La Visione Cosmologica

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CMB

 

L’Astronomia è una delle branche della scienza piu’ antiche ed affascinanti. Sin dall’antichità gli uomini cercavano di interpretare i segnali provenienti dalla volte celeste. Secondo le antiche credenze, Una volta identificato lo schema cosmico, era possibile prevedere gli eventi futuri. Per esempio le comete erano considerate messaggere di eventi nefasti. La scienza moderna ha paradossalmente svelato che quando osserviamo il cielo notturno, in realta’ stiamo osservando eventi del passato. La luce impiega decine, migliaia, milioni di anni per arrivare sino a noi e questo fatto sta a significare che le stelle che ora noi osserviamo potrebbero esseresi in questo momento gia’ spente o esplose.

Verso l’inizio dell’ 800 l’astronomo Heinrich Wilhelm Olbers formulo’ questa domanda (che va anche sotto il nome di paradosso di Olbers): come è possibile che il cielo notturno sia buio nonostante l’infinità di stelle presenti nell’Universo? La sua affermazione si basava su tre taciti presupposti:
1) l’Universo ha estensione infinita
2) l’Universo esiste da un tempo infinito e sia immutabile
3) l’Universo è sia omogeneo che isotropo, ovvero le stelle sono disposte in modo uniforme nello spazio

Ancora agli inizi del secolo scorso si assumevano come validi questi postulati e in piu’ si riteneva che la Via Lattea rapresentasse l’intero Universo conosciuto. La Cosmologia ovvero la scienza che studia l’Universo nella sua interezza a grandi scale, sarebbe nata soltanto dopo la formulazione della Relatività Generale da parte di Einstein. Lo stesso Einstein propose un modello di Universo statico, in cui le stelle erano fisse nel cielo in una sorta di struttura cristallizzata nel tempo. Questo modello si basava su una modifica apportata da Einstein alle sue equazioni, in cui un nuovo termine costante, chiamata costante cosmologica controbilanciava gli effetti attrattivi della gravità. Una soluzione diversa venne invece trovata da Alexander Friedmann nel 1922 (tale soluzione fu scoperta indipendentemente da George Lemaitre nel 1927). Tale soluzione cosmologica faceva a meno della costante cosmologica (quindi essa era in poche parole una soluzione delle equazioni orginali della Relatività Generale come proposta nel 1916) dove si assumeva una distribuzione omogenea e isotropa della materia e dove si aveva un’espansione dell’Universo.
Tale soluzione, oggi chiamata di Laimetre-Friedmann-Robertson-Walker fu corroborata dalla rivoluzionaria scoperta di Hubble fatta nel 1929, che dimostrava senza ombra di dubbio che le galassie si stavano effettivamente allontanando le une dall’altre. Einstein ammise in seguito, che l’aggiunta forzata della costante cosmologica era stato il piu’ grande errore della sua vita, ma questo a mio avviso non è esatto. La costante cosmologica (riveduta) gioca in realtà un ruolo chiave nella spiegazione dell’espansione accelerata a cui l’ Universo oggi è soggetto. Il piu’ grande errore di Einstein fu iln realtà il credere che  l’Univero si trovasse in uno stato non dinamico, di eterna stasi. Questa visione potrebbe andava bene per un teologoco che vedeva nel Cosmo eterno la rappresentazione diretta della presenza di un eterno creatore, ma non era una visione scientificamente desiderabile. La stessa teoria Darwiniana dell’evoluzione degli essere viventi basterebbe a corroborare l’idea che in generale i sistemi naturali tendono ad evolversi. L’Universo quindi, visto come un sistema naturale deve essere anche esso soggetto ad una qualche forma di evoluzione.
Dopo Hubble ci si rese conto che se tutto si espandeva doveva essere esistito un tempo in cui tutta la materia era condensata in una regione molto densa e calda e che quindi l’Universo aveva avuto un origine. Questo fatto risolveva anche il paradosso di Olbers sopra citato, perche’ veniva meno l’assunto sull’eternità. Nacque così il modello del Big Bang. Esso prevede che l’Universo abbia avuto inizio all’incirca 13 miliardi e mezzo di anni fa da una regione di altissima densità di energia che ha iniziato ad espandersi. Per meglio dire, fu allora che lo spazio iniziò ad espandersi! Infatti non è la materia che si espande ma lo spazio-tempo. Si puo’ immaginare la cosa pensando ad un pallone di gomma dove sulla superficie sono segnati dei puntini. Se si soffia nel palloncino si vedono i puntini allontanarsi gli uni dagli altri ma questo allontanamento è generato dalla dilatazione della gomma e non da una qualche forza repulsiva che agisce tra i puntini. I puntini rappresentano le galssie e gli ammassi di galassie, mentre la gomma del palloncino equivale al tessuto spazio-temporale.

Il modello del Big Bang con l’aggiunta del postulato cosmologico (la materia a grandi scale è distribuita in modo omogeneo e isotropo) rappresenta il cosiddetto Modello Cosmologico Standard. Esso è in accordo con il moto di recessione della Galassie e con la presenza della radiazione di fondo cosmico a microonde (CMB). Questa radiazione cosmica venne scoperta casualmente da Arno Penzias e Robert Wilson nel 1964. Tale radiazione è riscontrabile in ogni direzione dello spazio. Essa non è stata generata da una sorgente locale del Cielo come una stella, una galassia o un ammasso di galassie, essa è la radiazione generata dall’Universo in espansione quando era molto giovane. Infatti sempre secondo il modello Cosmologico Standard,la materia presente nei primi istanti di vita dell’Universo era moldo densa. Ad un certo punto, circa 380.000 anni dopo il Big Bang la distribuzione di materia fu abbastanza diradata da permettere alla luce di passare da una regione all’altra, o si puo’ dire in altri termini che l’Universo, da opaco divenne trasparente. Proprio la scoperta della CMB (Cosmic Microwave Background) ha decretato la vittoria di questo modello sugli altri modelli alternativi, uno tra tutti il Modello Stazionario di Fred Hoyle, Hermann Bondi e Thomas Gold. In questo modello si supponeva che la materia venisse periodicamente generata e che quindi, anche se in espansione l’Universo era in fin dei conti eterno e immutabile anche se dinamico e non statico come il modello di Einstein (fatto curioso, fu proprio Hoyle a coniare anche se in senso dispregiativo, il termine “Big Bang”). Ciononostante ci sono ancora parecchi problemi aperti e non spiegati nel modello del Big Bang. A parte il problema concernente l’Energia Oscura e la Materia Oscura (di cui ho discusso in passati articoli), ci sono almento altri tre grandi problemi da risolvere:

1) la fisica al tempo del Big Bang

Non sappiamo assolutamente nulla riguardo alle leggi fisiche presenti nell’esatto momento di nascita del Cosmo. Credo che sia la domanda più ardua di tutta la fisica, in quanto si dovrebbe spiegare come è nato lo spazio il tempo e la materia! Un modello di tale livello dovrebbe spiegare quindi la nascita della gravità e l’unificazione delle forze quantistiche fondamentali (elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nuvleare forte) e come poi da essa si arrivi in un limite a basse energie alla Relatività Generale e alle Teorie Quantistiche di Campo. La letteratura scientifica a riguardo è abnorme ed è abnorme il numero di speculazioni teoriche che si sono fatte. Si sono coniati neologismi scientifici come “Teoria del Tutto” o Gravità Quantistica ma siamo ancora lontani da avere una vaga idea di cosa significhino queste parole. Anche una delle teorie meglio accreditate al ruolo di teoria definitiva della fisica, la Teoria delle Stringhe (o M teoria, per dirla alla Witten) è ben lontana da tale traguardo e ancora ben piu’ lontana dall’essere divenuta una teoria Popperianamente falsificabile anche perche’ i dati sperimentali che servirebbero a renderla tale, esisterebbero a scale di energia inaccessibili ai nostri strumenti di misurazione e di osservazione.

2) Il paradigma Inflazionario

Il postulato cosmologico non spiega il perche’ l’universo sia effetivamente cosi’ piatto e omogeneo. Infatti si è sperimentalmente osservato che alle scale cosmologiche la curvatura spaziale sia praticamente nulla. Vale a dire che a queste scale, la geometria che assume lo spazio-tempo è euclidea, ovvero le rette parallele continuano a essere rette parallele senza mai incontrarsi (cosa che non è vera in una generica geometria curva come quella iperbolica o ellittica). Eppure L’Universo quando è nato era altamente denso e quindi per la Relatività Generale la sua curvatura doveva essere altissima. Cosa ha reso piatto l’Universo? Nel 1981 alan Guth propose il modello Inflazionario. In tale modello il problema della piattezza, dell’omogeneità (e anche dell’orizzonte) venivano elegantemente spiegati supponendo che pochi istanti dopo il Big Bang l’Universo avesse subito una rapidissima espansione conclusasi dopo un brevissimo lasso di tempo. Si puo’ immaginare la cosa pensando ad una pressa che in pochi secondi riesce ad appiattire una superficie curva di un metallo. Ovviamente per attuare questa iper-espansione occorre un ingrediente in piu’ alla ricetta del Modello Cosmologico Standard. L’ingrediente piu’ semplice da utilizzare è un nuovo campo quantistico chiamato campo inflatonico. Ovviamente se ne possono mettere anche due, tre, ecc aggiungendo poi un potenziale di campo che deve essere messo a mano. E’ questo il punto delicato dell’inflazione: non conosciamo ancora oggi dei principi fisici fondamentali che possano generarla (cioe’ principi dal qualche ricavare l’esatta forma del potenziale e il numero effettivo di campi da utilizzare). Siamo ancora in un certo senso nel regno della fenomenologia e ovviamente della speculazione (si stanno sviluppando anche modelli che facciamo a meno dell’inflazione, anche se a mio modesto parere l’Inflazione per ora è la soluzione piu’ elegante).

3) la Bariogenesi

Abbiamo parlato sino ad ora di due problemi fondamentali, il primo riguardante la nascita dello spazio-tempo e della materia primordiale, il secondo riguardante il comportamente a larga scala dello spazio-tempo. Ora mi accingo ad introdurre un problema che a che fare con le simmetrie fondamentali della materia che noi conosciamo, ed è forse il quesito piu’ caro ai fisici che si occupano di fisica delle particelle. Il problema della bariogenesi corrisponde al chiedersi perche’ tutto cio’ che osserviamo nell’Universo è fatto solo di materia e non di anti-materia. Ricordiamo che l’anti-materia è il corrispondente speculare della materia nostrana, dove i costituenti fondamentali sono le anti-particelle. Le anti-particelle hanno la medesima massa delle ordinarie particelle ma posseggono carica elettrica opposta. Per intenderci, l’anti-elettrone possiede carica positiva e l’anti-protone invece possiede carica negativa. Nella fisica delle particelle esiste una perfetta simmetria tra le particelle e le anti-particelle (in realtà vi sono delle leggere e fondamentali asimmetrie ma che riguardano particelle piu’ pesanti e non gli usuali costituenti degli atomi). Infatti come un’antielettrone scontrandosi con un elettrone produce un fotone, cosi’ un fotone puo’ generare un anti-elettrone e un elettrone, cioe’ la presenza di una particelle è sempre controbilanciata dalla presenza di una sua anti-versione. Ecco il problema dell’antimateria. Sulla Terra ovviamente non ne troviamo perche’ non potrebbe esistere in forma stabile, perche’ appena essa viene in contatto con la materia si annichila con essa producendo radiazione. Ma perche’ non osserviamo anti-materia in altre zone del Cosmo? Che fine ha fatto, se si considera che nei primi istanti di vita dell’Universo essa doveva essere presente in quantità paragonabili alla normale materia? Una spiegazione soddisfacente non c’e’ ancora.

Da queste domande fondamentali che non hanno ancora delle risposte, possiamo intuire come siamo ben lontani dal capire la vera natura dell’Universo e come i nostri modelli teorici siano ancora molto limitati anche a livello qualitativo. E’ mio opinione che la ricerca cosmologica sia fondamentale nella comprensione dei fondamenti della natura. Alcuni fanno osservare come i fenomeni cosmologici non siano fenomeni ripetibili (perchè osserviamo solo un Universo) e dove gli osservatori non possono vedere i fenomeni “dall’esterno” come si fa negli esperimenti di fisica sulla Terra. Questo è vero ma è anche vero che come diceva David Hilbert: “Dobbiamo conoscere, conosceremo”. La Cosmologia non è semplicemente uno dei tanti settore della fisica. Essa è l’arena dove i fenomeni naturali fondamentali che noi conosciamo sono nati e si sono evoluti ed è per questo motivo che la Cosmologica sta alla fisica come la teoria dell’evoluzione di Darwin sta alla biologia. Ovvero è nella visione evoluzionistica che possiamo veramente comprendere i fenomeni naturali che oggi si presentano sotto i nostri occhi. Capire il passato per comprendere il presente e magari così facendo, speculare sul futuro e destino del Cosmo.