Dal Big Bang… al sottoscritto!

C’eravamo lasciati, nella breve descrizione della storia dell’universo, al Tempo di Planck; prima di ripartire da lì, è necessario fare alcune considerazioni di natura filosofica in generale ed epistemologica in particolare. Questa esigenza scaturisce dal fatto, che il cosmo-in quanto tale-, si lascia “comprendere”da noi in maniera adeguata, pur se non esaustiva. Questo fatto, che purtroppo non “solletica”l’intelligenza coeva, troppo appiattita sul dato quantitativo, non poteva, però, lasciare indifferente una coscienza raffinata, come quella di Albert Einstein (1879-1955), che, a tal proposito, all’amico, editore e corrispondente di una vita, Maurice Solovine (1875-1958), scrisse: ”Ciò che ci dovremmo aspettare, a priori, è proprio un mondo caotico del tutto inaccessibile al pensiero.” Ancora, commentando l’evidente ordine oggettivo, chiosò: ”E’ questo il “miracolo”che vieppiù si rafforza con lo sviluppo delle nostre conoscenze”. Occorre poi rimarcare i limiti della conoscenza scientifica sperimentale; mass media, ed anche la scuola, purtroppo, trasmettono sempre l’immagine di una conoscenza scientifica, infallibile, assimilata in toto, alla conoscenza stessa. In pratica, uno può diplomarsi o, addirittura, laurearsi, senza avere mai avuto la percezione, nel corso del suo curriculum scolastico, degli “scossoni rivoluzionari”, che fisica quantistica, relatività e teoremi di Godel hanno apportato alle scienze “esatte”. In estrema sintesi: 1) la costante di Planck, - data dal rapporto fra energia e frequenza di un fotone- che è la più piccola quantità d’energia misurabile nell’universo, ha introdotto un limite di divisione di ogni radiazione e, conseguentemente, anche di ogni divisibilità. 2) Se Max Planck (1858-1947) ha scoperto un limite inferiore, Einstein ne ha scoperto uno superiore: la velocità della luce nel vuoto; niente può superarla e, neanche, raggiungerla.3) Godel (1906-1978) ha scoperto, con i suoi teoremi d’incompletezza, che la dimostrabilità è un concetto più debole della verità: cioè, non sono vere solo le cose che posso dimostrare. Basterebbero queste poche nozioni per dare ai ragazzi una percezione diversa del mondo che li circonda, stimolando in loro la riflessione: perché questi limiti? Perché questi valori, per giunta calcolabili, e non altri? Chi li ha decisi? Nel concludere questa breve introduzione epistemologica, riporto una puntuale definizione dei limiti del metodo scientifico, scritta dall’astronomo Piero Benvenuti: ” Il metodo scientifico basa la sua indiscussa potenza sulla possibilità di verificare con l’esperimento l’adeguatezza della rappresentazione matematica (il modello) della realtà fenomenologica. La scienza ha però riconosciuto che l’esperimento stesso ha dei limiti di applicabilità, che limitano conseguentemente la possibilità di utilizzare il metodo sperimentale in ogni situazione”. Chiarito questo punto vitale, vediamo le tappe che hanno portato progressivamente dal big bang iniziale a…Cosimo Galasso…che sta scrivendo questo pezzo, al PC, in un tardo, e soleggiato, pomeriggio dicembrino! Specifico subito, che la storia del Big Bang che riporterò, sarà solamente quella suffragata dalle evidenze sperimentali, senza lasciar spazio a nessuna fantasia esotica; per arrivare allo scrivente e, dunque, a ognuno di voi occorre partire dal Big Bang. Concretamente siamo tutti figli di quel “Gran Botto”iniziale, - databile a circa 13,8 miliardi di anni or sono- compreso il mondo che ci circonda; ne portiamo alcune tracce tangibili anche dentro di noi; di più, se vogliamo ammirarne dei “segnali”, basta guardare il video nebbioso di un televisore: più avanti svelerò il “mistero”… Chiariamo immediatamente un punto: studiando il Big Bang noi non fotografiamo, né tantomeno vediamo l’istante della creazione! Abbiamo visto che il metodo scientifico può esprimersi validamente solo su grandezze numeriche: ES, sarei ridicolo se cercassi di “pesare” su una bilancia, esprimendolo poi in chilogrammi, l’amore che provo verso mia figlia! Come insegnava il fisico e filosofo benedettino Stanley L. Jaki: ” Non è possibile associare alcuna misurazione quantitativa all’esistenza di oggetti, che indichiamo col verbo è o sono, e neppure alla parola nulla. E’ per questo che la transizione dal non-essere all’essere non è di competenza della scienza fisica o di qualsiasi scienza che abbia a che fare con delle misurazioni”. Ciò vuol dire che t=0, non lo vedremo mai; peraltro, come dimostrato dal potente teorema della singolarità di Hawking-Penrose, un universo dominato dalla Relatività Generale implica un punto iniziale in cui le dimensioni dell’universo sono pari a zero, mentre raggiungono valori infiniti sia la temperatura sia la densità. Se per la matematica questo è un risultato coerente, per la fisica non ha molto senso: diciamo che riflette la nostra ignoranza su come agisce la gravità in quelle condizioni estreme. Ad ogni modo, il teorema di singolarità implica un inizio dell’universo; cosa che molti, per motivi filosofici, vogliono evitare. Si sono cercate varie scappatoie, ma senza successo; naturalmente, la fisica quantistica è stata utilizzata come via preferenziale per “aggirare”l’ostacolo di un” inizio”, perché è più adatta a descrivere il comportamento di atomi e nuclei: a fini pratici, però, non ha funzionato. Lo stesso Hawking ha cercato di “fuggire” dal “suo” Teorema…, ma il cosmologo Denis Sciama, a lui e ad altri che pensavano di non aver bisogno di una singolarità in un universo regolare, ha ricordato che: ”Questo argomento non è valido: è stato dimostrato da S. Hawking, G. Ellis e R. Penrose che, finché la materia dell’universo obbedisce a una ragionevole equazione di stato, allora secondo la relatività generale vi devono essere state nel passato una o due singolarità fisiche (…) Considerazioni di meccanica quantistica potrebbero permettere di evitare una vera e propria singolarità ma apparentemente non possono impedire alla densità di diventare effettivamente molto alta, ad esempio 10^{-59 gr cm-3}, che corrisponde a un raggio di curvatura di 10^-26cm. Per ogni scopo pratico una densità simile potrebbe essere considerata una singolarità”. Possiamo invece ripartire da quel Tempo di Planck ed anche sperare, un giorno, di risalire ancora più indietro, nel cosiddetto regno della gravità quantistica, ossia quando saremo riusciti a unificare le quattro forze fondamentali della natura, originariamente fuse insieme. Ci vorranno, però, acceleratori ancora più grandi del LHC, che ha scovato il fantomatico bosone di Higgs, o particella di Dio, com’è mediaticamente conosciuta. Tuttavia, non siamo nemmeno sicuri di riuscire a raggiungere, un giorno, nei nostri acceleratori, le energie necessarie per verificare sperimentalmente questa teoria Insomma, è una fisica ancora di là da venire. Torniamo sul terreno solido della scienza galileiana, cioè verificata. Planck, acutamente, per ottenere le misure quantistiche di base- che, infatti, portano tutte il suo nome-, combinò assieme le costanti fondamentali della natura: la gravitazione universale, la velocità della luce e la costante di Planck, appunto. Ottenne così anche la lunghezza di Planck- oltre la quale non si può scendere-, pari a 10^{-33 cm}. Per “visualizzarla”-si fa per dire…-, prendete un normale righello e focalizzate la vostra attenzione sul primo millimetro, poi, unicamente con la vostra capacità astrattiva, immaginate di dividere quel millimetro per uno, due, tre…fino a centomila volte. Dopo esservi riposati un po’, quel che è rimasto, lo dividete un miliardo di volte; ma non è finita, occorre dividere ancora un altro miliardo di volte e poi un altro ancora: il valore così ottenuto è il diametro dell’universo al tempo di 10^{-43 sec}, che, infatti, è il tempo che un raggio di luce impiega ad attraversare una sfera di 10^{-33 cm}! Pensate, il mio lungo viaggio per giungere fino a voi è partito da lì; anzi, in qualche modo, “eravamo tutti lì!” La fisica del nucleo atomico e quella delle particelle, unitamente agli acceleratori, ci hanno permesso di ricostruire con una certa accuratezza i primi tre minuti, con l’incertezza della primissima frazione, come già detto: questo è un risultato straordinario! Va ricordato, come dice Benvenuti, che sulla primissima frazione: ” Grazie allo sviluppo della fisica quantistica, noi non riusciremo mai a osservare, nel senso del metodo scientifico, quell’istante”. Riprendendo il discorso, al tempo di Planck l’universo inizia a espandersi e a “raffreddarsi”, la gravità subito si separa dalle altre forze; la sua intensità è così elevata che l’universo misura appena 10^-28cm e, conseguentemente, la temperatura era sbalorditivamente alta: 10^-32K! Giunti al tempo di 10^-35sec l’universo avrebbe subito un rigonfiamento eccezionale dalle dimensioni subnucleari a un’arancia di circa 10 centimetri: è il momento inflazionario, che nella sua parte scientificamente sana rappresenta l’universo come gonfiato nelle sue fasi embrionali ad una velocità molto maggiore della sua successiva espansione (S Jaki) ”. Al contempo, la forza nucleare forte si separa da quella elettrodebole e l’energia inizia a “condensarsi”in materia: quark, elettroni e rispettive antiparticelle. A 10^{-32 sec} si ha, invece, la separazione tra le due componenti della forza elettro-debole. Più avanti, a 10^{-6 sec}, la temperatura è scesa a 10^{13 K}, ciò permette ai quark di combinarsi e di dare origine ai nucleoni, cioè protoni e neutroni. Questo è anche il tempo in cui materia e antimateria si danno “battaglia” in quel brodo “primordiale”: infatti, poiché sono identiche in tutto, eccetto che nella carica elettrica- sono opposte-, quando s’incontrano, si “annichilano”, cioè cessano di essere quel che sono e si riducono a energia, sotto la forma di fotoni. Qui accade un primo “miracolo”, un primo avvenimento che deve stimolare la nostra riflessione; se da quel brodo primordiale fossero emerse esclusivamente quantità uguali di materia e antimateria oggi noi non ci saremmo: l’intero Universo sarebbe un immenso oceano ripieno ovunque di fotoni. Che accadde? Ci fu un eccesso leggerissimo di materia sull’antimateria; il fenomeno non è stato capito totalmente, ma una prima, parziale, soluzione fu trovata nel 1964 da due fisici americani: Val Fitch e James Cronin. Studiando il decadimento del mesone K zero, una particella instabile, scoprirono che esso decade in un tempo impercettibilmente più lungo della sua antiparticella. Il merito dei due fisici americani fu quello di aver scoperto che la produzione di materia supera quella di antimateria con un fattore di una parte su dieci miliardi! In pratica, siamo figli di quella leggerissima asimmetria: se Cosimo Galasso sta scrivendo questo pezzo, è perché ogni 10 miliardi di antiprotoni, all’alba dei tempi, si produssero dieci miliardi e uno protoni. In questo modo, non ci fu soltanto radiazione!Una tale minima differenza non può non far sobbalzare: il nostro brodo non è più tanto primordiale, ma ben specifico e inomogeneo. Il prof. Giovanni Bignami, astrofisico e Accademico dei Lincei, a tal proposito, ha scritto: ”Ricordiamoci con reverenza (…) di questa asimmetria”. Anche i due scopritori rimasero sgomenti; quando nel 1980 ritirarono il premio Nobel per la fisica, dichiararono: ” E’ veramente un arcano” (Val Ficht) “Trovo difficile dare alla mia famiglia anche una pallida idea di quello che ho fatto”. (James Cronin) Passiamo ora in rapida carrellata quel che accadde dal primo secondo ai primi tre minuti. Al primo secondo avevamo, ormai, le basi della materia, quelle a noi più familiari: protoni, neutroni ed elettroni e, inoltre, la temperatura era scesa a “solo” 10 miliardi di gradi e l’universo era diventato grande quanto una sfera di ben 100 mila Km. Poi, dopo il protone, che è anche il nucleo dell’idrogeno, si formò un suo isotopo: il deuterio, il cui nucleo contiene anche un neutrone e perciò è detto “idrogeno pesante”. Tutto il deuterio che troviamo oggi risale al Big Bang, non conosciamo altro modo di produrlo. Le temperature ancora elevate favorirono la fusione nucleare, sicché vincendo la repulsione dovuta alle cariche elettriche si fusero assieme due nuclei di idrogeno pesante, originando l’elio, il cui nucleo- fatto da due protoni e due neutroni- è solidissimo e costituirà la base del futuro carbonio,motore della vita. Entro i primi tre minuti la temperatura era ancora così elevata da permettere la nascita, sempre per fusione, del litio con tre protoni e del berillio con quattro. Giunti a 3 minuti e 46 secondi la temperatura del cosmo è troppo bassa perché favorisca la fusione di altri elementi pesanti, che saranno “cotti” più tardi, nelle stelle. La nucleosintesi cosmologica o primordiale, a questo punto, è cessata; da quel momento e per i successivi 380 mila anni la situazione è più tranquilla, ma quasi altrettanto decisiva. Questo calderone ripieno di protoni, nuclei di deuterio, litio ed elio continua a espandersi e a raffreddarsi. Inizialmente, gli elettroni a causa delle temperature ancora elevate, hanno un moto così frenetico, che non riescono a legarsi ai protoni liberi per formare atomi neutri, legandosi così ai fotoni, verso i quali hanno grandissima affinità. In questo modo, però, non essendo i fotoni liberi di vagare, non si vede nulla. Solo dopo 380 mila anni, quando la temperatura del cosmo è ormai scesa a soli 3000 K, gli elettroni, non più frenetici, hanno iniziato a legarsi ai protoni, lasciando, così, liberi i fotoni e…finalmente fu la luce! Ora, se ricordate, era rimasto un “mistero” da svelare, quello relativo alla “nebbia” di un televisore; accendete il vostro apparecchio e cercate una frequenza, dove non avete registrato alcun canale. Davanti a voi si paleserà la classica immagine nebbiosa; osservate bene i puntini bianchi frammisti agli altri: sono fotoni. Adesso fate attenzione; è accertato che in media un fotone su 100 proviene dalla radiazione di fondo del cosmo: state osservando, in diretta, e sul vostro televisore, le”ceneri”del Big Bang! Pensate, quei fotoni provengono direttamente dai confini del cosmo visibile… Pertanto, questo è un altro limite; con i nostri telescopi, anche se ne costruissimo di giganteschi, comunque non potremmo valicare la soglia dei 380 mila anni luce: non ci sono fotoni da catturare! E…per arrivare a Cosimo Galasso? Beh, ci son voluti quasi altri 13,8 miliardi di anni e una serie innumerevole di passaggi, che però in un Universo finemente sintonizzato ad accogliere la vita, ed anche la vita intelligente, non è stata ostacolata. Da notare, tuttavia, che la vita intelligente non sembra, però, essere il risultato esclusivo di protoni, neutroni ed elettroni, i quali, è evidente (!), non “secernono”pensiero. Direi che è un caso classico, in cui la somma è più delle parti: quello in più richiama fortemente il Trascendente. Tuttavia, nella parte organica, Cosimo Galasso, così come ciascuno di voi, è figlio del Big Bang. Il prof. Giovanni Bignami, in maniera icastica, ha così sintetizzato questa verità: ”Nel nostro corpo infatti ci sono parecchi kilogrammi di atomi di idrogeno (e magari qualche atomo originale di elio e litio): i loro nuclei si sono formati 13,7 miliardi di anni fa, sono la nostra etichetta “made in Big Bang”.