Le origini dell'Universo

1 . P

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Fino ai primi anni del '900 né i filosofi né gli astronomi avevano mai messo in dubbio l’idea che

esistesse uno spazio fisso sullo sfondo del quale si muovevano i corpi celesti. L’universo era

concepito come infinito, eterno, statico e uniforme. Ad Isaac Newton si deve, nel '700,

l’inquadramento teorico di tale rappresentazione dell’universo. Ma negli anni Venti questa

rappresentazione dovette essere mutata. In primo luogo per le conseguenze della nuova teoria

einsteiniana della gravità; e, in secondo luogo per i risultati delle nuove osservazioni, eseguite

dall’astronomo Edwin Hubble, sul colore della luce emessa dalle stelle appartenenti a galassie

lontane.

Negli anni Venti Albert Einstein scoprì la relatività generale. Essa dava come

conseguenza matematica un universo in espansione. All’inizio Einstein tentò

di conciliare la sua teoria relativistica con quella di un universo statico,

introducendo una “costante cosmologica”. Questo modello fu chiamato

‘universo statico einsteiniano’.

Nel 1922 Alexander Friedman, un giovane matematico russo, studiò i calcoli

di Einstein e si convinse che egli era caduto in un grave errore: Albert Einstein

l’universo statico non rappresentava l’unica soluzione delle sue equazioni.

Friedman calcolò tutti i possibili universi in espansione consentiti dalle equazioni della relatività

generale e trasmise i suoi risultati allo stesso Einstein. Dapprima questi fu scettico, ma poi si

convinse e si rese conto che l’inclusione della costante cosmologica produceva un universo statico

lontano dalla realtà. Infatti, molti anni dopo, Einstein definì la sua idea della costante “Il più grande

errore della mia vita”. Il merito di formulare la rivoluzionaria previsione che il nostro universo si

espande spettò dunque a Friedman.

Le sue ipotesi furono confermate dalle osservazioni condotte da Edwin

Hubble. Questi fece uso di una semplice proprietà delle onde

elettromagnetiche: se la loro sorgente si allontana dall’osservatore, in base

all’effetto Doppler, la frequenza con cui le onde stesse sono ricevute

diminuisce. La luce è un’onda e quando la sua sorgente si allontana

dall’osservatore, la diminuita frequenza delle onde luminose fa sì che la luce Edwin Hubble

visibile appaia all’occhio dell’osservatore leggermente più rossa.

Questo effetto è chiamato ‘redshift’ ( spostamento verso il rosso ). 2

Hubble si accorse che la luce proveniente dalle galassie da lui osservate mostrava un sistematico

spostamento verso il rosso. Misurando il cambiamento di colore della luce emessa dagli atomi di

queste e confrontandolo con quello della luce emessa da atomi dello stesso tipo in laboratorio, egli

poté stabilire la velocità di fuga delle sorgenti luminose. Confrontando la luminosità apparente

delle stelle della medesima specie, Hubble poté dedurre le loro relative distanze da noi. Egli scoprì

che quanto più lontana era la sorgente luminosa, tanto più velocemente essa si allontanava da noi.

Questa tendenza è nota come “legge di Hubble”. Hubble aveva scoperto l’espansione

dell’universo, già predetta dalla teoria della relatività generale di Einstein, confutando il paradosso

di Olbers.

Infatti Olbers nel 1823 giunse ad affermare che, secondo le premesse

del modello newtoniano, la luminosità apparente delle stelle avrebbe

dovuto illuminare il cielo di notte come di giorno. Egli arrivò quindi a

ipotizzare che la notte è buia a causa di una polvere interstellare che

assorbe la luce delle stelle lontane. Tale spiegazione si rivelò ben

presto errata sia perché la polvere sarebbe dovuta essere disposta in

modo molto particolare per darci comunque la possibilità di osservare le Perché il cielo notturno

è buio?

stelle e le galassie così come le osserviamo, sia perché le nubi,

assorbendo la radiazione stellare, si sarebbero dovute riscaldare fino ad emettere nuovamente

questa energia sotto forma di radiazione, che però non fu mai rilevata. Il paradosso trova quindi

soluzione, ancorché non definitiva, riconsiderando le ipotesi iniziali sull'universo: in particolare

esso non è né infinito né eterno. Le stelle più distanti possono trovarsi, al massimo, a "soli" 15

miliardi di anni luce circa, valore compatibile col flusso di radiazione ricevuto dalla Terra in

corrispondenza del cielo notturno. A tale principale soluzione si aggiunge l'ulteriore spiegazione

connessa con l'espansione dell'universo, con una velocità di allontanamento delle stelle più

lontane tale che lo spostamento spettrale della loro luce verso il rosso è così elevato da non

rientrare più tra le lunghezze d'onda percepibili.

L’espansione non è un’esplosione che abbia origine in un determinato punto nello spazio. Non

esiste uno spazio inteso come uno sfondo fisso entro il quale l’universo si stia espandendo, poiché

l’universo contiene tutto lo spazio esistente.

Gli scienziati, alla luce di questi risultati, si dedicarono alla ricerca di modelli cosmologici, che

spiegassero come si fosse formato l’universo oggi conosciuto. I più famosi sono la “Teoria dello

stato stazionario dell’universo” e il “Big Bang”. 3

2 . T ’

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La teoria dello stato stazionario dell’universo fu il prodotto

dell’immaginazione degli astrofisici Thomas Gold, Hermann

Bondi e Fred Hoyle, che cominciarono a pensarci nel 1948

all’università di Cambridge. Essi non amavano l’idea che il

cosmo avesse avuto un principio, come l’espansione implicava.

Volevano che l’universo presentasse lo stesso aspetto generale

agli osservatori di ogni tempo, da un passato infinito a un eterno Thomas Gold, Hermann Bondi

e Fred Hoyle

futuro. Concepirono dunque un modello nel quale l’universo

fosse, in media, sempre uguale a se stesso e non avesse avuto alcun inizio. Avanzarono l’idea che

la materia, invece di essere stata creata in un determinato momento del passato, fosse in uno

stato di continua creazione, ad un tasso da equilibrare la ‘diluizione’ causata dall’espansione,

mantenendo una densità della materia costante nell’universo. Fra l’altro il tasso di creazione di

materia sarebbe stato sorprendentemente piccolo ( 1 atomo al m³ ogni 10 miliardi di anni), perché

vi è pochissima materia nell’universo.

Uno dei meriti della teoria dello stato stazionario è la sua precisione. Essa fa predizioni molto forti

su ciò che l’universo dovrebbe essere, ed è quindi suscettibile di essere smentita dalle

osservazioni. Così infatti è stato. Se l’universo presenta sempre lo stesso aspetto, non possono

esservi dei periodi particolari in cui accadono determinati eventi, come la formazione delle galassie

o il prevalere dei quasar. Gli astronomi cominciarono ad usare i radiotelescopi per osservare delle

vecchissime galassie per individuarne un eventuale principio e giunsero, negli anni Cinquanta, alla

conclusione che nel passato l’universo era stato molto diverso a quello che è oggi. Le galassie,

che rappresentano forti sorgenti di radio-onde, non erano state ugualmente abbondanti in tutte le

epoche della storia cosmica. Fu allora che l’idea del Big Bang cominciò ad imporsi. 4

2 . 1 . L

’ U

N

I V

E

R

S O D

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O E L U

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Z I O

Nella concezione epicurea, le sole realtà esistenti sono gli atomi (particelle

indivisibili, ma non prive di estensione e dotate di velocità infinita) e il vuoto.

L’aggregarsi degli atomi costituisce i corpi e le varie componenti di questo

“mondo”, così come di quella infinita somma di mondi che è l’universo.

Secondo Epicuro infatti l’universo è costituito da più mondi. Fra atomo e

atomo vi è il vuoto. Quella di Epicuro (340-270 a.C.) è una cosmologia

descrivibile come costituita di tre livelli: realtà sensibile, infinitamente grande

e infinitamente piccolo (in realtà non esiste l’infinitamente piccolo, in quanto il Busto di Tito

più piccolo atomo ha ancora dimensione). Dal punto di vista conoscitivo essa Lucrezio Caro

comporta in realtà due soli livelli: quello della realtà sensibile, e quello di ciò che non cade sotto la

percezione. Nell’universo epicureo hanno valore sia il “Principio Cosmologico”, sia una rudimentale

“unificazione” delle forze operanti in natura. Il primo è valido in quanto, data l’identità degli elementi

(atomi e vuoto) in tutto l’universo, questo si presenta in ogni sua regione come qualitativamente

uguale. Quanto alla presenza di una embrionale “unificazione” delle forze fondamentali, essa va

riscontrata nella sostanziale identità delle forze operanti sia a livello atomico che macroscopico e

cosmico. Uno e il medesimo è difatti il moto “inerziale gravitazionale”. Infatti gli atomi, oltre ad

essere dotati di moto rettilineo di velocità infinita, possono in modo del tutto casuale, saltar fuori

dalla loro traiettoria precostituita, andando così a scontrarsi con altri atomi, e quindi ad aggregarsi.

Da questo carattere del tutto casuale e non deterministico di questo meccanismo della

“deviazione” (clinamen) delle traiettorie atomiche, deriva l’importante caratteristica dell’universo

epicureo di sottrarsi ad ogni teologia.

L’universo epicureo è al tempo stesso un universo infinito e “stazionario”, con infinità spaziale e

temporale. Secondo Lucrezio (discepolo della scuola epicurea vissuto tra 90 e 55 a.C.) l’universo

si trova in una situazione di stabilità a livello universale e quindi la materia possiede densità

stabile. Data la natura indivisibile degli atomi, che non possono essere soggetti a distruzione, né a

generazione, si ha che quantitativamente il totale di “materia” esistente nell’universo non è

soggetto a variazioni, ma il “numero degli atomi” è stabile, e quindi non si crea né si distrugge

materia.

L’universo di Epicuro si distingue da quello di Hoyle per due tratti essenziali: non è soggetto ad

espansione e non ammette generazione ex novo di materia. Epicuro predicava infatti: “Nulla viene

ad essere dal non essere”. Dunque l’universo è sempre stato uguale e per sempre sarà tale. 5

3 . B B ( d

e f i n i z i o

n

e )

I G A N

G

Nel 1950 Fred Hoyle coniò il termine Big Bang, in senso spregiativo, per descrivere una

cosmologia nella quale l’universo si espandeva partendo da uno stato di grande densità in un

tempo finito nel passato.

3 . 1 . I B B

N

T R

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D

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Z I O

N E A

L M O

D

E

L L O D

E

L I G A N

G

Negli anni Trenta il sacerdote e fisico belga Lemaitre ebbe un ruolo pionieristico nella formulazione

della “teoria dell’atomo primordiale”, che precorse il modello del Big Bang. I passi avanti più

importanti furono compiuti negli anni Quaranta da George Gamow insieme ai

suoi allievi Alpher ed Herman. Essi giunsero a comprendere che, se

l’universo aveva avuto un inizio, doveva esservi una radiazione quale residuo

di quell’esplosivo inizio. Nel ’48 Alpher ed Herman riuscirono a predire con

buona approssimazione la temperatura che questa radiazione avrebbe

dovuto raggiungere in seguito al raffreddamento derivato dall’espansione.

Solo nel 1965, però, la radiazione fu scoperta per caso da Arno Penzias e George Gamow

Robert Wilson, due radiotecnici che stavano calibrando un’antenna radio.

Presso l’università di Princeton, allora, un gruppo di studiosi aveva ricalcolato autonomamente la

temperatura della radiazione a 2,7 K, valore molto vicino a quello teorizzato in precedenza. Il

fenomeno fu chiamato “radiazione cosmica di fondo a microonde”. La misura dell’intero spettro

della radiazione fu eseguita nello spazio nel 1989 dal satellite COBE. La scoperta segnò l’inizio di

un serio studio del modello del Big Bang.

Infatti in un universo stazionario non avrebbe potuto esservi alcuna

radiazione termica, perché, nel passato, un simile universo non avrebbe

potuto esistere in uno stato di altissima temperatura e di enorme densità;

sarebbe stato, in media, freddo e inerte.

Inoltre, successive osservazioni sulle abbondanze, nell’universo, degli

elementi più leggeri confermarono le previsioni del Big Bang e convalidarono