Cosmologia – 2 – Il tempo, lo spazio e il nulla

di Mario Giardini

La cosmologia è la scienza che studia l’universo fisico, la sua origine, la sua composizione e la sua evoluzione. Per definizione, tutto ciò che è osservabile e ciò che influenza l’osservabile nel mondo fisico costituisce l’universo. Atomi, particelle, stelle, galassie, energia, leggi di natura, spazio e tempo: tutti questi sono “oggetti” fisici, ed costituiscono l’universo. E, inversamente: ciò che non appartiene all’universo non può avere, per definizione, proprietà fisiche misurabili.

Includere tempo e spazio fra gli “oggetti” fisici non è immediato. Per secoli, molti filosofi si sono posti la domanda se lo spazio e il tempo possano esistere indipendentemente dal mondo fisico, oppure se sono mere relazioni fra gli oggetti fisici. Per i pitagorici il tempo era “la sfera che tutto abbraccia”. Per Aristotele “il numero del movimento, secondo il prima o il dopo”, con ciò intendendo la misurabilità dell’ordine del movimento di due o più corpi osservabili. Newton li concepì assoluti, eterni, immutabili, identici per ogni osservatore, in qualsivoglia circostanza.

La teoria della relatività ha mutato tutto ciò. E’ chiaro che considerare il tempo una “cosa” fisica provoca qualche sconcerto. Noi umani ne abbiamo una percezione del tutto personale. A volte scorre rapido, a volte lentissimo in modo esasperante. E’ come se il tempo esistesse perché esistiamo noi.

Invece, è del tutto ovvio che non sia così. L’universo ha una storia lunga quattordici miliardi di anni. Dunque esisteva prima che sulla Terra comparisse l’homo sapiens. E siccome l’universo è smisuratamente grande, vi sono parti dove eventi accadono, e l’uomo non è presente. E se ci sono degli eventi, appare evidente che esista un tempo per “farli” avvenire. Lo stesso ragionamento vale per lo spazio.

Ci sono obbiettivamente delle difficoltà in questi concetti. Se il tempo e lo spazio sono “oggetti” fisici, allora ogni modello di universo li deve “spiegare”, cioè descrivere come essi interagiscono con gli altri componenti fisici del cosmo. La teoria della relatività fa esattamente questo. Mostra per esempio come la materia curvi lo spazio-tempo. Nell’articolo precedente ho spiegato lo cosmological concordance model, cioè i due possibili modelli di universo contenuti nelle equazioni di Einstein. 

Esistono modelli cosmologici che contengono solo spazio e tempo, cioè privi di materia, eppure sono soggetti a cambiamenti e ad evoluzione. Sono modelli nati negli anni ’20 del secolo scorso. Non pensiate che siano stati un divertimento intellettuale: l’assenza di materia era una buona approssimazione dell’universo che conoscevamo circa un secolo fa: cioè un universo dove la materia aveva una densità prossima allo zero. Se non avete bisogno della materia, ma solo dello spazio e del tempo, per “costruire” un universo, ne consegue che spazio e tempo sono parte integrante della fisica dell’universo. Per cui le domande: che cosa c’era prima dell’universo?, che cosa c’è oltre l’universo?, non avevano, e non potevano avere, fino a qualche decennio fa, il minimo significato. Il tempo non può esistere prima dell’universo. E non può esserci spazio oltre l’universo, perché tutto lo spazio esistente è dentro l’universo. Vedremo che questa prospettiva è mutata negli ultimi trent’anni.

Ma allora,  dove, come e perché avvenne il big bang? Intanto: è un dove che non esiste, perché lo spazio nacque con il big bang. E non pensate che l’universo si stia espandendo all’interno di uno spazio più grande di esso: tale spazio non c’è. Tutto lo spazio è dentro l’universo. E’ per questa ragione che la prova regina del big bang, cioè la radiazione cosmica di fondo, è ancora contenuta nell’universo e la si può misurare. Il come ed il perché sono domande finora senza risposta.

Qualche volta sento domandare: perché esiste qualcosa, l’universo, invece del “nulla”? E se a mia volta domando: che cos’è questo “nulla” di cui parli?, la risposta invariabilmente è: un grande vuoto (cioè spazio privo di cose fisiche) che però si estende indefinitamente nel tempo. Essendo spazio e tempo entità fisiche, è chiaro che non può esistere questo “nulla”, perché la sola esistenza del tempo e dello spazio contraddice il suo significato. Cioè, di essere l’opposto dell’universo. Il “vuoto”,  in questo senso, cioè come sinonimo di nulla, non esiste.

La teoria standard del big bang afferma che ci fu un istante “zero” in cui tutto (cioè l’universo) cominciò. Quattordici miliardi di anni fa all’incirca. Cosa c’era prima? Come detto, non c’era un prima.

Questa cosa disturba molto alcuni scienziati: perché implica che se qualcosa venne ad esistenza in un dato momento (l’universo), ciò significa che ci fu un atto di “creazione”. E dunque esiste un “Creatore”. Per ovviare si sono studiati e proposti modelli di universo infinitamente vecchi. Il problema però non viene risolto: bisogna spiegare come mai esiste un universo infinitamente vecchio.

Perciò, che ci sia stato un tempo zero oppure che l’universo esista da sempre sono due “fatti” che non aiutano a spiegarne l’esistenza. Allo stesso modo non aiuta il concetto di finitezza o infinitezza dimensionale. Quindi il problema rimane: o ci fu un creatore, oppure l’universo esiste… perché è, e noi ci siamo dentro e ne possiamo parlare.

Capisco che filosoficamente la conclusione sia deludente. Almeno per il momento. Ma la scienza non può fare altro che misurare il mondo fisico. Tutte le teorie cosmologiche cercano di “approssimare” l’istante di inizio e di determinarne “le condizioni al contorno” (ci tornerò sopra).

Chi creò l’universo è una domanda meta-fisica. Cui ciascuno può rispondere nel modo che crede più opportuno.