Immagine in scala dell’universo osservabile con il Sistema Solare al centro, i pianeti interni, la fascia di asteroidi, i pianeti esterni, la fascia di Kuiper, la nube di Oort, Alfa Centauri, il braccio di Perseo, la Via Lattea, Andromeda e le galassie vicine, la ragnatela cosmica di cumuli galattici, la radiazione sul fondo di microonde e il plasma invisibile del Big Bang al margine.[1]
Finalmente sappiamo da dove veniamo, dopo aver proceduto a tentoni sin dalla notte dei tempi. Tutto cominciò con il Big Bang ben 13.800 milioni di anni fa[2], da un punto di singolarità, nel quale lo spazio e il tempo si originarono come li conosciamo noi. Niente di nuovo, ma si tratta di una teoria relativamente recente, con molti aspetti occulti ed enigmatici. Nell’ultimo secolo la fisica si è addentrata nel mondo del subatomico e sono stati sviluppati grandi progetti tecnologici che finalmente riescono a fare chiarezza sull’origine dell’esistente. Per dare forma alla nuova teoria sarà necessaria anche l’ispirazione filosofica dei miti ancestrali, a dimostrazione del fatto che nessun campo del sapere è estraneo alla magnificenza dell’argomento.
La teoria del Big Bang fu originariamente proposta da George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman nel 1948. Successivamente, negli anni Sessanta, diversi astrofisici ripresero in mano le ricerche. Arno Penzias e Robert Wilson ottennero il Premio Nobel per la Fisica nel 1978, grazie alla scoperta della radiazione del fondo cosmico delle microonde. Aumentando di un milione di volte l’immagine ottenuta era possibile vedere chiaramente che c’era una struttura emergente di densità di materia in trasformazione.
L’immagine corrisponde a un Universo nato da poco, ovvero all’ “età” di soli 380.000 anni.
Il segnale di fondo a microonde avvolge il nostro pianeta; quando sintonizziamo un canale, le antenne televisive captano ancora oggi il 5% di radiazioni luminose di quel tempo originale.
Durante le prime frazioni di secondo del Big Bang si è creata una dimensione spazio-temporale originata dal nulla. La prima fase è nota come tempo di Planck (unità di tempo, considerata come l’intervallo temporale minimo misurabile) – dopo – i ~10-43 secondi tutto l’Universo aveva 10-33 cm (100 trilioni di volte più piccolo di un atomo) [3]. A ~10-35 secondi un passaggio di fase ha fatto sì che l’Universo si espandesse in modo esponenziale per un periodo denominato inflazione cosmica. Le fluttuazioni quantistiche sono proseguite e dopo 300.000 anni, gli elettroni e i nuclei si sono combinati tra loro, dando vita agli atomi (in gran parte di idrogeno). La radiazione si è disaccoppiata dagli atomi e ha continuato a vagare per lo spazio praticamente indisturbata. Questa è la radiazione di fondo di quel passato remoto che possiamo captare grazie al fatto che le onde hanno impiegato milioni di anni prima di raggiungere la nostra epoca attuale.
Per poter progredire nella comprensione dell’esistente, la scienza ha bisogno di corroborare le leggi della fisica quantistica. Qual è la natura dell’unità minima?
Gli scienziati del XX secolo hanno definito il concetto di campo come la componente minima, rispetto alla precedente fisica delle particelle. In questo modo, con il passare del tempo, le particelle sono diventate fluttuazioni quantistiche di campi. Ciònonostante, la fisica non ha sradicato il concetto di particelle, ma le ha dotate di una forma vitale in diverse dimensioni.
Si è ripresentata la sfida di riconsiderare la realtà come una rappresentazione, secondo la quale lo spazio vuoto gioca un ruolo fondamentale. Secondo quanto sostiene la scienza attuale, un sasso, una sedia, una persona altro non sono che fluttuazioni di campi, che si trovano nella dimensione del vuoto.
Per favore, non smettere di leggere… cercheremo di fare degli esempi concreti.
“Supponiamo di dotare una casa di mattoni di piombo per impedire l’ingresso di radiazioni dall’esterno, di dotarla di un sistema refrigerante che raggiunga i -273º K, supponiamo di inserire una pompa a vuoto per estrarre tutta l’aria… Ci troveremmo completamente al buio, al freddo e liberi da ogni radiazione. Anche così, quello spazio vuoto avrà una struttura o un certo livello di energia latente”.[4]
Immaginiamo che nello spazio vuoto siano presenti dei campi, che sono come uno stagno nel quale le particelle siano piccole onde che si propagano. Adesso supponiamo che, in uno di questi campi, il campo elettronico, compaiano due elettroni (due pacchetti di onde) che vanno in collisione. Gli elettroni non possono andare in collisione tra loro, poiché hanno la stessa carica e quindi si respingono, ma come avviene questo? Accade che si scambiano l’informazione attraverso un fotone (particella minima di energia luminosa) nel campo elettromagnetico. Si tratta di un’onda che si muove tra i due elettroni e come risultato di questo segnale si genera la repulsione tra i due elettroni. Lo scambio di informazione avviene attraverso la luce, senza che gli elettroni arrivino a stabilire un contatto fisico.
Abbiamo sentito mille volte l’espressione: “siamo luce” e questo concetto poetico ha anche una valenza scientifica. Assistiamo agli elettroni che ruotano attorno ai protoni e questo è possibile in nome di questo principio di scambio di fotoni. La materia – di un essere umano, per esempio – si mantiene unita grazie a questo scambio di luce.
I nuovi paradigmi ci hanno condotto a concepire un universo di pura astrazione, che è stato risolto solo in parte attraverso la concezione di dimensioni parziali.
Questo ha generato, tra le diverse conseguenze, che venisse rimessa in discussione la legge della termodinamica: forse la linea del tempo era davvero reversibile.
Secondo il concetto di campo, originariamente elaborato da Paul Dirac nel 1930, gli elettroni sono onde generate dal campo elettronico. Da qui nasce la suggestiva idea secondo la quale i fotoni sono i vettori della forza elettromagnetica, hanno questa funzione.
Questo è il pilastro su cui si fonda la teoria quantistica dei campi, elaborata alla fine da Richard Feynman negli anni Ottanta. Secondo il brillante scienziato, un elettrone che retrocede nel tempo è un positrone (elettrone con carica positiva). Si tratta di una possibilità reale (dal punto di vista sperimentale) dopo lo scontro dei nostri elettroni, conseguenza dell’emissione di un fotone.
La normalità, secondo la termodinamica, è che l’universo avanzi verso il disordine e su questa percezione si basa la nostra idea di tempo assoluto. Tuttavia, tale legge non è inviolabile, risulta possibile anche il processo inverso, sebbene noi neofiti possiamo solo avere fede in questo, data la complessità matematica del calcolo del processo.[5]
Tutta la fisica quantistica si riduce al concetto di Feynman della comunicazione tra particelle e forze (che sono un altro tipo di particelle). Le prime sono i fermioni e le seconde i bosoni. La comunicazione tra i due tipi avviene attraverso un vertice sulla linea del tempo.
Di seguito la tabella delle particelle fondamentali di nostra conoscenza.
Nel gruppo dei fermioni troviamo i leptoni e i quark, che compongono la materia che vediamo e, a destra, nel gruppo dei bosoni (fotone, gluone, bosone W e Z, gravitone e Higgs) i vettori di forze: forte, elettromagnetica, debole e gravità.
Il campo di Higgs sarebbe una sorta di continuum che si estende per tutto lo spazio. Come il fotone è la componente fondamentale della luce, il campo di Higgs necessita dell’esistenza di una particella che lo componga: il bosone di Higgs.
Per spiegare il motivo per cui alcune particelle possiedono la massa e altre no, negli anni Sessanta si fece strada la teoria del campo di Higgs. Il bosone di Higgs è una propagazione nel campo di Higgs e nella frizione con il campo si ottiene la massa delle particelle, per cui le particelle che hanno una maggiore frizione con questo campo possiedono una massa maggiore. Pertanto, svolgono un ruolo fondamentale; se l’elettrone non avesse massa non avrebbe atomi, e quindi non esisterebbe la materia così come la conosciamo ora. Questo era l’ultimo pezzo mancante per completare il modello standard di fisica delle particelle.
Il bosone di Higgs non può essere intercettato direttamente, poiché una volta prodotto si disintegra quasi istantaneamente, dando vita ad altre particelle elementari più abituali. Quello che invece è possibile vedere sono le sue impronte, quelle altre particelle che vengono intercettate nell’acceleratore di particelle LHC (articolo III).
Con queste caratteristiche risulta essere una particella à la carte, ovvero in grado di proporre proprio quello che il modello standard necessita per sostenersi. Perché no? Nel bizzarro universo della fisica quantistica si trova esattamente quello che si cerca. Un’altra delle sue proprietà è che può rimanere come congelata.
Questo consente una pre-visione del Big Bang prima che si verifichi. Ed è l’idea proposta da Ala Guth, un Universo che sembrava statico e che si manifesta a partire da una fluttuazione quantistica. Tutto l’Universo posteriore eredita la struttura delle fluttuazioni quantistiche.
In base a questa teoria, tutto quanto avvenuto prima del Big Bang viene denominato inflatone, a partire dal quale nascono numerosi universi come il nostro, anche se non necessariamente con le stesse leggi fisiche.
Non è l’unica spiegazione; l’altra possibilità è che quando una stella sufficientemente grande collassa si forma una supernova e, successivamente, si genera un buco nero. Al suo interno avviene un qualcosa di singolare, un punto nel quale le soluzioni delle equazioni della teoria della relatività di Einstein e tutte le leggi della fisica smettono di avere senso. La densità della materia diviene infinita e il tempo si ferma (la linea del tempo smette di essere unidirezionale). Al suo interno potrebbe essere in atto la creazione di un nuovo Universo, che avrebbe luogo in una nuova dimensione spazio-temporale.
Esistono numerosi altri approcci. Il problema qui è che l’immaginazione corre più velocemente delle scoperte. La meccanica quantistica è ineludibile, ciò nonostante risulta scomoda, dal momento che non è possibile predire il risultato di un esperimento ma solo la sua probabilità.
Lo stesso Feynman ha dichiarato: “Quando qualcuno crede di aver compreso la meccanica quantistica significa che in realtà non l’ha compresa”. Non piaceva neanche a Einstein. Gerardus ‘t Hooft, premio Nobel per la Fisica nel 1999, esprime così il problema: “È possibile che la meccanica quantistica sia solo uno strumento e non una teoria che descrive la natura fondamentale della realtà. Quando parliamo di particelle che mostrano comportamenti quantistici sorprendenti, ci riferiamo a concetti creati dalla mente umana. È possibile che il concetto di particella non corrisponda alla natura ultima del mondo.” Secondo tale interpretazione, vicina alla visione di Einstein, la teoria quantistica rappresenterebbe una visione incompleta del mondo, le cui misteriose conseguenze sono il prodotto della nostra mancata conoscenza di una vera natura fondamentale della realtà.
Insomma, sarebbe come percepire dove ci troviamo rispetto alla conoscenza dell’esistente, dopo questa veloce occhiata alla fisica quantistica…
Da un lato, risulta impressionante il fatto di essere stati in grado di percepire l’origine dell’Universo – apparentemente – conosciuto, ma dall’altro, la spiegazione dell’esistente continua ad assomigliare al mito di Gilgamesh, secondo il quale dopo diverse imprese l’eroe torna al quotidiano edotto da profondi insegnamenti etici, ma senza aver conquistato il fiore dell’immortalità.
Forse dovremmo evocare quei miti primigeni e, partendo da quelle ispirazioni profonde dei primi tempi, continuare a sviluppare il volto incompreso del senso del mondo; superando i dogmi e i fondamenti obsoleti, lontani dai concetti confusi ai quali si è giunti successivamente. Almeno in futuro la storia non dovrà convivere con le credenze religiose, sprofondate in un deplorevole livello intellettuale ed etico.
—
[1] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/09/Observable_universe_logarithmic_illustration_with_legends.png
[2] In base ai dati della sonda Planck dell’Agenzia spaziale Europea (ESA), il Cosmo ha 13.820 milioni di anni. Il dato si basa sulle osservazioni della radiazione cosmica di fondo e dei movimenti delle galassie. Nel 2017 è stata calcolata nuovamente questa datazione, a partire da un’onda gravitazionale, ottenendo un risultato tra 11.900 e 15.700 milioni di anni, stima che coincide con la media aritmetica della datazione fornita da ESA.
[3] Gli atomi sono minuscoli, con un diametro approssimativamente di una decimilionesima parte di centimetri. Per avere un’idea della dimensione di un atomo, in 3 gocce d’acqua ci sarebbe un numero di atomi equivalente a quello delle stelle dell’Universo e, come recita la famosa frase di Carl Sagan, «Il numero di stelle nell’Universo supera il totale di granelli di sabbia che compongono le spiagge e i deserti del pianeta Terra».
[4] Tratto da un discorso di Benjamin Montesinos, Ricercatore del Centro di Astrobiologia del CSIC.
[5] Lesovik, G.B., Sadovskyy, I.A., Suslov, M.V. et al. Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer. Sci Rep 9, 4396 (2019).
Traduzione dallo spagnolo di Ada De Micheli
Macchine del teempo II: Sotto le stelle
Máquinas del tiempo III: La incertidumbre (traduzione in francese e catalano)
Máquinas del tiempo IV: Desajustes en el transcurrir (traduzione in francese e catalano)
