Tutto comincia con un brodo primordiale ad altissima densità e temperatura. Materia e radiazione sono una cosa sola. È un universo incredibilmente caldo ed energetico che si espande. Come questo sia accaduto “al principio”, e come matematici, fisici e astrofisici abbiano proposto e modificato nel tempo modelli e teorie per interpretarlo, lo spiega in questo bel libro Ersilia Vaudo, astrofisica presso l’Agenzia Spaziale Europea, da sempre interessata alla divulgazione e alla alfabetizzazione scientifica nel settore di sua competenza.
La formula più famosa del mondo
Nel 1905 la cosmologia newtoniana, che da più di duecento anni aveva descritto il moto dei pianeti lungo le loro orbite, viene sconvolta dalla formulazione di una nuova teoria, la relatività speciale proposta da Albert Einstein nel suo famoso articolo “Sulla elettrodinamica dei corpi in movimento”. La sua intuizione fondamentale, spiega Vaudo, postula che due eventi che accadono nello stesso istante per un osservatore fermo, accadono necessariamente in tempi diversi per due osservatori che si muovano l’uno rispetto all’altro in sistemi di riferimento inerziali: il tempo trascorso tra due eventi non è più lo stesso, e i due non avranno la stessa opinione neanche sulle dimensioni di un oggetto. Dilatazione del tempo e contrazione delle lunghezze vanno insieme. Nello stesso anno Einstein pubblica altri tre articoli fondamentali, suggerendo che la radiazione luminosa sia composta da quanti di luce, quelli che chiamiamo fotoni, permettendo lo sviluppo dei due modelli che interpretano la luce come onda o come particella, e proponendo per la prima volta la formula più sintetica e famosa del mondo: E= mc2.
Spazio e tempo
La grandezza di Einstein, commenta Vaudo, è stata nella sua capacità di sviluppare una visione di insieme delle teorie del suo tempo, alla ricerca di una interpretazione più universale, cambiando punti di vista e legando insieme lo spazio e il tempo attraverso una grandezza fisica assoluta, la velocità della luce. La massa di un corpo in movimento non è più una costante fissa, ma aumenta in conseguenza dell’energia che non viene convertita in velocità, e quando questa velocità si avvicina a quella della luce, la massa aumenta sempre più. Certo, non si tratta di concetti facili per chi non ha sufficienti competenze matematiche e fisiche, ma l’entusiasmo e la meraviglia che l’autrice riesce a comunicare al lettore per queste straordinarie conquiste intellettuali permettono di accettarle come intuizioni e di modificare almeno in parte una visione del mondo più tradizionale.
Una membrana di gomma
Einstein non si ferma qui: la sua ambizione a generalizzare la teoria della relatività speciale fino ad includere accanto ai sistemi inerziali anche i sistemi di riferimento accelerati, lo porta a immaginare una struttura quadridimensionale dell’universo, composta dalle tre dimensioni dello spazio e dal tempo. Gli esempi e le suggestioni offerte da Vaudo aiutano anche il lettore impreparato a modificare (per quanto possibile) le sue conoscenze newtoniane sullo spazio e il tempo. Lo spaziotempo einsteiniano, in assenza di materia, può essere pensato come una membrana di gomma liscia e tesa. Se su questa membrana si appoggia della materia la membrana si deformerà, e se vi sono degli oggetti in movimento la loro traiettoria verrà modificata dalla deformazione della membrana. Così nel nostro Sistema il Sole, appoggiato sulla membrana immaginaria, la deforma e la sua presenza modifica la traiettoria della Terra che scivola senza resistenza sulla curvatura dello spaziotempo prodotta dalla nostra stella.
Buchi neri
Con le teorie di Einstein la geometria dell’universo diventa quindi una entità dinamica che si deforma, si increspa e in alcuni punti affonda. E nell’Universo sono stati ipotizzati, osservati e fotografati tremendi punti di “affondo”: i buchi neri descritti da Wheeler, voragini in cui precipita la materia, intrappolando informazione e luce. Fin dal secolo scorso, altri scienziati hanno supportato con le loro elaborazioni nuovi modelli di universo, calcolando come Chandrasekhar gli effetti della compressione della materia delle stelle in strutture ad altissima densità che flettono e deformano lo spaziotempo. Così sono stati rilevati i suoni emessi dai buchi neri – un cinguettìo, dice chi li ha ascoltati – e anche questa qualità sonora modifica l’immaginario collettivo permettendo di rappresentarci in modo nuovo anche l’inizio del tutto, trasformando il Big Bang in un cosmic chirp.
Materia e antimateria
Vaudo racconta ancora la storia della formazione del nostro universo e le osservazioni che hanno permesso di modellizzarne lo stato e le trasformazioni. Le ricerche di Edwin Hubble, ad esempio, ci parlano di un universo in espansione, e la spectacular realization, l’intuizione del fisico e cosmologo statunitense Alan Guth, propone un modello di inflazione che all’inizio ha fatto aumentare quasi istantaneamente il volume dell’universo trilioni di trilioni di volte. Nei primi istanti deve essersi formata anche dell’antimateria capace di annichilarsi con la materia che conosciamo. Dell’antimateria sono ormai conosciuti alcuni elementi, come il positrone e l’antiprotone, mentre altri vengono ricostruiti artificialmente. La proprietà di annichilarsi con la materia viene studiata e utilizzata, per esempio, in pratiche terapeutiche come nella PET (terapia a emissione di positroni).
Un multiverso in perenne espansione
Gli ultimi capitoli del libro sono dedicati a quello che ancora non si sa, alle teorie in formazione: i risultati delle ricerche attuali ci parlano della materia oscura, dell’energia oscura e, soprattutto, propongono sulla base della teoria delle stringhe, nuovi fantasmagorici modelli di universo, anzi di Universi. I calcoli suggeriscono la possibile formazione di universi indipendenti, sospesi in un multiverso in perenne espansione. Mondi a sé, commenta Vaudo, governati da leggi fisiche proprie, animati da particelle che potrebbero essersi formate con meccanismi diversi, caratterizzati – secondo la teoria delle stringhe – da molteplici dimensioni spaziali, forse in attesa di un Big Bounce, un grande rimbalzo che dopo una espansione porterebbe a una speculare contrazione.
L’importanza della matematica
Il mondo fisico si presenta sempre più complesso, ma all’inizio del capitolo 5 Vaudo pone una domanda su cui vale la pena di riflettere: cosa c’entra la matematica con la realtà? Il mondo fisico, quello in cui viviamo, può essere raccontato ma, sostiene l’autrice, questo è solo una porzione di quello a cui può dare accesso la matematica. Con una formula si possono aprire varchi inattesi nella conoscenza e la matematica rappresenta la lingua dell’universo, che ci prescinde e ci lega a ciò che ancora non sappiamo di non sapere. La matematica gioca un ruolo irrazionalmente importante nella fisica, dice Wigner, ma può svelare collegamenti inaspettati, in formulazioni che ancora non comprendiamo. Così nel progresso della conoscenza accade che dai meccanismi matematici vengano fuori nuove ed esatte rappresentazioni della realtà, come quelle che hanno permesso a Paul Dirac, nel 1938, di rendere compatibili la meccanica quantistica che si applica alla materia su scale microscopiche con la teoria della relatività speciale di Einstein, che riguarda oggetti che si muovono a velocità prossime a quelle della luce. Le formule cambiano il mondo, si dice, ma il percorso mostrato da Vaudo descrive anche le straordinarie osservazioni e gli straordinari strumenti che hanno potuto di volta in volta validarle.
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