla velocità della luce in uno spazio piatto. L’accordo con la relatività generale, ovvero la descrizione del movimento in uno spazio deformato dalla presenza di grandi masse, è ancora un mistero.

87 Altra assurdità, l’equazione funziona anche per elettroni carichi negativamente che viaggiano all’indietro nel tempo.

88 Oltre che per far aumentare gli ascolti in tv.

89 A parte il fuoco, che è una conversione in luce dell’energia chimica.

90 Oppure con un neutrino elettronico che possiede anch’esso l’elettronicità. Un elettrone più un antineutrino elettronico possono formare un bosone W.

91 Le particelle costituite da tre quark (come i protoni e i neutroni) sono chiamate barioni. Di solito, invece che di « tre-quarkità » si parla di « numero barionico ».

92 E con antinote, numerate negativamente.

93 Sei bello, ma non così bello.

94 L’universo non va mai in vacanza. Mai.

95 Potresti aver ragione se pensi che l’asimmetria nella creazione e distruzione di materia e antimateria è tanto strana quanto l’eventuale asimmetria avvenuta in fase di creazione durante il Big Bang. Nel primo caso, però, potremmo essere in grado di effettuare ricerche in merito.

96 Almeno finora!

97 In unità di tempo accademico, equivale a 1,0 pause caffè.

98 Presumendo che non ci sia stata espansione dello spazio, ma su questo torneremo tra poco.

99 Stiamo presumendo che l’universo sia finito. In caso contrario, il problema non si porrebbe perché un universo infinito è sempre più grande di quello che possiamo vedere. A quel punto, però, ci sarebbe il problema di spiegare come sia stato creato un universo infinito.

100 Non gli piace parlarne. Non chiedergli nulla al riguardo.

101 In questo caso « più veloce della luce » si riferisce alla crescita del nuovo spazio. Significa, cioè, che si è creato spazio più in fretta del tempo che la luce avrebbe impiegato per attraversarlo. Non si riferisce a un movimento più veloce della luce di qualcosa all’interno dello spazio, che è impossibile.

102 Ricorda che lo spazio è un’entità fisica, non solo uno scenario; vedi il capitolo 7.

103 Una prova più diretta si avrebbe riuscendo a rilevare le onde gravitazionali che sono state generate. Recenti misurazioni si sono, però, dimostrate sbagliate.

104 Fregatene di Plutone.

105 Il nostro è stato ingegnosamente chiamato Gruppo Locale.

106 Al massimo siamo a Poughkeepsie.

107 Ehi, ma sei dimagrito? Hai un aspetto fantastico!

108 Se lo spazio fosse curvo, sarebbe possibile avere un universo finito ma privo di centro. Prova a immaginare la superficie di una sfera: è finita ma non ha un centro.

109 A quei tempi l’universo era davvero fuori controllo.

110 « Ammirate i miei giganteschi ammassi, Voi Potenti, e disperate! »

111 E se ne ordinassimo più d’uno ci guarderebbero male.

112 Dipende dalla velocità di espansione dell’universo, attualmente maggiore di zero.

113 Sarebbe diverso dal vedere oggetti duplicati a causa delle lenti gravitazionali. Questo fenomeno infatti produce anche una distorsione delle immagini, mentre la luce che viaggia in tondo non produce immagini distorte.

114 Le tariffe telefoniche sarebbero mortali.

115 Che cattiva quest’energia oscura, proprio cattiva.

116 La lunghezza di Planck si ottiene dalla formula (hG/c^3)1/2 = 1,616 × 10–35 m, essendo h la costante di Planck, G la costante di gravitazione universale e c la velocità della luce.

117 La descrizione più moderna e potente della meccanica quantistica prende il nome di teoria quantistica dei campi. In questa teoria, i costituenti ultimi sono dei campi che permeano tutto lo spazio, e le particelle sono descritte come eccitazioni dei campi. Tali argomenti, però, esulano, dallo scopo di questo libro.

118 Nel XIII secolo, Guglielmo di Ockham ha introdotto il concetto del « rasoio di Ockham ». È stato un passaggio innovativo nella tecnica depilatoria, nonché l’affermazione dell’idea che spiegazioni semplici sono da preferire a spiegazioni complicate.

119 Si è scoperto di recente che anche i neutrini sono soggetti a transizioni da uno all’altro, e questo implica l’introduzione di altri quattro parametri.

120 Che non viene assegnato postumo. E sarebbe un peccato morire prima di aver dimostrato la teoria.

121 I supermercati vendono un sacco di quark ed elettroni, ma non in confezioni singole.

122 Ci riferiamo all’Italia.

123 A parte « 42 ».

124 Soprattutto gli autori di questo libro, nessuno dei quali è biologo. Anche i biologi che conosciamo, però, ammettono una simile ignoranza.

125 Cerca « tardigradi » su Google e resterai sbalordito.

126 Vengono sicuramente premiati i libri di fisica con battute sulle scorregge, no?

127 Ci rendiamo conto che l’avvertimento arriva un po’ tardi.

128 Una domanda abbastanza spaventosa: e se l’universo fosse perfettamente comprensibile e potesse essere descritto da una meravigliosa teoria matematica che però è fuori dalla capacità di comprensione del nostro cervello?

Sommario

Introduzione

1. Di cosa è fatto l’universo?

2. Che cos’è la materia oscura?

Come facciamo a sapere che la materia oscura esiste

Cosa sappiamo sulla materia oscura

Come interagisce la materia

Come interagisce la materia oscura

Come possiamo studiare la materia oscura?

Perché è importante

3. Che cos’è l’energia oscura?

Il nostro universo in espansione

Come facciamo a sapere che l’universo si sta espandendo

Il grafico a torta

Cosa potrebbe essere l’energia oscura?

Cosa comporta tutto questo per il futuro

4. Qual è la particella di materia più elementare?

La tavola periodica delle particelle elementari

A che servono tutte queste particelle?

Quale correlazione c’è tra le masse delle particelle?

Cosa sono le cariche elettriche 1/3?

Esistono altre particelle?

Qual è la particella di materia più elementare che ci sia?

5. I misteri della massa

Di che roba stiamo parlando?

Particelle che confondono le idee

Il bosone di Higgs

La massa gravitazionale

I due tipi di massa sono la stessa cosa?

Domande di peso

6. Perché la gravità è così diversa dalle altre forze?

La debolezza della gravità

Il dilemma quantistico

Gravitone: particella elementare o supercattivo dei fumetti?

Collisori di buchi neri

Siamo realistici e guardiamo da vicino un buco nero

E questo è quanto

Forse la gravità è speciale

Cosa potrebbe voler dire

7. Che cos’è lo spazio?

Lo spazio è una cosa

Può esistere una cosa del genere?

Che posto è lo spazio?

Gelatina spaziale in cui stai nuotando

Sembra assurdo. Ne siete sicuri?

Considerazioni rette sullo spazio curvo

La forma dello spazio

Spazio quantistico

I misteri dello spazio

8. Che cos’è il tempo?

Una definizione di tempo

Ancora una volta: che cos’è il tempo?

Sono ancora un po’ confuso!

Il tempo è la quarta dimensione (o no?)

Domanda n. 1. In che modo lo spazio è diverso dal tempo? (E perché?)

Domanda n. 2. Possiamo viaggiare indietro nel tempo?

Domanda n. 3. Perché il tempo procede in avanti?

L’entropia può aiutarci a capire che cos’è il tempo?

Tempo e particelle

Domanda n. 4. Sentiamo tutti il tempo allo stesso modo?

Domanda n. 5. Il tempo si fermerà, prima o poi?

Tempo di concludere

9. Quante dimensioni ci sono?

Che cos’è esattamente una dimensione?

Possono esistere più di tre dimensioni?

Come pensare in quattro dimensioni

Dove si trovano?

È la risposta ad altri misteri?

Alla ricerca di nuove dimensioni

Per complicare le cose

Che cos’altro potrebbero predire le dimensioni extra?

La teoria delle stringhe

Riepilogare queste nuove direzioni

10. Possiamo viaggiare più veloci della luce?

Il limite di velocità dell’universo

E allora?

Le cose si fanno ancora più bizzarre

La storia è la storia

Infrangere il nesso di causalità

Cause locali

Ma perché proprio questa velocità?

Passato e futuro

Forse, però, potremmo andare su altre stelle

E i cunicoli spaziotemporali?

Teniamo vivo il sogno

I muoni lo fanno di continuo!

Riassunto

11. Chi sta sparando particelle superveloci contro la Terra?

Cosa sono i raggi cosmici?

Da dove vengono?

Come facciamo a vederle?

Cosa potrebbero essere?

Messaggeri cosmici

12. Perché siamo fatti di materia e non di antimateria?

Particelle specchio

Annichilazione di antiparticelle

Un anti-te

I misteri dell’antimateria

Perché il nostro universo non è un antiuniverso?

Un momento, forse l’antimateria è da un’altra parte

Materia neutra

Come si studia l’antimateria?

Aspetti curiosi

13. Che fine ha fatto il capitolo 13?

14. Che cos’è successo durante il Big Bang?

Come facciamo a sapere qualcosa del Big Bang?

Cosa sappiamo del Big Bang?

Grande mistero n. 1. Gravità quantistica

Grande mistero n. 2. L’universo è troppo grande

Grande mistero n. 3. L’universo è troppo uniforme

Una risposta gonfiata

Abbiamo finito?

ATTENZIONE: Strada filosofica

Qual è la causa dell’inflazione?

Che cos’è successo prima del Big Bang?

Gran finale

15. Quant’è GRANDE l’universo?

Il nostro indirizzo cosmico

Perché è andata così?

Gravità vs. pressione

Le dimensioni dell’universo

Proviamo a indovinare

Perché l’universo è così vuoto?

Ridimensioniamo tutto

16. Esiste una teoria del Tutto?

Che cos’è una teoria del Tutto?

Tutto dipende dai babbuini

La distanza più piccola

Le particelle più piccole

Le forze più fondamentali

Quanto siamo lontani dalla teoria del Tutto?

Unire la forza di gravità e la meccanica quantistica

Come faremo a sapere che ci siamo riusciti?

Formulare una nostra teoria del Tutto

Tutto questo servirà a qualcosa?

Fino in fondo

17. Siamo soli nell’universo?

C’è qualcuno là fuori?

Numero di stelle

Numero di pianeti adatti alla vita

Numero di pianeti abitabili con forme di vita

Numero di pianeti abitabili con forme di vita intelligente

Numero di civiltà con tecnologie di comunicazione avanzate

Probabilità di forme di vita in contemporanea a noi

Quindi, dove sono?

Dove sono finiti tutti?

Potremmo imparare la fisica da loro?

Siamo soli?

Un tentativo di conclusione

L’universo verificabile

Ringraziamenti

Bibliografia

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