Luniverso:

Nascita e sviluppo dell'universo

Le radiazioni elettromagnetiche, una sbirciata indietro di milioni di anni

Quando guardiamo il cielo, osserviamo stelle, gruppi di stelle, grandi e piccole nubi di gas, nubi di polveri, la Via Lattea, le galassie, dalle più vicine alle più lontane, sempre più deboli e difficili da osservare anche con i più grandi telescopi. Tutto questo si trova nell'universo. La luce che ci porta l'immagine di un oggetto celeste impiega un certo periodo di tempo a giungere fino a noi. Quando vediamo i corpi celesti dunque non li guardiamo come sono nel momento in cui li osserviamo, ma come erano quando è partita la luce che ci porta la loro immagine: vediamo il Sole come circa otto minuti prima o una galassia come era milioni di anni fa. Oggi riteniamo che l'universo abbia avuto un inizio, miliardi di anni fa. Guardando corpi celesti molto lontani, quindi, guardiamo molto indietro nel tempo, verso l'inizio dell'universo. Gli strumenti per osservare il cielo sono delle specie di macchine del tempo perché, come abbiamo già detto, vediamo i corpi celesti come erano tempo fa. Le galassie più lontane appaiono estremamente deboli e solo i grandi telescopi ci permettono di rilevarle. Il telescopio è una invenzione recente, solamente nel 1609 Galileo Galilei lo usò per la prima volta e vide in cielo cose non visibili a occhio nudo. Non riceviamo dallo spazio solamente la luce ma anche altre radiazioni chiamate elettromagnetiche (la luce è solo una di esse): onde radio, raggi infrarossi, ultravioletti, X e gamma. Riceviamo anche i cosiddetti raggi cosmici, formati da particelle. Per ciascun tipo di radiazione gli astronomi usano strumenti particolari, molto diversi fra loro: esistono dunque modi differenti di <<vedere>> l'universo.

Evoluzione dell'universo

Negli anni '20 gli astronomi si accorsero che i colori della luce delle galassie erano leggermente modificato dal cosiddetto effetto Doppler. A causa sua, se una galassia si allontana da noi la sua luce è un pò più rossa, mentre se si avvicina è un pò più blu. La luce delle galassie è un pò più rossa segno certo che le galassie si stanno allontanando. Nel 1929 l'astronomo statunitense E. Hubble scoprì che quanto più una galassia è lontana tanto più velocemente sembra allontanarsi (è la legge di Hubble). Questo significa che le galassie stanno allontanandosi l'una dall'altra: la distanza fra una galassia e l'altra aumenta perché l'universo di sta espandendo, diventando sempre più grande. Utilizzando la legge di Hubble è possibile ricavare la distanza a cui si trova una galassia misurando la sua velocità di allontanamento. I quasars (QSO) sono i corpi celesti che mostrano la più alta velocità di allontanamento. Facendo una piccola parentesi possiamo dire che il cammino si un raggio di luce viene deviato quando passa vicino a una grande massa. In questo modo una galassia posta fra noi e un quasar può piegare verso di noi i raggi luminosi del quasar, comportandosi come una lente gravitazionale. Si crea allora una specie di miraggio: vediamo più immagini dello stesso quasar, una per ogni cammino della luce che raggiunge. Ciascuna immagine è vista nella direzione da cui proviene quel raggio, quindi in un punto del cielo diverso da quello in cui si trova effettivamente il quasar. In casi diversi si possono vedere grandi anelli luminosi, chiamati anelli di Einstein: fu proprio Albert Einstein a prevedere, nel 1915, la deviazione di un raggio di luce prodotta da una massa.

Alla domanda che cosa c'era prima nessuno finora è riuscito a dare una risposta: le leggi della fisica e della cosmologia possono essere applicate all'universo che si è già formato, mentre perdono di significato se riferite a tempi precedenti. La teoria più accreditata sulla nascita dell'universo è quella del Big Bang (termine inglese se vuol dire grande esplosione), si ritiene che sia avvenuto quindici o venti miliardi di anni fa, le fasi dell'evoluzione dell'universo possono essere così riassunte:

Comincia il big bang, entro i primi 10-30 secondi l'universo attraversa un brevissimo periodo di espansione violentissima: è la cosiddetta inflazione. Entro i primi 10-10 secondi le quattro forze fondamentali della natura si differenziano una dopo l'altra da un'unica forza primordiale. Esse sono: la forza gravitazionale, la forza nucleare forte, la forza nucleare debole, la forza elettromagnetica.

Si formano i protoni, i neutroni, gli elettroni e successivamente i primi nuclei pesanti, quelli di elio. Sono passati circa tre minuti dal big bang.

Circa 300.000 anni dopo il big bang si formano gli atomi di idrogeno e di elio. L'universo diventa trasparente. La radiazione presente fino a quel momento continuerà a riempire l'universo: e la cosiddetta radiazione di fondo, rilevabile ancora oggi. La temperatura è di circa 10.000 gradi.

Circa un miliardo di anni dopo il big bang cominciano a formarsi le galassie, a partire da addensamenti nel gas di idrogeno e di elio che riempie l'universo.

In seguito all'espansione dell'universo le galassie si allontanano tutte l'una dall'altra. Questo avviene ancora oggi.

Ora l'universo è dotato di una struttura complessa, almeno entro qualche centinaio di milioni di anni luce. Le galassie ci appaiono distribuite nello spazio lungo filamenti o estesi pareti ed esistono grandi bolle di spazio senza galassie.

Dal big bang agli atomi

Nell' universo piccolissimo e straordinariamente caldo subito dopo il big bang c'era un tipo di materia molto diversa da quella che vediamo intorno a noi. Secondo i ricercatori esistevano particelle che oggi non troviamo più comunemente, ma che in qualche caso si possono riprodurre in laboratorio, ricreandole, anche se per un solo instante, nei grandi acceleratori di particelle.

Un centesimo di secondo circa dopo il big bang si erano già formati i protoni, i neutroni e gli elettroni, cioè i componenti degli atomi, i mattoni con cui è costruito il nostro mondo: essi si muovevano rapidissimi, ciascuno per conto proprio, immersi in un oceano di radiazione. Dopo tre minuti circa le coppie di neutroni poterono unirsi fra loro in modo stabile formando così i primi nuclei: i nuclei di elio. Poi tutto rimase inalterato per migliaia di anni. 300.000 anni dopo il big bang accadde di nuovo qualche cosa: gli elettroni vengono catturati. I protoni diventano così atomi di idrogeno e i nuclei di elio diventano atomi di elio. Dove sono tutti gli atomi che conosciamo, per esempio l'ossigeno, il carbonio, il ferro, l'oro? Non ci sono. Verranno formati molto tempo dopo all'interno delle stelle.

La radiazione di fondo

Prima della formazione degli atomi, l'universo appariva simile ad un paesaggio diurno immerso nella nebbia, con la luce diffusa dovunque e proveniente da ogni direzione. Non si trattava però di luce ma di radiazione molto più energetica, continuamente assorbita ed emessa dalle particelle. Quando si formarono gli atomi la radiazione non fu più legata alla materia: era come se fosse scomparsa la nebbia e l'universo diventò trasparente. La materia e la radiazione prendevano strade diverse. La materia, sotto forma di gas diffuso, formerà poi le galassie; la radiazione continuerà a riempire l'universo che si sta espandendo, diventando sempre più debole. Ancora oggi riceviamo un debole eco di quella radiazione, un sussurro che proviene dai primi momenti del nostro universo e da ogni direzione del cielo: viene chiamata radiazione di fondo o radiazione fossile.

Universo attuale e futuro

Dopo la formazione degli atomi c'era gas ovunque. L'universo appariva dunque molto uniforme. Oggi l'universo non appare molto uniforme, almeno su distanze di qualche centinaio di milioni di anni luce. Oggi si vede che le galassie non formano solamente ammassi, ma anche strutture più grandi, un grande disegno dove gli ammassi sono solo le parti. Le galassie possono formare lunghi filamenti o pareti estese, oppure lasciano vuote grandi regioni dello spazio. Spesso è come se formassero le pareti di gigantesche bolle vuote che hanno un diametro di un centinaio di milioni di anno-luce. La struttura più grande finora vista è chiamata grande muro: è un gigantesco addensamento che sembra un vero e proprio muro di migliaia di galassie, esteso 500 milioni di anni luce per 200 milioni, ma piuttosto sottile, meno di 15 milioni di anni luce. Per ricostruire questo disegno gli astronomi hanno misurato migliaia di distanze di galassie, e molte ancora dovranno misurarne per poterlo completare. Non si è ancora scoperto come le galassie hanno fatto a disporsi in questi modi, molto probabilmente è stata fondamentale la presenza della materia oscura.

L'espansione dell'universo continuerà indefinitivamente oppure a un certo punto si arresterà a seconda di quanta massa si trova complessivamente nell'universo. La massa frena l'espansione con la sua attrazione gravitazionale. E' una situazione che conosciamo bene: quando lanciamo in aria un oggetto questo ricade. Se lo lanciamo molto velocemente potrà arrivare più in alto ma ricade sempre. Per allontanare un oggetto dalla Terra dobbiamo dargli una velocità molto elevata, oppure dobbiamo continuare a spingerlo, come avviene con i raggi spaziali. La velocità di allontanamento dipende dalla massa del nostro pianeta. Se fossimo sulla Luna, che è più piccola, sarebbe molto più facile fare allontanare un oggetto, per esempio una navicella spaziale; se fossimo su Giove, che ha una massa pari a 300 volte quella della Terra, sarebbe molto più difficile e dovremmo dare una velocità di partenza molto più alta.

Il big bang ha iniziato l'espansione, fornendo all'intero universo una velocità iniziale. La massa che si è formata rallenta l'espansione: oggi l'universo si espande molto meno rapidamente che all'inizio. Se la massa totale è superiore a un certo valore allora l'universo ricadrà, cioè inizierà una fase di contrazione in cui l'universo diventerà sempre più piccolo fino a ridursi a un punto, come era la momento del big bang. Se la massa, invece, non è superiore a quel valore allora l'universo continuerà ad espandersi, sempre più lentamente ma indefinitamente. Abbiamo però visto come sembra esserci della materia oscura che sfugge alla rilevazione diretta. Così non è possibile dire con precisione quanta materia ci sia complessivamente nell'universo, quindi quale sarà il nostro futuro.

La teoria dell'universo membrana

Veneziano, assiduo frequentatore della Scuola internazionale di fisica subnucleare di Erice, è considerato il padre della teoria delle stringhe. In un rivoluzionario articolo del 1968 ipotizzò che tutte le particelle elementari potessero essere il risultato delle "vibrazioni" di minuscole corde unidimensionali, scatenando accesi dibattiti tra i fisici teorici di tutto il mondo e aprendo le porte a una nuova cosmologia. Fra le teorie proposte, c'è anche quella dell'universo-membrana che, pur partendo da ipotesi differenti, sembra rafforzare le conclusioni della cosmologia delle stringhe. "Entrambi i modelli", spiega Veneziano, "descrivono uno scenario iniziale in cui l'universo era molto semplice, vuoto e freddo. E in questo scenario, il Big Bang è semplicemente il risultato della lunga evoluzione che lo ha preceduto". "Secondo la teoria dell'universo-membrana", continua Veneziano, "il nostro universo tridimensionale (tempo a parte) si comporterebbe come una sorta di membrana a tre dimensioni, chiamata brana. Tutte le particelle che conosciamo, salvo quelle che trasmettono la forza di gravità, sarebbero confinate su questa brana, a sua volta immersa in uno spazio con dimensioni aggiuntive. Lo scontro della nostra brana (cioè del nostro universo) con una seconda, avvenuto nello spazio delle dimensioni aggiuntive (riducendo il numero di dimensioni è possibile visualizzare l'evento come uno scontro fra due fogli sottili), avrebbe fornito l'energia necessaria per innescare il Big Bang". Mentre fioriscono nuove ipotesi, la teoria standard del Big Bang scricchiola. Il suo punto debole è che non tiene in alcuna considerazione gli effetti quantistici, basandosi solo sulla relatività generale di Einstein.

La recessione delle galassie remote

"Le alte galassie stanno generalmente allontanandosi dalla nostra a elevata velocità. Ciò non significa ovviamente che la nostra galassia occupi una posizione centrale nell’universo. Si direbbe piuttosto che l’universo stesso stia subendo gli effetti di una sorta di esplosione in cui ogni galassia sta allontanandosi da ogni altra galassia. Se le galassie stanno allontanandosi l’una dall’altra, in passato devono essersi trovate molto più vicine. Se la loro velocità è stata costante, allora il tempo impiegato da due galassie scelte a piacere per venirsi a trovare separate della distanza attuale è esattamente uguale alla distanza attuale divisa per la loro velocità relativa".

E così fu il principio...

"In principio vi fu un’esplosione che si verificò simultaneamente ovunque, riempiendo fin dal principio tutto lo spazio e nella quale ogni particella di materia cominciò ad allontanarsi rapidamente da ogni altra particella. Poco importa se lo spazio fosse finito o infinito. L'universo era pieno di luce: la luce non deve essere considerata come qualcosa di distinto dalle particelle. La luce infatti è costituita da particelle di massa zero carica elettrica zero note come fotoni."

Le tre ipotesi

Sono state formulate tre diverse ipotesi riguardo la forma dell'universo. - Universo piatto - Universo sferico - Universo iperbolico Margherita Hack, astrofisica, spiega le tre diverse ipotesi in una intervista apparsa sul "Corriere della Sera".

La materia mancante

"Abbiamo detto che ci sono due metodi per trovare la massa di un gruppo di galassie: le velocità relative e le luminosità. Se si fanno delle misure con i due metodi su un qualsiasi gruppo, si trova che la massa misurata con il metodo delle velocità è almeno 10 volte maggiore di quella misurata con il metodo della luminosità. C’è quindi un surplus di massa non luminosa. Questa è la cosiddetta massa oscura. Sono state formulate le ipotesi più incredibili e strane per spiegare la presenza di questa massa invisibile. Citiamo solo alcune delle ipotesi: Nane brune (pianeti giganti al limite della massa per diventare stelle).

Particelle esotiche (fotini, gravitini, e altre cose stranissime…).

neutrini, (particelle prodotte dalle reazioni nucleari delle stelle) non avrebbero massa nulla, pertanto, essendo il loro numero enorme, la loro massa complessiva sarebbe sufficiente a spiegare la materia oscura. I neutrini hanno la non simpatica caratteristica di essere rivelati con grande difficoltà. Questa però è anche una caratteristica a loro favore, infatti darebbe ragione del fatto che la materia oscura "non si vede" (e non assorbe neanche la luce proveniente dalle stelle e delle galassie).

Stringhe cosmiche superconduttrici (cioè percorsi di particelle in uno spazio a undici dimensioni!)."

Secondo il popolo Boshongo dell'Africa Centrale, all'inizio c'era solo oscurità, acqua e il grande dio Bumba. Un giorno Bumba, afflitto da un mal di pancia, ha vomitato il sole. Il sole ha prosciugato l'acqua producendo la terra. Ancora dolente, Bumba ha vomitato la luna, le stelle e poi alcuni animali. Il leopardo, il coccodrillo, la tartaruga, e finalmente l'uomo. Questo mito della creazione, come molti altri, tenta di rispondere alla domanda che ci poniamo tutti: - Perché siamo qui? - Da dove veniamo? La risposta data generalmente è che gli uomini sono di origine recente, perché è ovvio che gli esseri umani sono migliorati in conoscenza e tecnologia. Così non possiamo essere esistiti da molto tempo, se no saremmo progrediti di più.

Per esempio, secondo il vescovo Usher, il libro della Genesi piazza la creazione del mondo alle nove del mattino il 27 ottobre del 4004 a.C. D'altro canto, l'ambiente fisico, come le montagne e i fiumi, cambia molto poco nel tempo di una vita umana. Si pensava quindi che essi fossero uno sfondo costante, esistito da sempre come un paesaggio vuoto, oppure creato insieme agli esseri umani. Non tutti però erano contenti dell'idea che l'universo avesse avuto un inizio.

Per esempio Aristotele, il famoso filosofo greco, credeva che l'universo esistesse da sempre. Qualcosa di eterno è più perfetto che qualcosa di creato. Egli suggeriva la ragione per cui vediamo il progresso: le alluvioni o altri disastri naturali avrebbero ripetutamente portato indietro le civiltà alle loro origini. Il motivo di credere in un universo eterno era il desiderio di evitare di invocare l'intervento divino per la creazione e il funzionamento dell'universo.

Viceversa, quelli che credevano che l'universo avesse avuto un inizio lo usavano come un argomento per l'esistenza di Dio, causa prima e primo motore dell'universo. Se si crede che l'universo abbia un inizio, la domanda ovvia è: cos'è successo prima dell'inizio? Cosa faceva Dio prima di fare il mondo? Stava preparando l'inferno per la gente che si pone queste domande?

Il problema se - o no - l'universo avesse avuto un inizio preoccupava molto il filosofo tedesco Immanuel Kant. Egli sentiva che c'erano contraddizioni logiche, o antimonie, in entrambi i casi. Se l'universo ha avuto un inizio, perché ha aspettato un tempo infinito prima di iniziare? Egli chiamava questa la tesi. D'altro canto, se l'universo è esistito da sempre, perché ha preso un tempo infinito per raggiungere lo stato attuale? Egli chiamava questa l'antitesi. Sia la tesi che l'antitesi dipendevano dall'assunzione di Kant che il tempo fosse assoluto.

Cioè, proviene da un passato infinito verso l'infinito futuro, indipendentemente da qualsiasi universo che possa o non possa esistere in questo scenario. Questa è ancora l'immagine nella mente di parecchi scienziati attuali. Tuttavia nel 1915 Einstein introdusse la sua rivoluzionaria Teoria Generale della Relatività. In essa, spazio e tempo non sono più assoluti né uno sfondo fisso per gli eventi. Invece essi sono quantità dinamiche modellate dalla materia e dall'energia nell'universo. Esse sono definite solo dentro l'universo, così non ha senso parlare di un tempo prima che l'universo inizi. Sarebbe come cercare un punto più a Sud del Polo Sud. È indefinito.

Se l'universo è essenzialmente invariato nel tempo, come si assumeva generalmente prima del 1920, non ci sarebbe nessuna ragione perché il tempo non sia definito arbitrariamente all'indietro. Qualsiasi cosiddetto inizio dell'universo sarebbe artificiale, nel senso che si può immaginare la storia prima delle origini. L'universo potrebbe essere stato creato l'anno scorso ma tutte le memorie e le prove fisiche lo fanno sembrare molto più vecchio. Questo solleva profonde domande filosofiche sul significato dell'esistenza.

Io l'affronterò adottando quello che è chiamato l'approccio positivista, secondo cui noi interpretiamo l'input dei nostri sensi in termini di un nostro modello del mondo. Non ci chiediamo se il modello rappresenti la realtà, ma solo se funziona. Un modello è buono se per prima cosa interpreta un ampio intervallo di osservazioni in maniera semplice ed elegante, e se fa predizioni precise che possono essere provate e possibilmente contraddette dalle osservazioni.

Nell'ambito dell'approccio positivista si possono confrontare due modelli dell'universo: Uno in cui l'universo è stato creato l'anno scorso ed uno in cui l'universo esiste da molto più tempo. Il modello in cui l'universo esiste da più di un anno può spiegare cose come gemelli identici che hanno avuto un evento in comune più di un anno fa. D'altro canto il modello in cui l'universo è stato creato l'anno scorso non può spiegare tali eventi, quindi il primo modello è migliore. Non ci si chiede se l'universo sia esistito realmente prima di un anno fa, o se sembra solo che sia così. Nell'approccio positivista, è indifferente.

In un universo che non cambia non ci sarebbe nessun punto di partenza naturale.

La situazione è cambiata radicalmente tuttavia quando Edwin Hubble ha iniziato a fare osservazioni col telescopio da 100 pollici di Monte Wilson nel 1920. Hubble ha trovato che le stelle non sono distribuite uniformemente nello spazio, ma sono raccolte in vasti insiemi chiamati galassie. Misurando la luce delle galassie Hubble poteva determinare la loro velocità. Ci si aspettava che altrettante galassie si muovessero verso di noi quante se ne allontanassero. Questo avverrebbe in un universo che non cambia col tempo. Ma con sua sorpresa egli trovò che quasi tutte le galassie si allontanano da noi. Inoltre quanto più le galassie appaiono lontane, tanto più esse si allontanano. L'universo non è invariato nel tempo, come tutti pensavano precedentemente, ma è in espansione. La distanza tra le galassie aumenta col tempo.

L'espansione dell'universo è stata una delle più importanti scoperte intellettuali del ventesimo secolo, o di ogni secolo. Essa ha trasformato il dibattito sull'inizio dell'universo: se le galassie oggi si allontanano, devono essere state più vicine in passato. Se la loro velocità fosse costante, esse dovevano essere l'una sull'altra circa 15 miliardi di anni fa. Era questa l'origine dell'universo?

Parecchi scienziati erano ancora scontenti che l'universo avesse un inizio, poiché sembrava che la fisica dovesse crollare. Si doveva invocare una forza esterna, che per convenienza si può chiamare Dio, per determinare come è iniziato l'universo. Essi perciò avanzavano teorie in cui l'universo si espande all'epoca attuale ma non ha avuto un inizio. Tra queste, la Teoria dello Stato Stazionario proposta da Bondi, Gold e Hoyle nel 1948.

Nello stato stazionario, mentre le galassie si allontanano, se ne formano di nuove, da materia che si suppone essere creata continuamente nello spazio. L'universo sarebbe esistito per sempre e sarebbe apparso identico in qualsiasi epoca. Questa ultima proprietà ha la grande virtù, da un punto di vista positivista, di predire qualcosa che può essere messo alla prova dalle osservazioni.

Nei primi anni '60 il gruppo di radioastronomi di Cambridge diretto da Martin Ryle fece una ricerca di radiosorgenti deboli. Esse appaiono distribuite molto uniformemente nel cielo, indicando che la maggior parte di esse sono esterne alla nostra galassia. Le sorgenti più deboli dovrebbero essere in media le più lontane. La teoria dello stato stazionario prediceva il numero di sorgenti con diversa intensità. Ma le osservazioni mostravano più sorgenti deboli di quanto ci si aspettasse, indicando che la loro densità era più alta in passato. Questo era contrario all'assunzione di base della teoria dello stato stazionario, che ogni cosa fosse costante nel tempo. Per questa e per altre ragioni questa teoria fu abbandonata.

Un altro tentativo di evitare che l'universo abbia un inizio era l'idea che ci fosse stata una precedente fase di contrazione, ma che a causa di rotazioni e irregolarità locali la materia non fosse caduta tutta nello stesso punto. Parti diverse della materia avrebbero mancato la collisione e l'universo si sarebbe espanso di nuovo, evitando uno stato di densità infinita.

Due russi, Lifshitz e Khalatnikov, ritenevano di aver provato che una contrazione generale senza simmetria esatta dovrebbe sempre produrre un rimbalzo, non raggiungendo mai una densità infinita. Questo risultato era molto conveniente per il materialismo dialettico marxista-leninista, perché evitava domande imbarazzanti sulla creazione dell'universo. Essa perciò diventò un articolo di fede per gli scienziati sovietici.

Quando Lifshitz e Khalatnikov pubblicarono la loro teoria, ero uno studente di 21 anni che cercava qualcuno per finire la tesi di dottorato. Io non credevo alle loro cosiddette prove e cominciai con Roger Penrose a sviluppare nuove tecniche matematiche per studiare la questione. Noi abbiamo dimostrato che l'universo non poteva rimbalzare. Se la teoria generale della relatività di Einstein è corretta, si formerà una singolarità, un punto di densità e curvatura dello spazio-tempo infinite, dove il tempo ha avuto inizio.

L'evidenza osservativa per confermare l'idea che l'universo abbia avuto un inizio molto denso arrivò nell'ottobre 1965, pochi mesi dopo il mio primo risultato sulla singolarità, con la scoperta di un debole fondo di microonde che attraversa lo spazio. Queste microonde sono le stesse dei nostri forni a microonde, ma molto molto meno potenti. Esse cucinerebbero la tua pizza solo a -271.3 °C, insufficienti a scongelarla, immaginiamoci a cuocerla!Possiamo osservare queste microonde da soli: basta sintonizzare la tv su un canale vuoto. Una piccola percentuale della neve che si vede sullo schermo sarà causata da questo fondo di microonde. La sola ragionevole interpretazione del fondo è che la radiazione sia partita da uno stato molto caldo e molto denso. Man mano che l'universo si è espanso, la radiazione si deve essere raffreddata fino a diventare il debole residuo che osserviamo oggi.

Sebbene i teoremi della singolarità di Penrose e me predicessero che l'universo ha avuto un inizio, essi non ci dicevano come fosse iniziato. Le equazioni della relatività generale non funzionano alla singolarità. Allora la teoria di Einstein non può predire come l'universo inizia, ma solo come si evolve una volta iniziato.

Ci sono due modi di concepire il risultato di Penrose e mio: Una è che Dio sceglie come l'universo inizia, per ragioni che non possiamo comprendere. Questo era il punto di vista di Papa Woytila. ad una conferenza sulla cosmologia in Vaticano. Il Papa disse ai delegati che andava bene studiare l'universo dopo il suo inizio, ma che non bisognava porsi domande sul inizio stesso perché quello era il momento della creazione e il lavoro di Dio. Ero contento che egli non sapesse che avevo presentato un articolo alla conferenza, suggerendo come fosse iniziato l'universo. Non mi piaceva l'idea di finire sotto l'Inquisizione come Galileo.

L'altra interpretazione del nostro risultato che è favorita da molti scienziati, suggerisce che la teoria generale della relatività non è applicabile nel fortissimo campo gravitazionale dell'universo primordiale. Essa deve essere rimpiazzata da una teoria più completa. Questo è comunque prevedibile, perché la relatività generale non tiene conto della struttura a piccola scala della materia, governata dalla teoria quantistica. Questo non ci importa normalmente, perché la scala dell'universo è enorme rispetto alle scale microscopiche della teoria quantistica.

Ma quando l'universo ha la dimensione di Planck, un miliardesimo di un trilionesimo di un trilionesimo di cm, le due scale sono identiche e si deve tener conto della teoria quantistica. Per comprendere l'origine dell'universo dobbiamo combinare la teoria generale della relatività con la teoria quantistica. Il metodo migliore di far questo sembra essere l'idea di Feynman di una somma sulle storie dell'universo.

Richard Feynman era un tipo colorito, che suonava i tamburi bongos in una bettola di Pasadena, ed era un fisico brillante all'Istituto di Tecnologia della California. Egli propose che un sistema passa da uno stato A ad uno stato B percorrendo ogni possibile cammino della storia. Ogni cammino della storia ha una certa ampiezza di probabilità, e la probabilità del sistema di andare da A a B si ottiene sommando le ampiezze di ogni traiettoria. Ci sarà una storia in cui la luna è fatta di formaggio blu, ma la sua ampiezza è bassa, il che è una cattiva notizia per i topi.

La probabilità che esista uno stato dell'universo all'epoca attuale è ottenuta sommando le ampiezze di probabilità di tutte le storie che terminano con quello stato. Ma come iniziano le storie? Questa è la domanda delle origini in maniera diversa. Serve un Creatore per decidere come inizia l'universo? Oppure lo stato iniziale dell'universo è determinato dalle leggi della scienza? In realtà, queste domande salterebbero fuori anche se le storie dell'universo iniziassero in un passato infinito, ma appaiono più pressanti se l'universo inizia solo 15 miliardi di anni fa.

Il problema di cosa è accaduto all'inizio del tempo è un po' come la domanda di cosa accadeva ai bordi del mondo, quando la gente pensava che il mondo fosse piatto. Il mondo è una piastra piatta, con il mare che trabocca sul bordo? Io l'ho messo alla prova sperimentalmente. Ho fatto il giro del mondo e non sono cascato giù. Come tutti sanno, il problema di cosa accade al bordo del mondo fu risolto quando si comprese che il mondo non è una lastra piatta ma una superficie curva. Il tempo tuttavia sembrava essere diverso. Sembrava separato dallo spazio ed essere come un modellino di ferrovia. Se essa ha un inizio deve esserci qualcuno che fa partire il treno. La teoria generale della relatività di Einstein ha unificato tempo e spazio come spazio-tempo, ma il tempo era diverso dallo spazio, ed era come un corridoio che ha sia un inizio che una fine - o che è infinito. Tuttavia combinando la relatività generale con la teoria quantistica, Jim Hartle e io comprendemmo che il tempo poteva essere come un'altra direzione nello spazio sotto condizioni estreme. Questo significa che si può uscire dal problema che il tempo abbia un inizio, in maniera analoga a quella con cui ci siamo liberati dal bordo del mondo.

Supponiamo che l'inizio dell'universo sia come il Polo Sud sulla Terra, con i gradi di latitudine che giocano il ruolo del tempo. L'universo inizierebbe in un punto al Polo Sud. Mentre ci si muove verso Nord, i cerchi di latitudine costante che rappresentano la dimensione dell'universo si espandono. Chiedersi cosa accade prima dell'inizio dell'universo diventa una questione senza senso, poiché non c'è niente a Sud del Polo sud. Il tempo, misurato in gradi di latitudine, dovrebbe iniziare al Polo sud ma il Polo sud è simile ad ogni altro punto. Almeno così mi è stato detto. Sono stato in Antartide ma non al Polo Sud.

Le stesse leggi della natura avvengono al Polo sud come in altri posti. Questo rimuoverebbe la vecchia obiezione, che l'universo abbia un inizio che sarebbe il posto in cui le leggi normali si interrompono. L'inizio dell'universo sarebbe invece governato dalle leggi della scienza.

Lo schema che Jim Hurtle e Io abbiamo sviluppato, della creazione spontanea quantistica dell'universo, è simile alla formazione di bolle di vapore nell'acqua bollente. Le storie più probabili dell'universo sono come le superfici delle bolle. Parecchie bollicine apparirebbero e scomparirebbero, come mini-universi che si espandono e collassano immediatamente, mentre sono ancora microscopici. Essi sono possibili universi alternativi, ma non ci interessano molto perché non durano abbastanza da formare galassie, stelle e vita intelligente. Alcune bollicine tuttavia crescerebbero fino ad una grandezza tale da non collassare. Esse continuerebbero ad espandersi ad una velocità sempre maggiore e formerebbero le bolle che vediamo, che corrispondono agli universi in espansione perenne.

Questa è chiamata inflazione, come il meccanismo dei prezzi, che vanno sempre su. Il record dell'inflazione è stato toccato in Germania dopo la prima guerra mondiale. I prezzi salirono di un fattore di 10 milioni di volte in 18 mesi. Ma questo era nulla in confronto all'inflazione nell'universo primordiale: l'universo si è espanso di un fattore di milioni di trilioni di trilioni in una piccola frazione di secondo. Diversamente dall'inflazione dei prezzi, l'inflazione nell'universo primordiale era una cosa buona. Essa ha prodotto un universo grandissimo e uniforme come quello che osserviamo.

Tuttavia l'universo non sarebbe completamente uniforme. In questo caso, nella somma tra le storie, quelle che sono lievemente irregolari avrebbero una probabilità pari a quelle completamente uniformi. La teoria perciò predice che l'universo primordiale probabilmente fosse lievemente non uniforme. Queste irregolarità produrrebbero piccole variazioni nell'intensità del fondo a microonde che proviene da diverse direzioni del cielo.

Il fondo a microonde è stato osservato dal satellite MAP, ed è stato trovato lievemente irregolare come predetto. Così sappiamo di essere sulla strada giusta.

Le irregolarità nell'universo primordiale rappresentano regioni che sono lievemente più dense di altre. L'attrazione dovuta a questa densità supplementare rallenterà l'espansione della regione e infine produrrà un collasso della zona, per formare galassie e stelle. Guardate bene la mappa del cielo a microonde: È il marchio di tutte le strutture dell'universo. Noi siamo il prodotto di fluttuazioni casuali quantistiche dell'universo primordiale.

Davvero Dio gioca a dadi.

Abbiamo fatto un tremendo progresso in cosmologia negli ultimi cento anni. La teoria generale della relatività, e la scoperta dell’espansione dell’universo, hanno frantumato la vecchia idea di un universo esistito da sempre e che esisterà per sempre. Invece la relatività generale ha predetto che l’universo e il tempo stesso inizino nel Big Bang. Ha anche predetto che il tempo sarebbe finito nei buchi neri. La scoperta del fondo cosmico a microonde e le osservazioni dei buchi neri sostengono queste conclusioni. È un cambiamento profondo della nostra immagine dell’universo e della stessa realtà.

Sebbene la teoria della relatività generale predicesse che l’universo deve essere venuto da un periodo di grande curvatura nel passato, non poteva predire come l’universo sia emerso dal Big Bang. Allora la relatività generale da sola non può rispondere alla domanda centrale nella cosmologia: perché l’universo è fatto così? Tuttavia se la relatività generale è combinata con la teoria quantistica potrebbe essere possibile predire come sia nato l’universo. Esso si sarebbe inizialmente espanso a velocità sempre crescente.

Durante questo cosiddetto periodo inflazionario, il matrimonio delle due teorie predice che si siano sviluppate piccole fluttuazioni che hanno prodotto la formazione di galassie, di stelle e di tutte le altre strutture cosmiche. Questo è confermato da osservazioni di piccole disomogeneità nel fondo cosmico a microonde che hanno esattamente le proprietà predette. Apparentemente, siamo sulla strada di comprendere l’origine dell’universo, sebbene ci voglia ancora molto più lavoro.

Una nuova finestra sul primissimo universo sarà aperta quando scopriremo onde gravitazionali misurando accuratamente la distanza tra sonde spaziali. Le onde gravitazionali si propagano liberamente verso di noi dalle origini, non ostacolate da nessun materiale interposto. Al contrario, la luce è diffusa moltissimo dagli elettroni. La diffusione continua finché gli elettroni si raffreddano, dopo 300000 anni.

Sebbene abbiamo avuto alcuni grandi successi non tutto è risolto. Non abbiamo ancora una buona comprensione teorica del fatto osservato che l'espansione dell'universo stia accelerando di nuovo, dopo un lungo periodo di rallentamento. Senza una tale comprensione, non siamo sicuri del futuro dell'universo.

Continuerà ad espandersi per sempre? L’inflazione è una legge della natura? Oppure l'universo collasserà di nuovo? Stanno arrivando velocemente nuovi risultati osservativi e teorici. La cosmologia è un argomento molto eccitante e attivo.

Siamo vicini a rispondere alle antiche domande: Perché siamo qui, e da dove proveniamo?