di Mario Giardini
Le migliori misure sperimentali oggi disponibili dicono che l’universo è costituito da quattro ingredienti fondamentali. Per una piccolissima parte (4% circa) da materia (pianeti, stelle, gas interstellare) e radiazione (luce, onde elettromagnetiche). Esse sono equivalenti secondo la teoria della relatività, essendo tutte forme diverse dell’energia.
La materia è energia secondo una formula celeberrima: E = mc². La radiazione, vale a dire un’onda elettromagnetica, ha un contenuto energetico pari a quella della somma dei fotoni che la compongono, ed è calcolabile a partire dalla formula E= hν. Dove E risulta essere l’energia di un fotone, pari alla costante di Planck (h) moltiplicata per la frequenza ν, da cui si deriva, con un calcolo non complesso, l’energia complessiva della radiazione.
C’è poi un 21% fatto da una materia che non si vede: per questa eccellente ragione essa viene detta materia oscura (dark matter). Il resto, cioè un 75%, è fatto di una “sostanza” nota sotto il nome di “dark Energy”, cioè energia oscura. Di cui si ebbe certezza sperimentale solo nel 1998.
Tutto ciò costituisce, semplicemente, una rivoluzione nel nostro modo di pensare l’universo. Fino a tutti gli anni ’70 il modello prevalente era quello di Einstein – De Sitter (depurato della costante cosmologica λ, introdotta nelle equazioni– e poi tolta – al fine di renderlo stazionario).
Facciamo adesso un piccolo esercizio mentale: togliamo dall’universo la materia visibile, quella oscura e le radiazioni, cioè i fotoni. Cosa rimane? Lo spazio. Che però è vuoto, no? L’abbiamo appena svuotato. Infatti, in linguaggio corrente, diciamo che il vuoto è uno spazio che non contiene materia. Ma se rileggiamo quanto scritto sopra, in realtà il vuoto che abbiamo ottenuto non è “vuoto” nel senso corrente del termine, perché è rimasta dell’energia. L’energia oscura.
Ma poiché l’energia è equivalente alla materia (Einstein docet), ne consegue che il vuoto, dopo essere stato svuotato di tutta la materia, ne contiene ancora. Contraddittorio, nevvero? Insomma, ci stiamo incartando?
No. Vediamo di spiegare perché. Nel 1998 si ebbe la conferma sperimentale dell’esistenza dell’energia oscura. Due teams di ricerca, indipendentemente l’uno dall’altro, provarono che le galassie più lontane da noi, che si allontanano a velocità molto alte (decine di migliaia di chilometri al secondo), stanno accelerando. Cioè l’universo si espande a velocità crescente.
La costante cosmologica Λ fu introdotta da Einstein per ottenere dalle sue equazioni un universo in accordo con le osservazioni del tempo (1917) che mostravano un universo (in realtà, la piccola frazione d’esso che si osservava, la Via Lattea) statico. Sappiamo che la cosa è errata perché Hubble dimostrò sperimentalmente che l’universo si espandeva.
“Non serve fargli la guerra”
Ci si può chiedere: ma lo studio della cosmologia ha qualche ricaduta pratica sulla vita di ogni giorno? O sono soldi e tempo sprecati? Come tutte le discipline altamente teoriche, è difficile rispondere alla domanda. In particolare, se chi la fa ritiene che il sapere, privo di applicazioni pratiche che migliorino la vita dell’umanità, è accademia priva di valore.
L’America celebrò il centenario della dichiarazione di indipendenza con una esposizione universale che si tenne a Filadelfia dal 10 maggio al 10 novembre 1876. E che fu visitata da quasi 10 milioni di persone.
Il big bang avvenne circa 14 miliardi di anni fa. L’universo osservabile è il cosiddetto volume di Hubble, una sfera, con centro nella Terra, di circa 42 miliardi di anni luce di raggio (la distanza è maggiore di 14 miliardi di anni luce a causa dal processo inflattivo di Guth, di cui parleremo in un altro articolo). Vediamo fino ad una distanza pari a metri 4 per 10 alla 26ma potenza. Questo è il nostro orizzonte cosmico. Cioè il nostro universo. Tutto chiaro, no? Beh, insomma… questo è ciò che “vediamo”. Ma quel che vediamo è “tutto”? Cioè, in altri termini: non è che oltre l’orizzonte cosmico c’è dell’altro?
Premessa: Questo articolo è leggermente più tecnico dei precedenti. Ma come vedremo, i concetti sono piuttosto semplici da capire.
Edwin Hubble ebbe a scrivere: “la storia della astronomia è la storia di orizzonti che si allontanano”
Nessuno potrà mai riprodurre in laboratorio la nascita del nostro universo, e vivere abbastanza a lungo (almeno 14 miliardi di anni), per studiarne sperimentalmente l’evoluzione e raccontarci come andarono le cose. Quindi i cosmologi sono destinati a chiudere bottega subito e a cercarsi un altro mestiere? Non proprio. Intanto, possiamo chiederci: com’è fatto l’universo che vediamo, cioè quali sono le leggi che lo governano? Come è arrivato a questo stato, ammettendo per ipotesi che le leggi che lo governano siano sempre quelle, sin dall’inizio del tempo?
Prima di occuparci di Big Bang, universi inflazionari, multiversi, materia oscura, ecc, diamo una occhiata agli albori della cosmologia. Nel 1916 Einstein pubblicò la cosiddetta Teoria Generale della Relatività. Essa completava il lavoro pubblicato nel 1905, includendo una teoria generale della gravitazione. Pur non eccellendo in matematica, Einstein non la temeva. Le sue equazioni eleganti parevano possedere proprietà che avrebbero permesso di rispondere ad antiche domande sull’universo.
Commenti