L’ignoto per sempre (1)
L’universo

Redazione

Da quando è emersa la coscienza l’uomo si è fatto domande. Ogni risposta è e sarà sempre accompagnata da un ulteriore numero di domande che ineluttabilmente ci faranno desistere dalla persuasione di superare l’ignoto, senza tuttavia rinunciare all’impresa di allargare i confini del conosciuto. Danilo Petri in un’altra delle sue trilogie ci propone questo suo fermo convincimento cominciando da quel poco che per ora conosciamo sull’Universo.

Inesauribile, affascinante, l’ignoto accompagna da sempre la coscienza umana; intimorisce e consola, spinge ogni avventura intellettuale a superare i confini del sapere, a svelare la realtà di ciò che siamo nell’universo, il mistero della vita e della coscienza stessa. Ad ogni mistero svelato si apre un nuovo ignoto da perlustrare e così nei secoli dei secoli, per sempre. Conquiste scientifiche, capolavori artistici e letterari, costruzioni mitologiche e filosofiche hanno sempre cacciato nei suoi sentieri.

“Nel presente si cela sempre quell’ignoto la cui apparizione potrebbe mutare tutto: questo è un pensiero che dà le vertigini, ma che consola”. (Hofmannsthal)

Interrogarsi sull’ignoto è il mestiere degli uomini. Porre le giuste domande è il mestiere degli scienziati, dei fisici, dei biologi, dei neuroscienziati e dei filosofi.

Nell’intero almanacco delle domande nulla può uscire dall’ambito della coscienza umana (o forse no) perché siamo parte dell’insieme noto e ignoto che ci circonda e ciò sembra porci limiti insuperabili. Senza gli uomini perderebbe di significato non solo la realtà che crediamo conosciuta ma anche l’indagine dei misteri (o forse no). Senza gli uomini cosa sarebbe l’universo, la gravità, lo spazio-tempo, la meccanica quantistica? Bella domanda!

Guardiamo il cielo di notte e vediamo le stelle ma il buio che le circonda ci parla degli spazi infiniti, incute timore e l’incontenibile desiderio di saperne di più.

Fin dall’antichità popoli mesopotamici, egizi, cinesi si misurarono con l’osservazione del cielo stellato e ne ricavarono informazioni utili per scandire il tempo (delle stagioni per esempio) e per costruire mitologie; l’astronomia era pressappoco astrologia. Poi furono i greci a tentare passi scientifici rilevanti con Talete e Anassimandro ai quali seguirono le speculazioni filosofiche di Platone o Aristotele, fino ad arrivare ai primi astronomi come Aristarco ed Eratostene. Poi tutti sappiamo di Tolomeo e infine di Copernico, Keplero e Galileo. La storia è lunga e densa di successi ed errori ma non è ancora finita e forse mai finirà. Tecnologia e teoria hanno offerto all’astronomia enormi possibilità e conquiste conoscitive.

Oggi abbiamo mandato un telescopio a raggi infrarossi (Webb) a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra che orbiterà a lungo intorno al sole allineato all’orbita terrestre garantendo comunicazioni costanti con il centro di controllo. Ne vedremo delle belle!

L’attesa degli esiti osservazionali elettrizza fisici, astronomi e cosmologi e nondimeno i filosofi. Si potrebbero aprire nuovi orizzonti su cui studiare la struttura a grande scala dell’universo, approfondire quelli sulla natura e la densità della materia oscura e dell’energia oscura; avremo osservazioni di galassie antiche, buchi neri e nuove formazioni stellari e, si spera, potremo anche rilevare nuovi dati sulle origini dell’Universo. Attraverso Webb potremo forse saperne di più su alcuni esopianeti e persino sulle condizioni necessarie per la vita. Una frontiera entusiasmante!

Pensare l’Universo è la maniera migliore per sentirsi davvero piccoli, infinitamente piccoli ma dotati di importante dote, forse la più importante, la nostra coscienza; e di due enormi virtù, l’intelligenza mossa dal desiderio di conoscenza.  Ma cosa sappiamo dell’universo? Cosa del nostro universo e cosa degli altri universi immaginabili e teorizzabili? L’argomento è di una vastità difficile da riepilogare ma tenterò una sintesi.

I grandi progressi della tecnologia hanno consentito agli astronomi di escogitare metodi di esplorazione così accurati da poter studiare l’epoca in cui il nostro universo aveva all’incirca 380.000 anni di vita (spingendocisi addirittura all’indietro fino e non oltre 10^-35 secondi dopo il Big Bang) e di avvicinare lo sguardo a distanze superiori a 10 miliardi di anni luce e proporre dati particolareggiati. I fisici teorici hanno il difficile compito di spiegare le misure, ma il pensiero umano, dotato di un’immaginazione strepitosa, non si può accontentare soltanto dell’osservazione e dell’esperimento, cerca strade oblique, possibilità, teorie ardite.

Il florilegio di teorie sull’origine e la struttura dell’Universo è impressionante e mi fa spesso osservare che, nell’insieme, i fisici “sono a remare” e che questa è la loro natura di navigatori dell’ignoto su una barchetta vacillante.

Comunque ci serva appuntare che ad oggi ci sono alcuni modelli che hanno un grande consenso fra gli scienziati, anche se malgrado questo le obiezioni e i tentativi confutativi o aggiuntivi sono numerosissimi.

La migliore (nel senso suddetto… del consenso) spiegazione che abbiamo delle osservazioni astronomiche è il “modello di concordanza cosmologico”. Tale modello trova la sua forza (e forse il suo limite) nella matematica della relatività generale¹. Quindi siamo in uno spaziotempo curvo con tre dimensioni spaziali ed una temporale; uno spaziotempo dinamico che reagisce alla materia e all’energia incurvandosi e che, conseguentemente, ci dice che il moto di energia e materia dipende dall’incurvatura. Quindi si parla di un universo non immutabile. La relatività generale ci permette di collegare l’espansione dell’universo alla materia e all’energia contenuta in esso e consente di fare predizioni sul suo contenuto in accordo con le osservazioni.

Ed ecco aprirsi una scena ignota: la sorgente di gravità dominante nell’universo è una forma di energia di cui non sappiamo nulla: non a caso si chiama “energia oscura” ed è responsabile del 68,3% dell’ammontare di energia e materia. “Il tipo più semplice di energia oscura è la costante cosmologica”² e il modello di concordanza usa la costante come energia oscura.

Il restante 37,7% dell’universo è composto di materia ma, di nuovo, si tratta in gran parte di materia ignota: l’85% della materia, il 26,8% del contenuto complessivo dell’universo, si chiama “materia oscura”. Soltanto il restante 15% della materia complessiva, ovvero il 4,9% dell’intero contenuto, è costituito dal “modello standard delle particelle”³ che risulta essere il modello che possiede maggior consenso fra gli scienziati e che potremmo considerare come “ciò che conosciamo”, la risposta più convincente alla domanda “di cosa siamo fatti”.

Ma molti eminenti fisici trattano con scetticismo e a volte con disprezzo anche questo modello: “Michio Kaku lo definisce ‘orribile e artificioso’, Stephen Hawking diceva che è ‘orribile e realizzato su misura’, Matt Strassler lo scredita definendolo ‘orribile e barocco’, Brian Green ne lamenta ‘l’eccessiva flessibilità’, Paul Davis pensa che ‘abbia l’aspetto di un opera incompiuta’ perché ‘il modo titubante in cui tiene insieme le interazioni forte ed elettrodebole è di aspetto orribile’. Devo ancora trovare qualcuno a cui piaccia il modello standard.” (Sabine Hossenfelder – Sedotti dalla matematica, Cortina 2019)

Malgrado tali feroci critiche possiamo ben dire che gli scienziati sono arrivati alle loro conclusioni con tre sistemi diversi con cui dedurre il contenuto dell’universo. Il primo è il confronto fra il valore osservato dell’abbondanza cosmica del deuterio e il residuo lasciato dall’universo primordiale (nucleosintesi primordiale⁴); il secondo utilizza i rilevamenti spettroscopici dell’idrogeno presente tra le galassie; il terzo si basa sulla forma delle fluttuazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo (CMB⁵).

Adesso siamo in attesa dei riscontri che potrebbero essere forniti dall’ultima grande conquista in capo astronomico, ovvero la rilevazione diretta delle onde gravitazionali, di cui ci ha parlato, in un articolo scritto appositamente per questo sito, uno degli scienziati che ha contribuito alla scoperta, Michele Punturo, Le onde gravitazionali ci parlano dell’universo.

Tre strategie e tecniche diverse che giungono a convergere negli esiti sembrano convincenti e ci indirizzano verso il modello cosmologico standard del Big Bang⁶.

Anche gli scettici concordano nel ritenere questo modello “coerente e ben fondato”. Si può quindi assumere che l’universo è in espansione e che la sua età è finita. Questo assunto contraddice evidentemente l’ipotesi, antica e non solo, per cui lo si pensava infinito, statico ed eterno.

Il modello del Big Bang è dunque una teoria assolutamente ben fondata, la cui fisica è ben delineata e confermata da osservazioni ed esperimenti e che descrive molto bene le caratteristiche dell’universo osservabile. Tuttavia numerosi cosmologi mostrano perplessità e forniscono teorie alternative: il mistero non sembra per nulla svelato, l’ignoto continua a prevalere e la fisica teorica, corazzata di matematica, non si arrende e prosegue la navigazione.

In fondo non sappiamo nulla del Big Bang in senso stretto, ovvero la nostra conoscenza non può esplorare il momento della cosiddetta esplosione e l’indagine si ferma, come detto sopra, a pochissimi istanti (10^-35 s) dopo.

Resta che l’età dell’universo, secondo il modello, è approssimativamente di 13,8 miliardi di anni. Oltre a non sapere nulla sull’esplosione cosa possiamo congetturare sul prima? E’ stato l’inizio di tutto oppure il seguito di una fase precedente? E quale la causa? Abbiamo moltissime descrizioni scientifiche e persino poetiche del dopo, quindi a partire da dove l’esplorazione teorica è consentita dalle leggi della fisica che conosciamo, ma abbiamo anche molte ipotesi che si avventurano fin dentro lo scoppio e persino oltre, nel prima; infine non ci arrendiamo nemmeno di fronte al mistero più grande, la causa.

Senza rifiutare a priori nessuna congettura, io penso si possa dire che il vero e proprio inizio sia fuori dalla portata della scienza sperimentale e con esso il prima e un eventuale causa, per sempre. L’ignoto per sempre.

Tornando al modello del Big Bang e alla sua affidabilità si procede con l’esigenza di risolvere alcune grandi incognite.

Per esempio, oggi le osservazioni confermano l’intuizione filosofica di Einstein, secondo la quale l’universo si presenta uniforme (principio cosmologico⁷) ovvero, quando è partita la radiazione di fondo a micro-onde (CMB) l’universo era uniforme fino a circa una parte su centomila, quasi una “sfera perfetta e senza sbavature”.

Durante il periodo che separa l’esplosione dal CMB però, si può dimostrare che l’universo non poteva essere così uniforme, conseguentemente “qualcosa” deve aver prodotto una conformazione uniforme e piatta con irregolarità minime.

Sappiamo che siamo in uno “spazio che può piegarsi e incurvarsi e anche stirarsi! E’ proprio questa la proposta formulata intorno al 1980 da Alan Guth che teorizzò: “agli albori l’universo avrebbe subito un’espansione rapida e accelerata che avrebbe creato un’enorme chiazza di spazio-tempo piatta come uno specchio, finemente levigata” (A.Aguirre). Tale teoria fu chiamata dell’inflazione⁸.

Certo è stato poi dimostrato che la levigatezza non poteva essere così perfetta in quanto lo impedisce la meccanica quantistica ma da allora questa idea ha consentito ai cosmologi di fare predizioni assai precise, facendo diventare questa teoria una parte centrale del modello standard della cosmologia. Ma come al solito non finisce qui.

Prima di proseguire verso lidi speculativi ancor più eccitanti mi sembra interessante ricordare che anche la teoria dell’inflazione ha subito critiche assai autorevoli, per esempio Sir Roger Penrose disse:” Quando ne sentii parlare la prima volta provai orrore. Serve a spiegare perché l’Universo è uniforme e piatto: la fase di espansione rapidissima, chiamata inflazione e verificatasi pochi istanti dopo il Big bang, avrebbe stirato e appiattito tutte le irregolarità. Ma c’è bisogno di una fisica inventata ad hoc, a cominciare dall’inflatone, particella la cui esistenza serve solo a giustificare l’inflazione. È una teoria “artificiale”, che non risolve il problema fondamentale sull’origine dell’Universo: cos’è davvero il Big bang?”. (da Wikipedia)

Ricapitolando possiamo fare riferimento al modello standard delle particelle, al Big Bang, al modello di concordanza, possiamo estrapolare l’espansione inflazionistica, ma non siamo in grado di comprendere appieno l’universo primordiale perché non conosciamo il comportamento della materia a temperature e densità maggiori di quelle sperimentabili. Forse non potremo mai raggiungere qui, sulla terra, tali temperature.

Per inciso: la poderosa corrente che da decenni teorizza la supersimmetria è alquanto delusa dagli esperimenti svolti dal LHC⁹, hanno sperato di trovare le loro agognate particelle ma le temperature raggiunte non hanno dato i risultati attesi.

Torniamo ad eccitarci: abbiamo quindi teorizzato che l’inflatone gonfia l’universo come l’energia oscura ma molto più velocemente e, quando termina il suo lavoro espansionistico rapido, la sua energia viene convertita nelle particelle del modello standard e della materia oscura. Da questo momento in poi l’universo si comporta secondo i modelli descritti sopra.

Ma l’estrapolazione non finisce. Se l’inflazione viene ammessa, nulla impedisce ai fisici di teorizzare un nuovo concetto: “l’inflazione eterna”. Ciò potrebbe significare che il nostro universo è solo una piccola parte di qualcosa di infinito. Questo infinito universo, che contiene il nostro, si espande e continuerà a farlo per sempre e, siccome il campo inflatone è soggetto a fluttuazioni quantistiche, possono comparire bolle di spaziotempo dove l’inflazione termina, così formando nuovi universi, e galassie e stelle e pianeti e Terre, in eterno. Questi universi fanno il multiverso. Nel multiverso ogni singolo universo è reale quanto il nostro, almeno secondo coloro che credono a questa teoria. Le conseguenze immaginabili sono infinite: tutto può essere, tutto può accadere.

Per inciso: esiste anche l’ipotesi del multiverso quantistico, ovvero quella che si ricava dall’”interpretazione a molti mondi” di Hugh Everett III (1957) ma ne parleremo a parte. Aggiungo anche l’ipotesi platonica dell’“universo matematico” avanzata da Max Tegmark, che piace ai filosofi e poco ai fisici.

Come si può ben capire le conclusioni erano presenti fin dalle premesse. La sete di conoscenza ci spinge ed orienta verso l’ignoto, ma possiamo solo persuaderci che esso non finirà mai. “La natura è piena di infinite ragioni che non furono mai in esperienza” scrisse Leonardo da Vinci; molte di quelle ragioni sono state svelate ma, anche quando le macchine superintelligenti, fra mille anni, riusciranno a cogliere ed osservare orizzonti per noi inimmaginabili, mi azzardo a pensare che l’ignoto continuerà ad essere l’elemento dominante per qualsiasi realtà.

Letture:

1. Stephen W. Hawking – La teoria del tutto – BUR 2019
2. Jim Baggot – Origini – Adelphi 2017
3. Jim Baggot – Massa – Adelphi 2019
4. Jeremy Bernstein – Salti Quantici – Adelphi 2013
5. Max Tegmark – Vita 3.0 – Cortina 2018
6. Sabine Hossenfelder – Sedotti dalla matematica – Cortina 2019
7. Anthony Aguirre – Zen e multiversi – Cortina 2020

Riferimenti utili:

1. Relatività generale: https://it.wikipedia.org/wiki/Relativit%C3%A0_generale
2. Costante cosmologica: https://it.wikipedia.org/wiki/Costante_cosmologica
3. Modello standard delle particelle: https://it.wikipedia.org/wiki/Modello_standard
4. Nucleosintesi primordiale: https://it.wikipedia.org/wiki/Nucleosintesi_primordiale
5. CMB: https://it.wikipedia.org/wiki/Radiazione_cosmica_di_fondo
6. Big Bang: https://it.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
7. Principio cosmologico: https://it.wikipedia.org/wiki/Principio_cosmologico
8. Inflazione (teoria): https://it.wikipedia.org/wiki/Inflazione_(cosmologia)
9. LHC: https://it.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider