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Renato Potenza

Ricercatore Emerito al CERN di Ginevra

Coscopritore del Bosone di Higgs

già Professore Ordinario

di Fisica Generale

e di Fisica delle Particelle Elementari

presso l’Università di Catania

 

La visione scientifica della creazione dell’Universo

 

Introduzione

Per visione scientifica di un oggetto¹⁾ o di un evento²⁾ intendiamo un insieme di proposizioni descrittive di quell’oggetto o evento formulate in modo da poterne verificare la rispondenza ai fatti descritti. Se questa rispondenza esiste diciamo che la proposizione è VERA.

Vale la pena, a questo punto, fare una digressione per precisare il significato della parola 'verità': la verità per un uomo di scienza non è un ente, anche se astratto. Essa è banalmente una semplice proprietà delle proposizioni: vere se corrispondono ai fatti reali³⁾ descritti, false se no.

Vero, bene, bello, opportuno: quattro parole che descrivono proprietà di oggetti (per es. le proposizioni o le opere d’arte) o di eventi (le nostre azioni, i nostri comportamenti). Queste parole sono le parole chiave di: conoscenza (il vero), etica (il bene), estetica (il bello) e politica (l’opportuno). Tra la prima e le altre c’è però una differenza fondamentale: ciò che è bello, bene o opportuno può essere e viene di fatto deciso per alzata di mano (oggi, e nei paesi che hanno fatto propri i metodi democratici; ieri spesso con una guerra

sanguinosa); l’unica proprietà che non può essere decisa per alzata di mano è _______________________

¹⁾ Oggetto: qualcosa di staticamente presente alla nostra percezione.

²⁾ Evento: un accadimento in una certa zona dello spazio in un dato intervallo di tempo.

Es.: il sole oggi è sorto alle ore 6:45 (descrizione di un evento: può esser vera);

il mio cane è un animale quadrupede con zoccoli da ferrare (descrizione di un oggetto: sicuramente falsa).

3) Per fotto reale intendo un oggetto o evento di cui si possa dimostrare l’esistenza, per es. osservandolo, riproducendolo o documentando attraverso i procedimenti delle scienze storiche.

la verità, che può essere decisa solo tramite il confronto tra ciò che viene

detto e i fatti che le nostre parole descrivono, se reali: nessuna vittoria referendaria o di guerra potrà mai cambiare la verità o falsità di una proposizione: solo nuove scoperte empiriche potranno farlo ed è ciò che avviene correntemente nella scienza.

L’Universo

Potremmo dire che è l’insieme di tutto ciò che ci circonda: sulla terra esseri viventi, terre e mari, in cielo la luna, il sole, le stelle…

Era quanto si sapeva ai tempi di Giordano Bruno, di Galileo e poi di Newton.

Oggi ne sappiamo un po’ di più: i corpi visibili, le stelle, son raggruppati in galassie come la nostra Via Lattea (il faro del cammino di Santiago de Compostela), v. fig. 1 e fig. 2, a loro volta raggruppate in ammassi (quello in cui siamo noi comprende la Via Lattea, la 'nebulosa' di Andromeda e alcune altre, tutte tra loro distanti qualche milione di anni luce: un anno luce è la distanza percorsa dalla luce alla sua invariabile velocità di 299.792,5 km/s, cioè 9.461 miliardi di chilometri); ma è solo dai primi anni ‘70 del ‘900 che sappiamo che le galassie sono solo il 5% della materia nell’universo.

 Materia oscura ed Energia oscura

Il 95% della materia presente nell’universo risulta infatti così costituito:

il 25% da una non meglio conosciuta 'materia oscura';

il rimanente 70% da una misteriosa 'energia oscura', già prevista da Einstein e da lui chiamata 'Costante Cosmologica'. La chiamiamo ormai energia del vuoto (v. fig. 3).

Energia oscura

Questa è essenzialmente una forza antigravitazionale che permea tutto lo spazio che ci circonda e spinge gli ammassi di galassie sempre più lontani l’uno dall’altro, come vedremo più avanti. È probabilmente il residuo attuale della immensa forza che fece espandere velocissimamente l’universo all’inizio del big bang.

Materia oscura

Abbiamo scoperto la materia oscura perché le galassie sono in costante moto di rotazione. Questo genera delle forze, le forze centrifughe che, se non contrastate dalla attrazione di gravità prodotta dalla materia all’interno della galassia, la farebbero disgregare disperdendone man mano nello spazio esterno la materia situata alla periferia. Per potersi mantenere in rotazione alla velocità che osserviamo deve esserci, all’interno di ogni galassia e di ogni ammasso molta più materia di quella luminosa che osserviamo. Abbiamo chiamato 'materia oscura' questa materia, che non emette luce o altre radiazioni, ma si fa sentire solo per i suoi effetti gravitazionali tenendo concentrate le galassie. Se non ci fosse la materia oscura le galassie non potrebbero mantenere la loro forma a spirale o a disco rotanti: la materia contenuta nelle stelle non basterebbe a mantenerne la rotazione e la forza centrifuga le farebbe disperdere nello spazio.

La materia oscura (e vedremo sarà lo stesso per l’energia oscura) non è un’invenzione metafisica, ma un’ipotesi nata da una precisa esigenza scientifica: spiegare come le galassie possano restare compatte in rotazione, senza disgregarsi; un’ipotesi che diventerà parte della teoria cosmologica solo quando saremo in grado di rivelarne la struttura.

 Il vuoto

Il vuoto che si interpone tra un corpo e l’altro negli spazi siderali non è il nulla. Sappiamo oggi che esso è solo lo stato fondamentale della materia: lo stato di più bassa energia a cui convenzionalmente attribuiamo il valore zero: E=0; ciò significa che nelle zone di vuoto non ci sono corpi,  microscopici o no, rivelabili con strumenti fisici; qualunque presenza di corpi rivelabili rende infatti lo spazio non più vuoto e l’energia E≠0.

Proprio perché il vuoto non è il nulla, ma materia allo stato più basso di energia, esso può produrre spontaneamente materia rivelabile, cosa a cui siamo arrivati attraverso la meccanica quantistica. Il vuoto 'bolle' continuamente.

Non solo. Ma poiché spazio e tempo, per la teoria della Relatività Generale di Einstein (la moderna teoria della gravitazione), non esistono se non ci sono corpi rivelabili, il vuoto assoluto è semplice (senza spazio) ed eterno (senza tempo)

Il vuoto bolle in violazione del principio di conservazione dell’energia

Produrre spontaneamente materia significa spostare verso l’alto il livello d’energia di una certa porzione di spazio senza rispettare il notissimo principio di conservazione dell’energia.

Ma è possibile violare un tale affermatissimo principio?

Sì, risponde la meccanica quantistica con l’altrettanto famoso principio di indeterminazione di Heisenberg, purchè lo si faccia per tempi tanto più brevi quanto più alta è la violazione: cioè purché ∆t ≈ ћ/∆E. Si noti che ћ è tanto piccolo⁴⁾ che se il vuoto emette una coppia di elettroni (i più leggeri componenti della materia) essi possono restare in vita solo per circa 6 decimillesimi di miliardesimo di miliardesimo di secondo!

Ma come vediamo questo bollire del vuoto?

Tramite l’osservazione dei buchi neri

 

<_div> luce

<_div> elettrone

<_div> positrone

<_div> Terra

E se il vuoto emettesse un insieme di particelle con ∆E = 0? Oh, allora ∆t potrebbe essere grandissimo, infinito: ∆t = ∞ per ∆E = 0!

 La nascita dell’universo

Ed ecco l’ipotesi attuale sulla creazione del nostro universo:

esso nacque, né più né meno, dalla generazione spontanea dal nostro vuoto di almeno un grumo di circa 20 µg di materia (si chiama la massa di Planck); quel grumo era così piccolo e compresso (le dimensioni potevano essere piccole fino a 2·10^-32 mm, cioè 2 centomillesimi di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di mm, la lunghezza di Planck) che le forze di gravità compensavano perfettamente con la loro energia negativa quella positiva delle particelle materiali. Sì, perché le forze attrattive contribuiscono con energia negativa al bilancio energetico di un sistema fisico.

Poi tutto si svolse come in fig. 5, cioè come descritto nei sottoparagrafi seguenti.

1.   L’inflazione iniziale (i primi 10^-34 secondi)

Il primo atto, essenziale affinché l’universo potesse manifestare l’omogeneità che oggi rileviamo in esso, fu una velocissima esplosione iniziale dello spazio che conteneva quel primo grumo di particelle e che portò in tempi brevissimi (circa 10^-34 s, un decimilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo) il grumo iniziale a diventare 26·10⁴² volte più grande (260 milioni di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più grande) e quindi da 2·10^-32 mm a più di cinquecentomila chilometri Questo primo periodo di espansione velocissima si chiama inflazione dell’universo: l’energia per l’inflazione è fornita in parte dal campo di Higgs (la cui particella distintiva è proprio quel bosone di Higgs trovato, dopo più di cinquant’anni di ricerca, nel luglio del 2012 al CERN di Ginevra) e in parte dall’annichilazione della materia e dell’antimateria coesistenti nel grumo originario prodotto dal vuoto. La nuova enorme palla di materia è ora caldissima (più di mille miliardi di gradi) e continua ad espandersi, ma molto più lentamente di prima e solo in virtù del calore accumulato, e questa espansione, in più 13 miliardi e mezzo di anni, porta l’universo alle dimensioni attuali.

Sembra un mistero e ancora molte cose vanno chiarite, ma tutto ciò è stato finora confermato dalle indagini con satelliti artificiali e razzi interplanetari in diverse missioni spaziali programmate per confermare le previsioni della teoria inflazionistica.

 2.   I primi 300.000 anni di vita dell’universo.

La materia caldissima di cui è fatta la grande palla è una pappa di particelle elementari, che va raffreddandosi. Protoni e neutroni, i costituenti dei nuclei atomici, si formano nei primi tre minuti e si raggruppano negli idrogeni (idrogeno e deuterio) e negli eli (elio-3 ed elio-4). Lo studio dell’abbondanza degli idrogeni e degli eli nell’attuale universo conferma esattamente quanto previsto dalla teoria del big bang per i primi tre minuti dalla fine dell’inflazione.

A questo punto la temperatura è ridotta a circa 22 miliardi di gradi e continua a scendere mentre l’universo continua ad espandersi. Questa temperatura è troppo alta perché i nuclei atomici possano restare legati ad elettroni per formare gli atomi. L’ universo è in quel periodo una pappa di particelle cariche positivamente (i nuclei di idrogeno, deuterio, elio-3 ed elio-4) e di elettroni, carichi negativamente. Questa miscela indifferenziata si chiama plasma: essa è completamente opaca al passaggio della luce; l’universo è immerso nelle tenebre. Diventerà trasparente alla luce quando la temperatura sarà scesa, a causa dell’espansione, sotto i 10.000 gradi centigradi. A quel punto gli elettroni potranno essere catturati dai nuclei e restarvi legati. Questo succede quando l’universo raggiunge la giovane età di 300.000 anni. Si formano gli atomi. La materia non più fatta di particelle cariche libere, ma di atomi neutri, permette il passaggio della luce e le tenebre si diradano. E la luce fu.

 3.   La nascita delle stelle

L’universo continua ad espandersi e a diventare sempre più freddo. La distribuzione degli atomi di cui è costituito non è tuttavia perfettamente uniforme: ciò è stato ricostruito dalle misure di precisione della distribuzione della cosiddetta radiazione di fondo, una radiazione quasi perfettamente uniforme di microonde che permea lo spazio intorno a noi e che è il residuo freddo della luce che lo permeava quando raggiunse i 300.000 anni.

Le disuniformità, peraltro molto piccole, sono sufficienti a che la gravità faccia addensare gli atomi in vicinanza delle zone un po’ più dense e diradare quelli all’ interno di quelle meno dense. Occorrono ancora 400 milioni di anni e dalle zone sempre più dense si formano le prime stelle. Data la forma delle disuniformità, anch’esse spiegate dalla meccanica quantistica, le stelle si addensano in galassie e le galassie in ammassi e noi vediamo oggi tutti questi ammassi allontanarsi sempre più gli uni dagli altri mentre continua l’espansione.

4.   Effetti dell’energia oscura

Le forze di gravità dovrebbero tendere a rallentare l’espansione. Ma abbiamo scoperto alla fine del secolo scorso che questo è stato vero fino a qualche miliardo di anni fa. Almeno negli ultimi 4 o 5 miliardi di vita l’universo mostra una espansione accelerata dalla non ben conosciuta energia oscura.

Il multiverso

E per finire diciamo che una produzione del tutto casuale del grumo originario da cui ebbe origine il nostro universo fa prevedere la possibilità che il vuoto possa produrre ancora e forse abbia già prodotto altri universi, magari non governati dalle stesse leggi del nostro. Possiamo pertanto ritenere di vivere non in un UNIverso, ma in un MULTIverso. Non è un’ipotesi peregrina se può essere verificata sperimentalmente. Speravamo di riuscirci dalla misura della massa del bosone di Higgs, ma sfortunatamente la massa trovata è il valor limite tra esistenza e non esistenza del multiverso. Le ulteriori misure che continuano al grande acceleratore LHC del CERN potranno forse dare una risposta in un prossimo futuro (stavolta solo qualche anno, non cinquanta come per il bosone!).