Cosmologia – 13 – Lo spazio vuoto è una groviera foruncolosa

di Mario Giardini

Abbiamo detto che la gravità incurva lo spazio. In realtà, sarebbe più corretto dire che la gravità deforma lo spazio. La gravità è prodotta dalla materia. Materia ed energia sono equivalenti, dunque la conclusione è che l’energia deforma lo spazio. Abbiamo anche detto che il vuoto ha una energia totale non nulla. Dopo aver tolto la materia (quella visibile e quella oscura) e la radiazione, ciò che rimane (per quanto ne sappiamo oggi) è l’energia oscura.

E qui entrano in gioco le unità naturali di Planck. Supponiamo di avere un microscopio ultra-potente, capace di distinguere strutture della dimensione dell’unità di lunghezza di Planck, cioè 10^-33 cm. Vedremmo allora le fluttuazioni quantistiche, cioè, volgendo lo sguardo verso qualsiasi direzione, vedremmo lo spazio vuoto agitarsi, tremare, ribollire, ondeggiare, formare bubboni, ciambelle, rigonfiamenti, avvallamenti, buchi, eruzioni. Una groviera foruncolosa, appunto.

Assisteremmo ad una danza indiavolata. Vedremmo un incessante trasmutarsi di energia in materia e viceversa. E’ come se il dio Śiva della filosofia indù, il Dio che ad ogni istante crea e distrugge, danzando fra fuoco materia ed energia, si fosse materializzato dinanzi a noi e facesse il suo spettacolo.

Vedremmo, in sostanza, la danza di tutte le particelle di cui abbiamo parlato fin’ora. Elettroni, positroni, neutrini, quark, fotoni, gravitoni. Tutte le particelle elementari si agitano, si scontrano, si fondono emettendo energia o assorbendone. Ecco spiegato come mai il vuoto ha un’energia totale non nulla.

Esso è agitato da fluttuazioni quantistiche. Quanto vivono queste “strutture”? La risposta la sapete già: l’unità della scala temporale è quella di Planck: 10^-42 secondi.

Proviamo a scrivere: è uno zero, seguito da una virgola, seguito da 41 zeri e poi da un 1. Il numero 0,000000001 rappresenta un miliardesimo di secondo (10^-9). Divertitevi a definire l’unità di tempo di Planck. Miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi… quante volte?

Incidentalmente: ci sono fisici che pensano che il tempo di Planck rappresenti il più piccolo intervallo di tempo che esista. Se è vero, significa che il tempo è una grandezza non continua, ma discreta.

E l’unità di massa di Planck? Non dimentichiamola. Supponiamo che due particelle aventi tale massa si scontrino. Se hanno sufficiente energia, possono annichilirsi e formare un buco nero.

La massa di Planck è il minimo di massa necessaria per formare, appunto, un buco nero. Il buco nero risultante avrebbe un diametro all’incirca pari ad una lunghezza di Planck e durerebbe circa un tempo di Planck. Dopo di ché, esploderebbe, ed emetterebbe fotoni ed altri residui.

La massa di Planck non è molto grande. Applicando la formula di Einstein, si trova che l’energia corrisponde più o meno a quella di una tanica di benzina. Ma…se dovessimo costruire un acceleratore (con la tecnologia di oggi) per accelerare una massa di Planck alla velocità che occorre per produrre il buco nero di cui parliamo, tale acceleratore avrebbe una lunghezza di qualche anno luce. Cioè sarebbe lungo all’incirca quanto la distanza di Proxima Centauri dalla Terra.

Facciamo un altro esercizio mentale. Immaginiamo che il moto di espansione dell’universo si inverta. Quindi tutte le galassie, anziché allontanarsi l’una dall’altra, cominciano ad avvicinarsi. Ci sarà un momento in cui l’energia totale dell’universo sarà compressa in uno spazio piccolissimo. La temperatura sarà altissima, forse 100 miliardi di gradi o più. Abbiamo riprodotto, grossolanamente, l’istante zero dell’universo, cioè il big bang.

Il big bang è, in termini matematici, una singolarità. Cioè un punto dove le grandezze fisiche assumono valori infinitamente grandi.  Al momento non esiste una teoria fisica, espressa matematicamente, che possa rappresentare l’istante zero dell’universo. Semplicemente perché, in tali condizioni, le leggi fisiche che conosciamo non si applicano più.

Ma non si scappa. O l’universo ha avuto un inizio, o esiste da sempre. Entrambe le ipotesi, se ci pensate bene, sono, da un punto di vista filosofico, assai difficili da accettare. L’universo non c’è. Poi succede qualcosa, ed ecco l’universo che compare dal nulla. Ci si può chiedere: è sorto per “cause naturali”? E se furono eventi “naturali”, come si svolsero i “fatti”? In alternativa, la domanda è: ci fu Qualcuno che creò l’intero ambaradam?

La prima domanda è scientifica, ha tenuto occupate (e verosimilmente terrà ancora occupate) generazioni di scienziati. La teoria del big bang suggerisce una ipotesi, vale a dire una risposta, parziale, alla prima domanda. Una fluttuazione quantica dello spazio vuoto ha generato l’universo. Come? E’ ancora oggetto di studio per quanto detto sopra sull’inapplicabilità della fisica “normale” all’evento.

La seconda occupa e preoccupa preti filosofi e varia umanità da millenni. Ma anche l’esistenza da sempre crea qualche problemino. Pensate a una cosa che esiste da sempre. Non ha inizio, non ha fine. Anche qui vien da domandare: come fa questa cosa ad esistere?

E, piuttosto, non è che c’è una teoria fisica che descriva un universo ciclico? Sì, c’è, l’hanno suggerita Turok e Steinhardt, ne abbiamo già parlato. Prossimamente, se avremo sufficiente pubblico, parleremo del bosone e del campo di Higgs. Ed infine accenneremo al principio antropico da un punto di vista scientifico.