Crisi di fine secolo e nuova scienza: relatività e fisica quantistica

comportate in modo diverso rispetto ad oggi fino a quando terminata la fase

dell’inflazione l’espansione non è proseguita con ritmi più lenti e graduali.

Nel mezzo della fase di inflazione, il vuoto ad alta energia andò man mano

degradandosi in vuoto a basso contenuto di energia. Si tratta di un fenomeno di

trasformazione in qualche modo simile a quello per cui l'acqua si trasforma in ghiaccio,

che è a più bassa energia. L'acqua nel diventare ghiaccio emette energia termica

latente. Anche l'energia del vuoto alla fine del processo di trasformazione viene

liberata sotto forma di energia termica e si forma una caldissima palla di fuoco. Ecco

il Big Bang. Come afferma Alan Guth, "l'universo è un pranzo gratis": sarebbe stato

cioè creato dal nulla, anche se un "nulla" molto particolare.infinitamente piccolo Prima

del Big Bang l'universo era formato da un "vuoto" ma dotato di altissima energia. Non

c'era materia ma questo vuoto ad alta energia avrebbe generato la sferetta che

vediamo e che era grande un decimo di milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di

miliardesimo di centimetro. La sferetta avrebbe subìto una fase violentissima di

espansione ("inflazione") dando origine al Big Bang.

I suoi primi tre minuti La teoria dell'universo inflazionario risolse problemi ancora

insoluti all'interno della teoria del Big Bang. Per esempio, il fatto che l'universo

presenti delle disomogeneità nella distribuzione della materia, grandi spazi vuoti e

addensamenti come le galassie (la densità della Via Lattea è circa un milione di volte

maggiore di quella media di tutto l'universo).

Le fluttuazioni casuali che potevano essere intervenute alla nascita dell'universo non

erano tali, però, da giustificare questa forte disomogeneità. Con la teoria inflazionaria

invece è stato possibile ipotizzare che nella fase di fortissima espansione le piccole

fluttuazioni casuali, "gonfiandosi", avrebbero potuto effettivamente dare origine

all'attuale distribuzione di materia, di pieni e di vuoti. Questa ipotesi ha coinciso

perfettamente con quanto ha scoperto, nel 1992, il satellite americano Cobe (Cosmic

Background Explorer), che ha registrato piccole fluttuazioni nella radiazione cosmica

dei fondo (quella che, abbiamo visto, costituisce la "traccia" del Big Bang), risalenti a

un'epoca in cui l'universo aveva "soltanto" dieci milioni di anni. Tali fluttuazioni erano

soltanto di un centomillesimo, ma secondo i cosmologi possono spiegare bene il

processo che ha poi portato alla formazione delle galassie. Restano comunque aperte

ancora parecchie questioni. Quella più importante è l'età da assegnare all'universo,

oggi calcolata in base alla presunta velocità di espansione risalendo al momento in cui

l'universo avrebbe dovuto avere dimensioni zero. Ma i calcoli portati a termine in

proposito hanno dato un'età (13-15 miliardi di anni) inferiore all'età di alcuni ammassi

stellari (cioè alla loro distanza da noi), il che comporta un'evidente contraddizione in

quanto quelle stelle dovrebbero aver fatto parte da sempre della materia

dell'universo. Così di recente sono apparsi articoli e libri che annunciavano una crisi

della teoria del Big Bang. La costante rinnegata Il metodo più semplice per risolvere

questa contraddizione sta nel riabilitare come elemento attivo nell'universo odierno

quella componente detta "costante cosmologica" che Einstein aveva dapprima

introdotto e poi rinnegato. La costante cosmologica è l'energia del vuoto e 31

rappresenterebbe la causa della nascita del cosmo dal nulla e la causa dell'inflazione,

ed è dunque già considerata una componente attiva nel periodo iniziale della

cosmogenesi, ma la si considera comunemente esaurita essendo stata trasformata ed

emessa sotto forma di energia termica con il Big Bang. Se invece si prende in

considerazione la possibilità che parte di essa sia rimasta, si può arrivare a risolvere

la contraddizione dell'età dell'universo. Secondo questa ipotesi, l'universo avrebbe

subìto una seconda inflazione: ad un certo punto avrebbe accelerato la propria

velocità di espansione. In tal modo il calcolo del tempo che ci separa dalla nascita del

cosmo tornerebbe e le galassie più lontane non sarebbero più vecchie dell'universo.

Non uno solo, ma infiniti La teoria dell'universo inflazionario, che può spiegare cosa è

accaduto prima del Big Bang, comporta una serie di conseguenze tutt'altro che

scontate. Una di queste è per esempio la possibilità che il nostro universo, cioè quello

in cui viviamo e che possiamo osservare con gli strumenti e i satelliti, non sia il solo

esistente. In teoria potrebbero coesistere infiniti universi, dei quali il nostro sarebbe

soltanto un esemplare.

Tanti Big Bang Se ricordiamo la teoria dell'universo inflazionario, ricorderemo anche

che nella fase di inflazione si ha una trasformazione del vuoto ad alta energia in vuoto

a bassa energia. Essa non avviene in maniera omogenea per ogni parte del cosmo.

All'interno del vecchio vuoto ad alta energia si possono gradualmente formare bolle di

vuoto nuovo a bassa energia. Ciascuna bolla si espande poi alla velocità della luce. Il

vecchio vuoto ad alta energia, imprigionato dalle bolle di nuovo vuoto, può dare inoltre

luogo a un'altra inflazione e quindi a un "universo figlio" a sé stante. Anche in questo

universo figlio avviene la trasmutazione per cui nascono bolle di vuoto nuovo e

analogamente quindi si avranno "universi nipote" in un processo continuo e infinito di

cosmogenesi. All'interno di ciascuno di tali universi si ha un Big Bang da nuovo vuoto

che si espande a velocità della luce con evoluzioni di universi a sé stanti. E' possibile

che il nostro non sia altro che uno fra essi. L'universo genitore e quello figlio sono

universi separati, privi di rapporti di causa ed effetto. Hanno però dei legami, dei

"cunicoli" (in termine scientifico "wormhole") che connettono diverse regioni dello

spazio-tempo che altrimenti resterebbero separate. Un po' come avviene quando un

bruco ("worm") fa un tunnel ("hole") in una mela: connette fisicamente due parti della

superficie del frutto che altrimenti sarebbero più distanti. Il bello è che questi

cunicoli spazio-temporali non solo connettono due regioni distinte di un universo, ma

potrebbero collegare anche universi distinti tra loro. Grazie a questi cunicoli si

potrebbero superare in un attimo miliardi di anni luce passando da un punto all'altro di

un universo o addirittura da un universo a un altro. In uno di essi sarebbe finito il

protagonista di 2001: Odissea nello spazio, quando alla fine del viaggio supera la

barriera spazio-temporale giungendo in un'altra parte dell'universo o forse in un

universo "padre" o "figlio" del nostro.

Quanta vita nel cosmo? Dalle teorie che ipotizzano la nascita di differenti universi

nascono anche una serie di nuovi problemi. Le leggi fisiche che abbiamo elaborato noi

abitanti del pianeta Terra si adattano abbastanza bene a spiegare i fenomeni che 32

osserviamo nell'universo di cui facciamo parte. Ma è possibile ipotizzare che altri

universi nati prima, dopo o insieme al nostro potrebbero essere governati da tipi

completamente diversi di leggi fisiche, che non immaginiamo neppure, e che al loro

interno potrebbero comparire forme di vita completamente diverse dalla nostra o da

quelle che noi stessi possiamo immaginare basandosi sulla fisica e sulla biologia che

conosciamo.

Solo buchi neri Certamente, la fantasia si può sbizzarrire in questo caso, ma basta

spingersi un pochino al di fuori della Terra e vedere che altri pianeti del sistema

solare hanno per esempio atmosfere di ammoniaca e metano, per capire che non

esistono regole valide ovunque. Ma le speculazioni degli scienziati sono andate oltre,

fino a considerare probabile che ciascuno di questi infiniti universi che esisterebbero

si sia evoluto o si stia evolvendo sulla base di leggi fisiche completamente differenti

dalle nostre. Nel nostro universo, all'epoca del Big Bang, per esempio, si è verificata

un'asimmetria tra la produzione di materia e quella di antimateria[L'antimateria è la

materia composta dalle antiparticelle corrispondenti alle particelle che costituiscono

la materia ordinaria. Ad esempio, un atomo di antidrogeno, è composto da un

antiprotone caricato negativamente, attorno al quale orbita un positrone

(antielettrone) caricato positivamente. Se una coppia particella/antiparticella viene a

contatto, le due si annichiliscono emettendo radiazione elettromagnetica.], col

risultato che oggi la materia è predominante rispetto all'antimateria e ha formato un

universo che possiede strutture formate da materia quali stelle, galassie, pianeti, nei

quali alla fine è comparsa almeno una forma di vita intelligente (la nostra). Ma forse in

un universo in cui fosse stata preponderante la quantità di antimateria, stelle, galassie

e pianeti (come pure eventuali esseri viventi) potrebbero essere costituiti soltanto da

antimateria. L'incontro tra il nostro e questo ipotetico universo non è da augurarsi in

quanto materia e antimateria si distruggerebbero l'una con l'altra. Si possono fare

anche altri esempi: potrebbero esistere universi con una densità di materia più alta

del nostro rispetto alla velocità di espansione, i quali finirebbero con il collassare

convertendo la loro espansione in contrazione. Si può anche pensare a universi che non

danno vita a strutture stellari e galattiche a causa della eccessiva velocità della

espansione. E potrebbero esistere anche universi interamente occupati da buchi neri o

addirittura privi di materia. L'enigma della materia oscura Il nostro Sole è una delle

stelle da cui è costituito il sistema galattico della Via Lattea. Questa fa parte a sua

volta di un insieme di galassie denominato "gruppo locale". Allo stesso modo, altri

gruppi di galassie sono distribuiti nello spazio come bolle di sapone. Si tratta di una

struttura stratificata a vari livelli, galassie, piccoli gruppi galattici, gruppi galattici,

supergruppi galattici, strutture di dimensioni ancora maggiori... Tutte queste

strutture sono costituite di materia che si può osservare, ossia "visibile". Ma c'è

anche un'enorme quantità di materia "invisibile" che si stima essere fino a dieci volte

superiore a quella visibile. È chiamata "materia oscura" (dark matter) e costituisce

ancora un grande mistero. 33

La sua esistenza è stata ipotizzata osservando i movimenti delle stelle nella Via

Lattea. Gas e stelle all'interno della nostra galassia girano intorno al suo centro. Il

moto delle stelle è determinato dalla forza di gravità e dalla distanza dal centro,

analogamente a quanto accade per il moto dei pianeti all'interno del sistema solare:

quanto più i pianeti sono lontani dal Sole, tanto più lenta è la loro velocità di

rivoluzione. Ma nell'osservare il moto delle stelle della Via Lattea si è scoperto che le

stelle della parte esterna hanno la stessa velocità di quelle della parte interna. Si è

pertanto dedotta l'esistenza di una grande quantità di materia non osservabile

presente nella galassia in rapporto alla distanza dal centro. Poi si è scoperto che lo

stesso accade in molte altre galassie. I gruppi galattici abbondano di gas ad altissime

temperature, la cui massa può superare da due a cinque volte la massa di tutte le

stelle del gruppo. Questi gas, insomma, sono la "materia visibile" di maggior massa

nell'universo. Il problema è che la forza di gravità generata dalla materia di gas e

stelle messi assieme è insufficiente a imprigionare tali gas all'interno del gruppo

galattico, e ciò può essere spiegato solo ipotizzando che esista una "materia oscura" in

proporzione nove volte superiore a quella visibile. Le ombre delle "quasi stelle"

Arrivando a scrutare regioni dell'universo distanti 10 miliardi di anni luce, la

luminosità delle comuni galassie si affievolisce a tal punto da risultare troppo scura

per essere fotografata. Ma non mancano altri, più efficaci, metodi di indagine. Per

esempio quello di scrutare le "ombre" delle galassie ricorrendo alla osservazione delle