Tesina sul Fine Tuning

Fine Tuning 5

“Sembrerebbe quasi che il nostro universo

sapesse che stavamo arrivando.”

Freeman Dyson 6

Cos’è

Quasi ogni cosa nella struttura base dell’universo, come le leggi

fondamentali, i parametri della fisica e la distribuzione iniziale

della materia e dell’energia, è bilanciata sulla lama di un rasoio

affinché sorga la vita. Infatti, senza una tale serie di coincidenze

nella fisica, la vita come la conosciamo sarebbe impossibile.

Gli scienziati chiamano questo straordinario bilanciamento dei

parametri della fisica e delle condizioni iniziali dell’universo il

“Fine-tuning cosmico”. È stato molto discusso da filosofi, teologi e

scienziati ed è oggi considerato da molti come una prova

convincente dell’esistenza di Dio. 7

L’universo

inflazionario

Tra il 1927 e il 1933 il belga Lemaitre, portando alle estreme

conseguenze l’idea di un universo in espansione, ipotizzò che

l’universo si fosse originato dall’esplosione di un atomo

primordiale. Così negli anni ‘40 George Gamow, Ralph Alpher e

Robert Herman ipotizzarono la teoria classica del Big Bang caldo o

modello standard, che venne poi ripresa da Guth e Linde negli

anni ‘80, i quali rivolgendosi alla fisica quantistica svilupparono un

nuovo modello: la teoria dell’universo inflazionario.

Le fasi essenziali dei processi che hanno originato l’universo,

secondo il modello inflazionario, sono:

1. Era di Planck (0<t<10 s): in questa fase l’universo non è

-43

descrivibile con le leggi della fisica poiché lo spazio e il

tempo non esistono (stato di singolarità). Tutto si

originerebbe dal nulla, da un “vuoto” a elevatissimo

contenuto di energia (fluttuazioni quantistiche del vuoto). Le

quattro forze fondamentali della natura (forza

gravitazionale, forza elettromagnetica, forza d’interazione

nucleare forte, forza d’interazione nucleare debole) sono

unificate. La densità dell’universo è quasi infinita (10 94

g/cm ).

3

2. Formazione dei quark e “disaccoppiamento” della gravità: in

questa fase la forza di gravità si separa dalle altre forze;

compaiono materia e antimateria in quantità uguali; le

particelle elementari (quark e leptoni) nascono dai fotoni e si

annichilano producendo nuovi fotoni (soprattutto raggi γ).

8

C’è una situazione di equilibrio poiché la temperatura

4. La grande inflazione: l’universo si espande a velocità

superiore a quella della luce e “cambia di fase” con un

sovraraffreddamento, infatti la temperatura scende a valori

bassissimi per poi tornare elevata. Questa superespansione

genera una forza repulsiva che impedisce alla forza di

gravità di far collassare l’universo.

5. Definitivo disaccoppiamento delle forze: la materia si

trasforma ancora in energia ma i fotoni non producono più

materia e antimateria; i quark si fondono in barioni; le forze

si separano completamente.

6. Scomparsa dell’antimateria (10 s<t<1s): in questa fase una

-3

particella di materia su un miliardo si salva

dall’annichilazione per motivi ancora sconosciuti.

7. Formazione di nuclei stabili (nucleosintesi): la temperatura

scende, si formano nuclei di deuterio e poi di elio. L’universo

è costituito dal 75% da protoni liberi, dal 25% da nuclei di

elio, da neutrini, elettroni e fotoni. Rimane una particella di

materia per un miliardo di fotoni.

8. Era della radiazione opaca: la bassa temperatura non

permette nuove fusioni nucleari e la grande radiazione

elettronica non consente la propagazione delle radiazioni.

L’universo è opaco.

9. “Disaccoppiamento” della radiazione di fondo: in questa fase

i primi atomi stabili (idrogeno ed elio) passano dallo stato

ionizzato a quello neutro; le radiazioni si separano dalla

materia e diventano indipendenti; l’universo è “trasparente”.

Dopo un milione di anni si formano nubi di gas freddi per

l’azione della forza di gravità, e da queste stelle e galassie. 9

Esempi di fine

tuning

- Esplosione del Big Bang e forza di gravità

- Forza nucleare e massa di neutroni e protoni

- Livello di risonanza del berillio

- Alcune costanti fisiche 10

Esplosione del Big

Bang e forza di gravità

Se l’esplosione iniziale del big bang fosse stata diversa in potenza

solo di una parte su 10 , l’universo o sarebbe collassato su se

60

stesso (Big Crunch), oppure si sarebbe espanso troppo

rapidamente per riuscire a formare le stelle (Big Freeze); la vita

sarebbe stata impossibile in entrambi i casi. Questo equilibrio

riguarda anche la forza di gravità; infatti se la gravità fosse stata

più forte o più debole di una parte su 10 , molte stelle come il

40

sole non potrebbero esistere, e nella maggioranza dei casi la vita

sarebbe impossibile.

John Jefferson Davis fa notare che una precisione di una parte 10 60

su equivale a colpire con un proiettile un bersaglio largo un pollice

posto dall’altra parte dell’universo osservabile, a 20 miliardi di

anni-luce di distanza. 11

Forza nucleare e massa

di neutroni e protoni

Come abbiamo visto l’universo come lo conosciamo noi oggi è

nato da un’esplosione in cui le condizioni iniziali e i parametri

sono bilanciati con una grandissima precisione. Un altro esempio

riguarda la forza nucleare forte, la forza che lega assieme protoni

e neutroni in un atomo. Se questa forza fosse stata più forte o più

debole anche solo del 5%, la vita sarebbe stata impossibile. Inoltre

anche lo stesso nucleo si trova in un equilibrio unico, senza il

quale la vita non potrebbe esistere. Infatti se il neutrone non fosse

circa 1,001 volte la massa del protone, tutti i protoni

decadrebbero in neutroni o tutti i neutroni decadrebbero in

protoni. 12

Livello di risonanza

del Be

8

Le stelle hanno un ciclo di vita durante il quale i nuclei d’idrogeno,

di cui sono inizialmente composte, si fondono progressivamente

ad assemblare tutti gli elementi della tavola di Mendeleev fino al

ferro. Questa attività si chiama nucleosintesi stellare. Anche gli

atomi che compongono il nostro corpo, in particolare gli elementi

ossigeno, carbonio, azoto e fosforo del DNA, provengono da

questa attività.

La prima reazione che avviene nelle stelle è la fusione

dell’idrogeno in elio. La seconda reazione è fondamentale, ma

1. La fusione diretta per

perché la fusione di elio in carbonio (3 He → C ) avvenga, è

collisione di 3 isotopi dell’elio

4 12

necessaria la concomitanza di 3 coincidenze.

è un evento troppo

improbabile per dar luogo ad

una significativa produzione

di carbonio. Quindi la

reazione deve passare

attraverso la produzione

intermedia di berillio. (2

He → Be ) (He + Be → C )

4 8 4 8 12

Tuttavia è necessario che

l’isotopo di berillio abbia la

durata di vita “giusta”,

abbastanza lunga rispetto

alla frequenza delle collisioni

da essere un elemento quasi stabile. Ebbene è risultato che il

tra nuclei d’elio e alla loro

berillio ha una longevità di ~10 secondi, che è lunga rispetto

-17 durata, ma non troppo lunga

ai tempi d’urto dei nuclei di elio (~10 s) ed ottimale per la

-21

produzione del carbonio e degli elementi successivi.

2. Perché la fusione nucleare avvenga effettivamente, occorre che

la somma dei livelli energetici dei nuclei di elio e berillio

reagenti (7,37 MeV) sia leggermente inferiore al livello

energetico del carbonio prodotto: solo così la reazione entra in

“risonanza”. Ebbene, si è trovato che il livello quantico

dell’isotopo 12 del carbonio è 7,66 MeV, appena superiore a

quello dei reagenti. Solo con questi valori, la reazione accade e

produce abbondante carbonio.

3. Il carbonio però rischia di trasformarsi rapidamente in

ossigeno. (He + C → O ) L’evento può essere controllato solo

4 12 16 13

se il livello quantico dell’isotopo 16 dell’ossigeno è

leggermente inferiore alla somma dei livelli dei reagenti (7,16

Alcune costanti

fisiche

(c)

- Velocità della luce nel vuoto 299 792 458

[m·s ]

−1 (ε

- Costante dielettrica del vuoto ) 8,854 187

0

817... × 10 [F·m ]

−12 −1

Permeabilità del vuoto (μ ) 4π × 10 [T·m·A ]

- −7 −1

0

- Costante di gravitazione universale (G) 6,67 ×

10 [N·m ·kg ]

−11 2 −2 (h)

- Costante di Planck 6,626 × 10 [J·s]

−34

(e)

- Carica dell'elettrone 1,602 × 10 C

−19

(m

Massa a riposo dell'elettrone ) 9,109 ×

- e

10 kg

−31 (m

- Massa a riposo del protone ) 1,672 × 10 kg

−27

p

(m

Massa a riposo del neutrone ) 1,674 ×

- n

10 kg

−27 g

- Accelerazione di gravità al livello del mare ( )

n

9,81 [m·s ]

−2 14

“La cosa più incomprensibile dell’universo è che

esso è comprensibile”

Albert Einstein

“Sarebbe incomprensibile se l’universo fosse

incomprensibile”

Alberto Masani

“Più l’universo appare comprensibile più sembra

senza senso”

Steven Weinberg 15

Il principio

antropico

Assieme al fine tuning cosmico si affianca quello che riguarda la Terra e

la vita dell’uomo. Infatti, oltre all’equilibrio delle condizioni cosmiche,

esiste anche un equilibrio di condizioni ambientali locali che hanno reso

possibile lo sviluppo dell’albero genealogico fino alla forma umana.

Viene così coniata l’espressione “principio antropico”, che suggerisce

che sin dalle origini del cosmo le costanti fisiche siano state

predisposte a far sorgere la vita autocosciente. Quindi la vita non

sarebbe stata prodotta a caso dal processo complessivo dell’evoluzione

cosmica, anzi, l’uomo sarebbe il culmine di questo processo, che vede

come fine la capacità di riconoscere se stesso. Infatti, senza un atto di

auto-comprensione, sarebbe impossibile trovare un senso a questo

universo se non esistesse nulla in grado di rendersene conto. Il

principio sottolinea una profonda unità che lega l’uomo all’universo e

l’universo all’uomo.

Il principio antropico si divide i due versioni: nella forma debole

presuppone che il nostro universo sia tarato per permettere la vita;

nella sua forma forte si ipotizza che la nostra esistenza sia un prodotto

di un progetto o di un disegno. La cosmologia,

tuttavia, oltre ai risultati in favore del principio

antropico, ne pone altri che si

oppongono a questa prospettiva;

basta pensare al fatto che la vita non può

durare eternamente. Infatti il secondo principio

della termodinamica, alla luce del

concetto di entropia, afferma la spontanea

evoluzione dell’universo verso stati di

maggior disordine e degrado termico.

La sorte dell’universo è quindi segnata: il

progressivo livellarsi delle temperature di sorgenti calde e fredde

condurrà l’universo in una situazione in cui ogni trasformazione

termodinamica atta a produrre lavoro risulterà impossibile a realizzarsi.

Tale situazione futura viene chiamata di morte termica. 16

Multi-universo

17

“Perché siamo qui? È questa una domanda che

ha tormentato filosofi, teologi e quelli che hanno

bevuto un drink di troppo; tuttavia i fisici teorici

hanno un modo più essenziale per farsi la stessa

domanda: perché c’è, qui, ogni cosa?”

Geoff Brumfiel 18

Multi-universo

Il nostro universo si trova quasi in una situazione fiabesca, in cui

moltissimi parametri si armonizzano alla perfezione così da poter

permettere la vita. Quindi o ci deve essere un Dio di qualche tipo

che ha scelto il nostro universo per permettere la vita, o ci sono

miliardi di altri universi paralleli, molti dei

quali inanimati. Quest’ultima è

conosciuta come

l’ipotesi atea del

multi-universo. Secondo questa

ipotesi esiste qualcosa che

potrebbe essere

pensato come un

“generatore di universi” che

produce un numero molto grande

o infinito di

universi, dove ogni

universo ha un insieme casuale di

condizioni iniziali e valori dei

parametri della

fisica. Così, per

caso, esso può eventualmente

produrne uno che sia finemente

bilanciato per l’esistenza

della vita

intelligente. 19

Teoria delle

stringhe

A favore della teoria del multi-universo c’è la teoria delle stringhe.

Questa postula che l’elettrone, la moltitudine di particelle

subatomiche, e le quattro forze fondamentali nell’universo

macroscopico siano soltanto le diverse vibrazioni nello spazio-

tempo di sottili stringhe. La teoria delle stringhe è stata

proclamate la “teoria del tutto”, in quanto sembrava offrire i

presupposti per unificare la teoria della relatività di Einstein con la

teoria quantistica (rappresentata dal Modello Standard). Una delle