di Corrado Ruscica
Questi sono anni d’oro per l’astronomia moderna perché gli scienziati stanno acquisendo tutta una serie di informazioni grazie soprattutto all’enorme flusso di dati che ci arrivano continuamente dagli osservatori terrestri ma soprattutto dai telescopi spaziali. Nonostante ciò gli scienziati sono impegnati a risolvere alcuni quesiti fondamentali che riguardano in parte problemi di natura teorica, cioè la formulazione di teorie che non sembrano essere in grado di spiegare certi fenomeni fisici o alcuni dati osservativi, e in parte di natura sperimentale, ossia la difficoltà di realizzare esperimenti in laboratorio che siano in grado di verificare o smentire un modello oppure di studiare un particolare fenomeno da cui possiamo ottenere informazioni sempre più dettagliate.
La relatività generale e la meccanica quantistica costituiscono attualmente le due teorie più complete e più esatte per descrivere rispettivamente da un lato l’Universo su larga scala, cioè quei fenomeni celesti che caratterizzano i pianeti, le stelle, le galassie, gli ammassi di galassie, e dalla’altro il mondo degli atomi e delle particelle elementari. Nonostante ciò, le due teorie sono in contrasto tra loro. Quello della meccanica quantistica è un mondo bizzarro e pieno di stranezze e dove si può solo prevedere la probabilità con cui si verifica un determinato fenomeno fisico. Qui valgono le leggi della casualità perciò tutte le possibilità che accada un evento potranno verificarsi. Quindi, di fronte al fatto che ci sono tante migliaia di possibilità che accada un evento, la teoria quantistica non può dire con certezza quale di essi si verificherà, ma può fornirci solo delle informazioni sull’evento che potrà verificarsi in maniera più probabile. Anche nel mondo a noi familiare, la meccanica quantistica prevede la possibilità che possa accadere quello che noi riteniamo sia impossibile. Ad esempio, esiste la possibilità che le particelle attraversino muri o barriere apparentemente impenetrabili la cui probabilità affinchè l’evento possa accadere è così bassa che occorrerebbe aspettare un tempo infinito.
Einstein dubitò sempre sul fatto che l’Universo si comportasse in maniera casuale e imprevedibile perchè riteneva che esistessero regole ben precise per misurare e prevedere qualsiasi fenomeno fisico. L’idea che si possa calcolare la probabilità che le cose accadano in un modo o nell’altro non persuase certamente lo scienziato. Ma con il passare del tempo, furono proprio i risultati sperimentali che davano torto ad Einstein e ragione alla meccanica quantistica che divenne definitivamente la teoria ufficiale per descrivere il mondo degli atomi e delle particelle subatomiche. Durante gli anni ‘30, la meccanica quantistica svelava i segreti dell’atomo e indagando sulla struttura della materia gli scienziati avevano scoperto altre due forze, la forza nucleare forte, che come un collante tiene unito il nucleo dell’atomo legando i protoni ai neutroni, e la forza nucleare debole, che consente ai neutroni di trasformarsi in protoni, e viceversa, con conseguente emissione di radiazione. Perciò, a livello atomico, la forza di gravità venne oscurata dallo studio delle altre tre forze. Ma come poteva allora integrarsi la gravità nella descrizione quantistica? Nessuno riusciva ad immaginare quale fosse il comportamento della gravità a livello atomico e nessuno era in grado di conciliare la relatività con la meccanica quantistica in un unica descrizione. Per decenni, tutti i tentativi di descrivere la gravità con il linguaggio della meccanica quantistica fallirono miseramente e, dopo la morte di Einstein, nessun scienziato prese seriamente in considerazione il problema di unificare le leggi della fisica. Insomma, la fisica è come divisa in due branche, da un lato la relatività generale che ci permette di descrivere l’Universo macroscopico, dall’altro la meccanica quantistica che ci permette invece di descrivere l’universo microscopico.
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Dal Big Bang al Multiverso
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E’ un po’ come avere due famiglie che non vanno d’accordo e non si parlano mai pur vivendo nella stessa casa. Sebbene entrambe le teorie descrivono con precisione il dominio in cui esse sono valide, sembra che non sia possibile conciliarle in un’unica teoria che sia in grado di descrivere l’Universo a tutti i livelli. Eppure gli scienziati sono concordi che tutto, dalle particelle subatomiche alle galassie, dovrebbe essere spiegato da un unico principio fisico, descritto da un’unica e semplice equazione che ci permetta di capire come funziona l’Universo in ogni tempo ed in ogni luogo mediante cioè una teoria unica. Oggi, la cosiddetta teoria delle stringhe potrebbe realizzare il sogno di Einstein quale migliore formulazione matematica maggiormente candidata ad essere considerata a tutti gli effetti “la teoria del tutto”. La formulazione di una tale teoria del tutto dovrebbe portarci alla naturale ricerca di quelle che sono state le condizioni, e forse anche le motivazioni, da cui è nato l’Universo come noi lo conosciamo. Essa deve comprendere quasi tutte le scienze che sono generalmente raggruppate in vari campi di studio, dalla cosmologia alla relatività e gravitazione, dall’astrofisica alla fisica delle alte energie. Tuttavia, nell’ambito di queste discipline esistono delle domande ancora aperte a cui gli scienziati stanno continuamente tentando di rispondere attraverso la formulazione di modelli matematici e teorie aiutandosi con l’osservazione profonda del cielo e con la realizzazione di esperimenti di laboratorio sempre più complessi.
Problematiche della cosmologia
Sebbene sia accettato dalla stragrande maggioranza di cosmologi come la teoria ufficiale per descrivere la nascita e l’evoluzione dell’Universo, il modello cosmologico standard, detto anche del Big Bang, presenta alcune lacune. Qual’è l’origine della materia, dell’energia, dello spazio, del tempo e delle forze fondamentali? Qual’è il significato dell’esistenza stessa del nostro Universo? E’ lecito chiedersi cosa c’era prima del Big Bang o si tratta di una domanda assurda? [Capitolo 1]. Le misure effettuate sulla radiazione cosmica di fondo indicano che la temperatura della radiazione fossile èstranamente uniforme in ogni direzione del cielo. Come mai l’Universo appare così omogeneo quando il modello del Big Bang prevede l’esistenza di anisotropie più grandi di quelle osservate? Una possibile risposta a questa domanda deriva dal cosiddetto modello inflazionario che descrive la fase di rapida espansione esponenziale dell’Universo, subito dopo il Big Bang, partendo da un volume di spazio molto piccolo e tale da far sì che tutte le sue parti abbiano avuto il tempo di comunicare tra loro per rendere uniforme la temperatura dello spazio. Ma se il modello è corretto, la domanda è: quali sono i dettagli di questa epoca di super espansione dello spazio? Certamente gli scienziati non hanno ancora delle prove evidenti sull’inflazione e per verificare ciò occorrerà analizzare in maniera estremamente dettagliata la radiazione cosmica di fondo e vedere se ci sono delle tracce lasciate, ad esempio, dalla propagazione di onde gravitazionali che possano essere riconducibili al periodo dell’espansione inflazionaria.
Oggi sappiamo che i dati ottenuti dalla missione del satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) sulla radiazione cosmica di fondo, che hanno fornito unafotografia dell’Universo neonato quando aveva un’età di circa 400.000 anni dopo il Big Bang, sembrano essere consistenti con il modello dell’espansione inflazionaria. La missione del satellite Planck, attualmente in corso, avrà lo scopo di fornirci una mappa ancora più dettagliata della radiazione cosmica di fondo per spiegare, si spera, alcuni punti ancora oscuri del modello cosmologico standard[Capitolo 2]. I dati ottenuti da WMAP permettono di avere una stima sull’età dell’Universo che è di circa 13,7 miliardi di anni, suggeriscono che le prime stelle si sono formate circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang, che il contenuto materia-energia è costituito dal 4% di materia visibile, cioè di materia ordinaria formata dagli atomi e dalle particelle elementari, che il restante 96% è a noi sconosciutoe che lo spazio si espande in maniera accelerata. Dunque, possiamo affermare che non è tutta la materia che brilla a rappresentare l’Universo osservabile dato che il contributo dominante al contenuto materia-energia è dato da due componenti, dette materia scura ed energia scura, che contribuiscono rispettivamente con il 23% circa ed con il 73% circa e di cui ignoriamo profondamente la loro vera origine e natura. Che cos’è dunque la materia scura? E’ forse collegata con la supersimmetria o si tratta di una estensione della gravità? [Capitoli 4, 5 e 6]. Qual’è la causa dell’espansione accelerata dell’Universo?
Come mai oggi la densità di energia della componente energia scura ha lo stesso valore rispetto a quello associato alla densità di materia quando entrambe evolvono nel tempo in maniera completamente diversa? Stiamo forse osservando una coincidenza cosmica? Che cos’è l’energia scura? Si tratta semplicemente della costante cosmologica o di altre forme di energia variabili nel tempo come la quintessenza? Ciò che sappiamo è che una, la materia scura, funge da impalcatura cosmica su cui si aggregano le galassie e gli ammassi di galassie mentre l’altra, l’energia scura, permea tutto lo spazio ed esercita una forza di tipo antigravitazionale creando spazi sempre più vuoti [Capitoli 6 e 9]. Un altro enigma nell’ambito dei problemi cosmologici è relativo all’asimmetria del tempo. Il fatto che esista una differenza nella direzione in cui evolvono i fenomeni fisici, avanti o indietro nel tempo, ci dice qualcosa sulla sua natura? Perché ci ricordiamo il passato e non il futuro? Che relazione ha il tempo con l’entropia del sistema Universo e con la gravità? Come mai l’Universo delle origini è caratterizzato da un valore così basso dell’entropia? [Capitolo 8]. Ma se il Big Bang è stato l’inizio di tutto, quale sarà allora la fine di tutto? L’Universo si espanderà per sempre oppure si fermerà ad un certo punto per invertire l’espansione in un grande e spettacolare collasso gravitazionale? Per tentare di rispondere a queste domande occorre analizzare qual’è il contributo della materia in termini di gravità. In altre parole, è necessario “pesare” l’Universo, calcolare la forza di gravità e confrontarla con il tasso di espansione dello spazio. Se la gravità avrà il sopravvento essa arresterà l’espansione e tutta la materia sarà soggetta ad un collasso gravitazionale (ipotesi del Big Crunch) mentre invece se lo spazio si espanderà alla velocità di fuga l’Universo diventerà sempre più grande e più vuoto (ipotesi del Big Chill). Ma quale delle due ipotesi si verificherà?
Ad oggi nessuno è in grado di dare una risposta definitiva e ciò che possiamo fare è analizzare alcuni scenari cosmologici che tengono conto non solo del contributo della materia ma soprattutto di quello delle varie forme di energia associate al vuoto che sembrano essere responsabili dell’espansione accelerata dell’Universo [Capitolo 9]. Infine, il capitolo 10 è dedicato alle ipotesi secondo le quali il nostro Universo potrebbe non essere l’unico esistente. In altre parole, ci sarebbero tanti universi, forse miliardi di altri universi di cui anche il nostro Universo ne farebbe parte, strutturati a formare un insieme più grande chiamato multiverso, caratterizzati da leggi fisiche e da costanti fondamentali proprie [Capitolo 10].
Problematiche della fisica delle alte energie
Ma a questi misteri cosmologici ne dobbiamo aggiungere altri che emergono dalle primissime fasi della storia evolutiva dell’Universo e che riguardano il campo della fisica delle particelle elementari. Qual’era lo stato fisico della materia primordiale? Come mai non sono stati osservati quark o gluoni liberi ma solo particelle da essi composte come i mesoni e i barioni? [Capitolo 3]. Perché l’Universo è fatto di materia? Che cosa è successo all’antimateria? Come mai esiste una tale asimmetria tra materia e antimateria quando, invece, secondo le leggi della fisica conosciute dovrebbe esserci una completa simmetria? [Capitolo 4]. E ancora, cosa determina la massa dei singoli atomi e come essa ha origine? Come mai esiste una diversità nei valori delle masse associate alle singole particelle? E’ forse il meccanismo di Higgs la soluzione dell’enigma? Questo meccanismo è alquanto complicato e ciò che viene ipotizzato è l’esistenza di un campo quantistico, detto appunto campo di Higgs, che permea tutto lo spazio e con il quale le particelle che lo attraversano interagiscono in maniera maggiore, minore o nulla. Secondo questo modello, l’interazione campo-particella dà origine alla massa e la particella che ne media il processo è proprio il bosone di Higgs. Quali sarebbero, però, le implicazioni se ciò non fosse vero? In realtà, l’assenza del bosone di Higgs implicherebbe una massa nulla per tutte le particelle, che viaggerebbero perciò alla velocità della luce, risultato che è in contraddizione con ciò che si osserva in natura. Ma c’è solo un bosone di Higgs o ce ne sono diversi? [Capitolo 5].
Problematiche della relatività e gravitazione
Il lungo capitolo 7 è dedicato al corpo celeste più misterioso ed enigmatico dell’Universo: il buco nero. Da sempre, questi mostri del cielo incutono un timore reverenziale e sono spesso i protagonisti dei film di fantascienza. Come ha origine un buco nero? Qui le domande sono tante a cui rispondere ed in particolare vengono trattati diversi concetti tra i quali quello della singolarità, della radiazione termica, dell’evaporazione e del paradosso della perdita d’informazione dei buchi neri. Un paragrafo è dedicato ai cosiddetti mini buchi neri la cui formazione, prevista in linea di principio da alcuni modelli che tentano di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica, può avvenire o quando i raggi cosmici interagiscono con l’atmosfera terrestre oppure durante le collisioni di alta energia negli acceleratori di particelle.
Domande aperte
Dato che sono tanti i quesiti a cui gli scienziati stanno tentando di dare una risposta, ho pensato di dare al lettore una idea scrivendo qui di seguito un elenco di alcune domande aperte che sono citate nel testo:
*Quale è stato l’evento che ha effettivamente causato il Big Bang?
*Cosa si è formato prima, l’Universo o le sue leggi fisiche che hanno determinato la sua evoluzione?
*Il Big Bang è stato veramente l’inizio del tempo, oltre che dello spazio?
*Quando ha avuto inizio il tempo?
*Che cosa c’era prima del Big Bang?
*Perché c’è stata l’inflazione?
*Siamo proprio sicuri che l’inflazione funzioni come è stata descritta?
*Perché l’Universo è fatto di materia?
*Che cosa è successo all’antimateria?
*Come mai esiste una tale asimmetria tra materia e antimateria quando, invece, secondo le leggi della fisica conosciute dovrebbe esserci una perfetta simmetria?
*Cosa determina la massa dei singoli atomi e come essa ha origine?
*Come mai esiste una diversità nei valori delle masse associate alle singole particelle?
*Perché ci sono tre famiglie quando sembra che solo una è necessaria per descrivere il mondo che ci circonda?
*Perché le tre famiglie hanno masse così diverse e perché proprio quelle masse?
*Esiste davvero la materia scura?
*Che cosa è l’energia scura?
*Come si forma un buco nero?
*L’Universo si espanderà per sempre oppure si fermerà ad un certo punto per invertire l’espansione in un grande e spettacolare collasso gravitazionale?
*Quanti universi saremmo in grado di osservare?
*Esiste un modo di provare l’esistenza degli universi paralleli?
*Davvero il mondo è fatto di stringhe, membrane e dimensioni extra?
Il testo contiene dieci capitoli che possono essere letti indipendentemente l’uno dall’altro anche se suggerisco al lettore di procedere in maniera sequenziale. Il testo non contiene figure ma i rispettivi link alle pagine web laddove sia necessario inserire un riferimento iconografico. Ogni capitolo contiene alcune parole chiave i cui link puntano ai post pubblicati sul blog AstronomicaMentis per un maggiore approfondimento degli argomenti trattati. Inoltre, in ogni capitolo sono riportati i link delle pagine web degli scienziati attualmente in vita che sono stati citati mentre la sezione sitografica contiene i link agli articoli pubblicati sul blog relativamente ad ogni scienziato che è stato citato nei vari capitoli. Infine, nella sezione bibliografica sono riportate alcune letture suggerite, e i relativi link, suddivise per ogni capitolo.
Tratto da Enigmi Astrofisici di Corrado Ruscica (Macro Edizioni Ebook, 2011)
Fonte: http://www.scienzaeconoscenza.it/articolo/enigmi-astrofisici.php