A spasso nello spazio-tempo – Puntata 1 di 2

È sempre stato mio profondo anelito quello di penetrare l’insondabile, di sfondare il muro della conoscenza, di scoprire l’infinito, di pormi domande senza fine né risposta, di elaborare ipotesi sfacciate su una dimensione scientifica sfuggente e al tempo stesso ammaliante. Sarò forse un po’ megalomane, illuso da eccessive pretese, ma tant’è.

Stephen Hawking

Dopo la scomparsa di Stephen Hawking la mia mente è stata percorsa da una rinnovata scossa proveniente dal profondo dei misteri del nostro Universo. È così che mi trovo a buttar giù quattro idee strampalate, perché frutto del mio persistente senso di insoddisfazione e della angosciosa ricerca che vi è strettamente connessa.

So anche del vantaggio che si ricava dallo scrivere di argomenti per lo più astrusi: l’atto dello scrivere comporta un ulteriore e contemporaneo sforzo a riflettere, a sondare fonti documentali con maggiore precisione e dovizia di informazioni, a seguire il flusso del pensiero con la calma e la volontà che ne determinano il buon progredire.

Aggiungerò, come obbligatoria premessa, che la scienza non dà certezze assolute, ma procede per tentativi di ricerca, per ipotesi, raggiungendo verità relative che costituiscono trampolini di lancio per aprire altre porte alla conoscenza e tracciare itinerari inusitati. Già lo sosteneva, a buona ragione, Karl Popper del Circolo Filosofico di Vienna, allorché confutò l’assolutezza scientifica del criterio di verificabilità di una proposizione enunciata, sostituendolo con quello di “falsificabilità”. Come dire che non dobbiamo credere di essere arrivati al dunque nel momento in cui fossimo pure diventati padroni di una scoperta. Anzi, è proprio da qui che dobbiamo muoverci per cercare di confutare i termini di quella scoperta, con la chiara sensazione che oltre essa si aprano nuove e insospettate possibilità di allungare il cammino e di progredire.

Allora, volete venire con me in questo viaggio estemporaneo?

Partiamo, ovviamente, da quel punto/non-punto al quale fu attribuito il nome di Big-Bang, il grande scoppio. Che scoppio, più propriamente, non fu, per il semplice motivo che di quel punto nulla si sa, un inizio del tutto sconosciuto. Non si tratta di un treno che arriva a una stazione dopo aver percorso quella precedente e prima di seguitare a correre sui suoi binari verso la stazione successiva. Ho usato gli avverbi di tempo “dopo” e “prima”, effettivamente adeguati per quanto riguarda il treno, ma veramente in forma lessicale impropria per quel che sto per descrivere, perché quelle espressioni non avrebbero trovato diritto di esistenza in un contesto dove il tempo di per sé non esisteva. Sì, perché sia lo spazio sia il tempo segnarono la loro data di origine proprio nel verificarsi del Big-Bang. Buio completo, dunque, per noi; un territorio entro il quale, al livello delle conoscenze di cui oggi disponiamo, ci è interdetto l’incedere. E, pertanto, da quale momento, dopo il verificarsi del Big-Bang, abbiamo la garanzia di poter sapere qualcosa della natura di questo nostro Universo e della sua storia? Be’, a questo punto devo avvisarvi che sarà complesso assai seguire i concetti di ordine fisico che andrò sviluppando. Ma, nessuna paura, mi affiderò esclusivamente a dati scientifici e a studi di indiscussa serietà, per questo anche piacevoli ad analizzarsi nel loro duplice aspetto di rigore matematico e di indubbio fascino. D’altra parte, chi di noi non s’è mai chiesto: “Chi siamo, da dove veniamo, per quale motivo siamo qui e ora, dove siamo diretti? E, soprattutto, c’è un motivo? Quale?”.

Allora, riprendo il filo del discorso: dell’inizio nulla sappiamo, ma, a un certo punto, e di questo si può parlare perché il tempo neonato ha iniziato a scorrere, si verificò qualcosa che consentì di operare le nostre prime constatazioni e di teorizzarle. Mi riferisco, più precisamente, a quel momento che fu definito con l’aforisma Era di Planck.

Planck, e chi era costui? Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) era un fisico tedesco; nel 1900 introdusse la teoria dei quanti aprendo vie nuove alle scoperte effettuate da Einstein, Bohr, Born, Heinsenberg, Schrödinger, Dirac.

Tanto per restare in tema aggiungerò che il percorso qui da me intrapreso, come il treno alle stazioni, si fermerà poco poco su alcuni punti cruciali della vita dell’Universo, noti, oltre all’Era citata, come Era leptonica, Era adronica, Era stellare, Inflazione.

Anche qui nessun allarmismo che induca a scoraggiarsi e ad abbandonare il terreno; io stesso descrivo situazioni reali, nulla di inventato o di posticcio e nel fare ciò mi sono avvalso della lettura approfondita di resoconti scientifici di indubbia serietà e affidabilità, confidando di non essere incorso in spiacevoli difetti di interpretazione. Cercherò dunque di essere conciso, ma anche semplice e abbordabile nelle descrizioni che seguiranno.

Partiamo dunque dalla prima stazione, quella già ricordata come Era di Planck. Di qui si muove il nostro treno. Prima, se così posso esprimermi, c’è il nulla, o un’infinita bolla di energia, la porta di accesso fermamente sbarrata. Di qui in poi ci è consentito osservare e conoscere. Ma quale distanza temporale ci divide dal momento del Big-Bang? Una distanza difficile a concepirsi, ma forse più ancora a descriversi. Proviamoci.

Immaginiamo di pronunciare in modo deciso e fluente la cantilena “un elefante”, “due elefanti”, “tre…” senza pause. Ebbene, ognuna di queste declamazioni richiede all’incirca il tempo di un secondo per essere pronunciata. Ora immaginiamo di suddividere un secondo in 10 parti, il tempo di dire “bum!” (1/10 s”) o in 100, il tempo dello schioccare di un lampo (1/100 s”). Se frazioniamo un secondo in 1.000 parti, ognuna di queste, presa a sé, non sarà più percettibile dai nostri sensi, occorreranno strumentazioni sofisticate. Questi tre esempi equivalgono ciascuno al valore di un numero frazionario: 1 diviso 1 seguito da uno zero (1/10 s”), 1 diviso 1 seguito da 2 zeri (1/100 s”), 1 diviso 1 seguito da 3 zeri (1/1.000 s”); ma potremmo anche indicare i numeri con posizione di denominatore in altro modo: 1/10, 1/102, 1/103. Ora proviamo a immaginare una frazione che abbia sempre 1 al numeratore e 1 seguito da tot zeri al denominatore. Ogni volta che al denominatore aggiungiamo uno zero otteniamo una parte infinitesimale di secondo 10 volte più piccola.

Non ve ne andate, vi prego, perché dobbiamo sostare breve tempo alla prima stazione, l’Era di Planck, quella di partenza, quella che dietro di sé ha il nulla, l’inconoscibile, e osserviamo: ebbene, il tempo trascorso dal Big-Bang a questa prima stazione è pari a una frazione di secondo con i numeri 1 al numeratore e 1 al denominatore, seguito quest’ultimo da 43 zeri. In termini matematici l’Era di Planck si situa a 10-43 secondi dal Big-Bang. Tutto questo in termini di tempo in scorrimento. E lo spazio, la dimensione tangibile? Bene, alla prima stazione, all’Era di Planck, il nostro Universo, incredibile a dirsi, aveva una dimensione piccolissima, qualcosa che sfuggirebbe a ogni nostro tentativo di immaginazione. Impossibile a concettualizzarsi, così pare. Ma tentiamone almeno un approccio.

Immaginiamo che questo neonato Universo avesse forma sferica. Dunque, misurandone il diametro, potremmo constatare da subito il fallimento dei nostri sistemi di classificazione in quanto l’Universo stesso risulterebbe un milione di miliardi più piccolo ancora di come ci si presenta oggi un atomo di idrogeno. Sorpresi, increduli? Ma non è tutto qui, andiamo a vedere, isolato un atomo dai suoi confratelli, quale sia a sua volta la dimensione che può raggiungere.

Bene, non tutti gli atomi sono grandi uguali, quale più e quale meno. Ma, se li mettiamo in fila l’uno dopo l’altro su uno spazio di un millimetro, a seconda della loro dimensione ne occorreranno da un milione a dieci milioni per coprirne l’estensione. Così piccoli che non li possiamo certo vedere a occhio nudo. Ma, tornando di getto alla nostra dimora cosmica, sappiamo che l’Universo intero, all’Era di Planck, non era neppure grande come un atomo, anzi, ce ne sarebbero voluti un milione di miliardi per riempire lo spazio di un atomo, il tutto, poi, moltiplicato per 1 o per 10 milioni di volte onde coprire lo spazio lineare di un millimetro. Incredibilmente, fantasticamente piccolo, vero? Eppure lì c’era tutto l’insieme del visibile di cui oggi noi siamo testimoni. C’erano le galassie, c’erano gli immensi spazi vuoti, c’era il nostro Sistema Solare, c’era il nostro Pianeta, c’erano i monti, le acque, le foreste, c’eravamo pure noi, tutto allo stato potenziale.

Era iniziata l’evoluzione, quel lungo processo, databile ormai a oltre 13 miliardi di anni terrestri, che ha portato ogni cosa sino a noi. In tutto questo tempo ne sono successe di cose e noi, che guardiamo là fuori con stupore, con “animo turbato e commosso”, non ci capacitiamo di ciò che arriva ai nostri recettori percettivi, anche perché il tutto si presenta relativo, tutto parametrato a quella espansione che ha dilatato a dismisura gli spazi e i tempi della realtà conosciuta.

Un esempio soltanto: la Galassia M31 nella costellazione di Andromeda, formata da oltre 300 miliardi di stelle, supera in grandezza la nostra Galassia e si colloca nel Cielo molto lontano da noi, qualcosa come a una distanza superiore ai due milioni di anni-luce. Ossia la luce, che percorre circa 300 mila km in un secondo, come da qui alla Luna e poco più, partendo da M31 impiega più di due milioni di anni per giungere quaggiù. È l’unico oggetto visibile persino a occhio nudo, al di là dei confini della nostra Galassia. La si può osservare facilmente nelle chiare notti autunnali. Ma, quand’anche riusciste a individuarla, non crediate di vedere una cosa che è lì, in cielo, oggi. Era lì oltre due milioni di anni fa, così come la vediamo e quella che giunge ai nostri occhi è la sua luce vecchia di due e più milioni di anni, quando qui sulla Terra ancora dovevano apparire i nostri primi antenati. Ora non si troverà neppure in quel punto da noi osservato o forse non ci sarà più, si sarà trasformata e, là dov’è nel momento in cui crediamo di vederla, la vedranno i nostri posteri fra due milioni di anni. Fantastico, non sembra? Sono gli effetti della luce e ne abbiamo un esempio molto vicino a noi: il Sole. Diciamo intanto che la luce percorre un miliardo e 80 milioni di chilometri in un’ora; impiega poco meno di 11 minuti a percorrere tutto lo spazio occupato dal Sistema Solare, da un capo all’altro del suo diametro, quasi 12 miliardi di chilometri, in termini più accessibili. Ebbene, il Sole: quando lo vedete sorgere all’orizzonte, il Sole non è più in quel punto, ma ha già percorso un tragitto virtuale nel cielo del mattino per la durata di circa 8 minuti perché la luce, che percorre circa 300.000 chilometri in un secondo, impiega poco più di 8 minuti per arrivare dal Sole fino a noi, dopo una corsa media di 149 milioni e mezzo di chilometri nello spazio. Per vedere il Sole non facciamo altro che rincorrerlo, ma siamo sempre in ritardo di 8 minuti e, ogni volta che puntiamo lo sguardo sul suo disco, osso è già altrove; a noi perviene la sua immagine così come era 8 minuti prima. Ci illudiamo di vederlo sorgere, in quel preciso istante, mentre lo vediamo nel momento in cui è sorto 8 minuti prima e lì, dove si trova effettivamente, non lo coglieremo mai.

Torniamo ai primordi della vita astrale. Muoviamoci dalla prima stazione del nostro viaggio, che è anche la stazione di partenza, e lasciamo trascorrere un bel po’ di tempo. Dico un bel po’, in termini evoluzionistici, ma in realtà mi riferisco a una minima frazione di secondo che corrisponde a 1 secondo diviso 1 con 35 zeri, in espressione matematica: 10-35 s”. Trascorso questo breve lasso di tempo ecco apparire i quark, poi i leptoni ossia particelle subatomiche leggere, elettroni, positroni, mesoni e neutrini con le rispettive antiparticelle.

Ancora una spinta alla nostra motrice e arriviamo alla seconda stazione. Sono trascorsi 10-6 secondi ovvero una frazione pari a un milionesimo di secondo. Questa fu denominata Era leptonica o radiativa in quanto al suo interno i leptoni perdevano via via il primitivo equilibrio, mentre l’intero Universo, ancora così piccolo, iniziò a impregnarsi di fotoni. Prima di quella tappa la materia e l’antimateria si mostravano in perfetta simmetria, cosa che si accompagnava a un processo di annichilamento totale ossia di scomparsa sia della materia sia dell’antimateria per la pervasività di un Universo composto esclusivamente da fotoni, un Universo di luce. Trascorso quel milionesimo di secondo la temperatura, infinitamente alta all’inizio del tutto, subì un primo importante collasso che la portò a un livello inferiore ai mille miliardi di gradi Kelvin, indicati con il simbolo K.

Fermiamoci un attimo a questa stazione, magari lasciando il treno per recarci a prendere un buon caffè al bar dell’angolo e approfittiamo della sosta per fare chiarezza sul significato di “gradi Kelvin”. Noi solitamente usiamo la scala Celsius per misurare la temperatura in gradi centigradi, ma in dimensione cosmica si ricorre alla scala Kelvin. Con il termometro Celsius cataloghiamo le temperature su una scala che va da 0 gradi – punto di fusione del ghiaccio – a 100 gradi, punto corrispondente all’ebollizione dell’acqua. Nella scala Kelvin, invece, lo 0 rappresenta lo zero assoluto che con il Celsius corrisponde a -273,15°C (gradi Celsius), la temperatura più bassa oltre la quale è impossibile inoltrarsi. La scienza moderna, nello studio dei fenomeni che ci circondano, si avvale ancora di altre scale, quali Newton, Rømer, Fahrenhait, Réaumur, Delisle, Rankine, Leyden che, tuttavia, nella presente dissertazione trascurerò. Per capire allora che cos’è la Kelvin porterò un facile esempio. Prendiamo a caso una temperatura di 23°C: vediamo che corrisponde a 296,25 K, ma come? Dobbiamo muoverci da 0°C e aggiungervi la differenza dello zero assoluto, quella della temperatura più bassa ipotizzabile come già detto, cioè 273,15°C; se, dunque, 23°C derivano da 0°C + 23°C, allora la corrispondente temperatura nella scala K sarà di 273,15 + 23 (23°C e 23K corrispondono, per il motivo che i valori degli intervalli di temperatura, cioè le differenze di gradi fra un precedente e un successivo, sono identici per la scala C e per quella K), per cui si avrà (23°C = 296,15K). Se si vuole partire da una qualsiasi temperatura espressa in scala K per trasformarla in scala °C, allora si dovrà in ogni caso sottrarre dalla temperatura K il valore di 273,15; esempio: 2.500K = (2.500 – 273,15) = 2.226°C.

Torniamo di getto al milionesimo di secondo dopo il Big Bang. Dicevo dell’abbassamento della temperatura: fu questo il responsabile della salvezza dei quark i quali, anziché finire nella fornace e nel calderone che li avrebbe altrimenti ridotti in fusione, diventarono capaci di accoppiarsi a consimili e di generare particelle più pesanti, che furono chiamate “adroni”. È così che arriviamo alla terza stazione, quella dell’Era adronica, dove si crearono i presupposti per la formazione delle galassie. Il parametro cosmico così detto dell’asimmetria andò gradualmente dilatandosi sino a coinvolgere particelle più pesanti, gli “adroni” appunto. Poiché la temperatura si era abbassata a un livello tale da rendere impraticabile la creazione spontanea di particelle-antiparticelle, di pari passo tale creazione andò perdendo rapidamente consistenza, contrastando così quel processo di annichilazione che si sarebbe risolto altrimenti nel nulla assoluto. I fotoni presenti nell’Universo, per così dire, si indebolirono e non ebbero più la forza di generare coppie di quark-antiquark, così pure si verificò un vero e proprio diradamento della presenza di coppie adrone-antiadrone. Tutto ciò era dovuto all’espansione dell’Universo, in continua accelerazione. Il bilanciamento perfetto e uniforme di materia-antimateria si ruppe e si aprì la strada a quella che sarebbe stata la formazione delle galassie. Il viaggio procederà verso la stazione dell’Era stellare, ma questo lo vedremo nella prossima puntata.

<a href="http://Free Stock photos by Vecteezy” target=”_blank” rel=”noreferrer noopener”>Immagine di Copertina tratta da vecteezy.com

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