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Sabato, 19 Ottobre 2019

I Padri (nascosti) del Big Bang: Georges Edouard Lemaitre

Lemaitre

 

Georges Edouard Lemaitre (1894-1966), nacque il 17 luglio 1894 a Charleroi, una città belga. Appartenente a una famiglia medio - borghese, compì studi classici nel collegio gesuitico della città natale. Inizialmente, orientò la sua formazione universitaria verso l’ingegneria; a seguito dell’invasione tedesca del Belgio, si arruolò volontario, dal 1914, nell’artiglieria. Ritornò a casa, nel 1919, profondamente cambiato; l’esperienza della guerra ne aveva segnata l’anima e decise di farsi sacerdote cattolico. Anni dopo, in un’intervista rilasciata al New York Times, a proposito della sua vocazione religiosa, disse: «C’erano due vie per giungere alla verità, e ho deciso di percorrerle entrambe (.) La scienza non ha cambiato la mia fede nella religione e la religione non ha mai contrastato le conclusioni ottenute dai metodi scientifici». Decise di mutare anche indirizzo di studi, passando alle scienze fisico-matematiche dove dimostrò un talento superiore. Contemporaneamente, perfezionò la sua preparazione filosofica sotto la guida del celebre card. Desireè Mercier (1851-1926), conseguendo il baccalaureato in filosofia tomista all’Istituto Superiore di Filosofia, a Lovanio. Seguendo le indicazioni del padre, antepose gli studi accademici al seminario, dove entrò nel 1920; dopo soli tre anni, fu ordinato sacerdote. Durante quel triennio, i superiori gli permisero di occuparsi di scienza: lesse tutto quanto era disponibile sulla Relatività di Albert Einstein (1879-1955). Partecipò e vinse, con un’opera sugli scritti del grande fisico tedesco, a un concorso internazionale che metteva in palio una borsa di studio all’estero: fu la sua fortuna. Partì verso Cambridge, in Inghilterra, nell’anno accademico 23-24, per studiarvi astronomia, col grande sir Arthur Stanley Eddington (1882-1944), che giocherà, come vedremo, nel bene e nel male, un ruolo cruciale nella sua carriera scientifica. Dopo aver seguito anche i corsi del fisico Ernest Rutherford (1871-1937), l’anno seguente andò in America, dove studiò le stelle variabili al collegio di Harvard, diretto da Harlow Shapley (1885-1972) e contemporaneamente si iscrisse al celebre M.I.T., per conseguirvi un dottorato in fisica. La permanenza negli Stati Uniti sarà decisiva nella formazione di Lemaitre; infatti, fra le altre cose, riesce ad assistere, sul finire del 24 e prima di far ritorno a Lovanio, nel 25, alla celebre conferenza di Washington. A quell'assise, il più grande astronomo dell’epoca, Edwin Hubble (1889-1953), inviando una lettera con le sue scoperte, metteva fine al cosiddetto “Grande Dibattito”. Annunciò, che in seguito alla scoperta di Cefeidi- un particolare tipo di stelle variabili, nelle quali il periodo, cioè l’intervallo tra due picchi di luminosità, è proporzionale alla magnitudine assoluta, che confrontata con quella apparente, ci dà la sua distanza -, nella nebulosa NGC6822, era stato dimostrato che queste, erano sistemi stellari analoghi alla nostra Via Lattea e, a essa, ovviamente, esterni. Celebre è rimasta la sua conclusione, scritta in un articolo, sempre nel 25, per l’Astrofisical Journal, intitolato, NGC 6822, a Remote stellar system, nel quale parlando di questa nebulosa e riferendosi alle accurate misurazioni, in essa eseguite, dice: «The first system definitely assigned to the regions outside the galactic system», cioè, il primo oggetto definitivamente assegnato a una regione esterna al sistema galattico. La scoperta di galassie esterne alla nostra, in una mente fertile come quella di Lemaitre, capace di integrare alla perfezione i dati sperimentali, con gli aspetti teorici di una disciplina, fece scoccare, in lui, la scintilla creativa: comprese immediatamente che una simile scoperta avrebbe avuto delle conseguenze per la cosmologia relativistica. Questo risultato, combinato con quanto, sin dal 1912, andavano studiando gli astronomi Vesto Slipher (1875-1969) e Shapley, che misurarono su ben 36 nebulose uno spostamento verso il rosso delle righe spettrali, interpretabile- alla luce dell’effetto Doppler-Fizeau-, come una fuga, un allontanamento di queste nebulose. In pratica, la luce emessa da una sorgente a una determinata frequenza, varia, e si sposta verso il rosso, se la stessa sorgente si allontana rispetto all’osservatore. Nel 1922, ne parlò Eddington nel suo fondamentale volume Teoria matematica della relatività, limitandosi, però, a parlare del fenomeno senza azzardare alcuna interpretazione cosmologica. Qui abbiamo una prima prova del grande genio di Lemaitre; a differenza di Alexander Friedmann (1888-1925) - interessato, per lo più, agli aspetti matematici delle teorie-, decise di combinare assieme la globalità dei dati osservativi disponibili all’epoca, in ciò favorito dalla sua presenza al M.I.T., con l’enorme predisposizione per gli aspetti teoretici, traendone, così, il suo primo articolo, pietra miliare della moderna cosmologia: «Un Universo costante e di raggio crescente, che giustifica la velocità radiale delle nebulose extragalattiche». Era il 1927 e Lemaitre, non solo aveva ri-scoperto, in maniera del tutto indipendente, le soluzioni non statiche delle equazioni di Einstein, come Friedmann ma, primo al mondo, le aveva, giustamente, collegate alle “apparenti” velocità di fuga delle nebulose, misurate sperimentalmente; velocità di fuga che, nessuno prima di lui, aveva avuto il coraggio di interpretare cosmologicamente: il “paradigma” di un universo eterno e statico, paralizzava, filosoficamente, anche le menti migliori. In questo modo, preparò un modello di universo nel quale il raggio cresceva in funzione del tempo; inoltre, fu capace di derivare per primo la famosissima relazione tra spostamento verso il rosso delle righe spettrali e distanza delle galassie, che due anni più tardi sarà pubblicata e, da allora universalmente conosciuta, come “legge di Hubble”. Qui la vicenda si tinge di “giallo” e merita di essere raccontata per intero, seppur per sommi capi. Lemaitre aveva raggiunto un risultato eccezionale, interpretando, correttamente, l’osservata e misurata velocità di fuga delle nebulose extragalattiche, in funzione dell’espansione generale del cosmo, nel quadro teorico della Relatività generale. Anziché vincere il premio Nobel per la fisica, l’accoglienza del suo articolo, complice il fatto di averlo pubblicato in francese, su una rivista scientifica del suo paese, quasi sconosciuta, ”Annales de la Societè Scientifique de Bruxelles”, fu simile a quella riservata cinque anni prima all’articolo di Friedmann: quasi nulla. Lui stesso, non citò i precedenti risultati del matematico russo, perché non li conosceva: fu Einstein a parlargliene per primo. L’occasione fu il V Congresso Solvay di fisica, tenutosi a Bruxelles tra il 24 e il 29 Ottobre 1927, dunque lo stesso anno della pubblicazione di Lemaitre; chiese e ottenne di parlare con Einstein, il quale lo liquidò dopo poche battute. Stavolta, però, il padre della Relatività non commise l’errore di correggere la matematica “in bocca” a un altro gran talento, come fece con Friedmann; tuttavia, in mancanza di prove sperimentali e dopo aver segnalato a Lemaitre di aver già sentito questa idea dal collega russo, disse: «I suoi calcoli sono corretti, ma la sua fisica è abominevole». Il pregiudizio filosofico, ancora una volta, predominava: nulla, come il movimento, indica transitorietà, spinge verso un “oltre”, un inizio, una fine e questo, non solo Einstein ma tutto il mondo scientifico coevo, e per la verità anche odierno, dopo decenni di positivismo, non era pronto ad accettarlo. Lemaitre amareggiato, - racconterà anche, che Einstein non sembrava al corrente delle ultime scoperte sulla recessione delle galassie-, decise di soprassedere sul modello di universo in espansione, almeno fino a che non fossero giunte nuove prove o occasioni. Tanto più, che sempre nel 27, aveva mandato una copia del suo articolo all’antico maestro, Eddington, il quale l’aveva archiviato senza neppure leggerlo, nè, tanto meno, dargli una risposta. Prima si è accennato al fatto che, il grande astronomo inglese, è stato croce e delizia per Lemaitre. Vediamo il perché. In uno dei passaggi salienti del suo articolo, Lemaitre facendo uso delle velocità misurate sulle 42 nebulose extragalattiche contenute nel catalogo di Hubble e Stromberg, enunciò, anche da un punto di vista analitico, quella che in seguito diverrà nota come legge di Hubble: la velocità di recessione di una galassia è legata, proporzionalmente, alla sua distanza. Tuttavia, come abbiamo visto, l’articolo di Lemaitre passò inosservato e nel 1929 Hubble ricavò sperimentalmente, quanto Lemaitre aveva previsto teoricamente, legando il suo nome alla legge. L’occasione per un parziale riscatto di Lemaitre, arrivò nel gennaio 1930; quell’anno si tenne a Londra un importante convegno della Royal Astronnomical Society, cui parteciparono, fra gli altri, Eddington e De Sitter. Il tema principale di quella riunione era come interpretare, da un punto di vista cosmologico, i dati sulle velocità di fuga delle galassie, ormai accumulatisi in una quantità tale da rendere ineludibile il problema: ricordiamo, che solo 3 anni prima Einstein non ne era informato… Eddington, propose di iniziare a considerare il caso di modelli cosmologici dinamici. Lemaitre leggendo i resoconti di quella riunione impallidì; si rese conto che discutevano, rimanendo ancora in alto mare, di una questione da lui brillantemente risolta 3 anni prima: era evidente, che l’antico maestro, Eddigton, non aveva letto il suo manoscritto. Prese, prontamente, carta e penna e scrisse al suo mentore, che ciò che lo angustiava era già stato risolto. Bastava leggersi il manoscritto che gli aveva inviato nel 1927. Questa volta Eddington lo lesse e con una punta d’imbarazzo ne inviò una copia anche a De Sitter, come richiesto da Lemaitre. La sua amarezza fu grande, perché sperava di risolvere lui quel problema: tuttavia, la delusione fu attenuata dal fatto che Lemaitre era stato un suo allievo. Da quel momento, le cose, almeno in parte, cambiarono; Eddington fece tradurre in inglese- rendendolo, dunque fungibile da tutta la comunità scientifica internazionale-, l’articolo di Lemaitre, tuttavia dando luogo a un “piccolo”giallo ancora irrisolto. Infatti, se la legge di Hubble, oggi, non è conosciuta come legge Hubble-Lemaitre, è un po’ colpa sua. Ascoltiamo come racconta l’episodio, l’astrofisico Jean-Pierre Luminet: «Qui entra in gioco un piccolo enigma storico. Nella versione inglese tradotta da Eddington, l’unica letta dagli storici della scienza non francofoni, il paragrafo chiave riportato da Lemaitre riportato sopra“Utilizzando le 42 nebulose extragalattiche…”viene sostituito semplicemente da “From a discussion of available data, we adopt R’/R= (…) Così vi compare solo il valore numerico di R’/R e non l’espressione analitica R’/R= v/rc, quella, precisamente, che sarà chiamata legge di Hubble! Caso sfortunato della storia o omissione intenzionale di Eddington? La questione è a tutt’oggi irrisolta». Quel che è certo e che l’opera di Lemaitre, in questo senso, è largamente misconosciuta. Ad acuire una sorta di ingiustizia storica nei confronti di Lemaitre, c’è il fatto, che lo stesso Hubble, ancora nel 1936, nell’opera divulgativa Il regno delle nebulose, dopo essersi definito più un osservatore che un teorico, era ancora molto dubbioso nell’ammettere che la recessione delle galassie, da lui stesso misurata, potesse essere una conseguenza dell’espansione del cosmo. In più, dimostrando di non conoscere o di non aver capito a fondo il lavoro di Lemaitre, commise anche l’errore teorico, da allora ripetuto in molti articoli divulgativi e non solo, di confondere l’effetto Doppler –Fizeau con l’espansione dello spazio, il cui raggio aumenta nel corso del tempo. Per Hubble, infatti, quella delle galassie è una vera e propria velocità di fuga, interpretabile come effetto Doppler, e non, come correttamente sostenuto da Lemaitre, una “fuga”indiretta, dovuta al mutare continuo del raggio cosmico. Un’altra sua grande intuizione fu di analizzare l’inizio dell’universo da un punto di vista quantitativo, cioè scientifico. Fino al 1931, non si era posto il problema dell’inizio dell’universo; il suo modello in espansione, che cominciava, ad avere successo, dal punto di vista fisico non aveva né inizio, né fine. Da qualche tempo, Lemaitre rifletteva sul possibile, e inevitabile, ruolo giocato dalla termodinamica e dalla meccanica quantistica nella nascita dell’universo. Sviluppando un’idea di Friedmann, teorizzò- con oltre quaranta anni d’anticipo, sui teoremi della singolarità, di Hawking e Penrose-, la possibilità che l’universo fosse scaturito da uno stato iniziale singolare, da lui battezzato “atomo primitivo”: prima pensava, che l’universo statico di Einstein fosse la base di partenza del modello in espansione. L’occasione per mostrare tale legame fu data, da una risposta, indiretta, che volle dare a Eddington, il quale in un articolo apparso sulla rivista Nature nel marzo 31, pur lodando il suo ex allievo, affermava- in ciò, in linea con Einstein, sì, di accettare l’espansione dell’universo, ma a differenza di Lemaitre, rifiutava, però, di risalire indietro nel tempo, sino a raggiungere la singolarità iniziale: «Filosoficamente, il concetto di inizio dell’ordine presente della Natura mi ripugna». Ancora una volta, dunque, precomprensioni filosofiche erano opposte ai dati sperimentali: in genere, a essere accusato, perché sacerdote, di pregiudizi dogmatici, era proprio Lemaitre, il quale, invece, per tutta la vita, mantenne sempre rigorosamente distinti- per qualcuno anche troppo…- la nozione di Creazione secondo la filosofia e la teologia, da quella di inizio del tempo secondo la scienza. Il successivo 9 maggio 31, sempre Nature, pubblicò una sarcastica risposta di Lemaitre a Eddington, L’origine del mondo dal punto di vista della teoria quantistica, uno degli articoli, seppur breve, più importanti nella storia della scienza. Dopo aver nominato esplicitamente Eddington all’inizio, ne confuta la tesi, avversa all’inizio del cosmo, combinando termodinamica e meccanica quantistica. Espresse il primo principio della termodinamica, come energia esistente sotto forma di quanti, discreti, e di valore costante e il secondo, come un aumento incessante del numero dei quanti, quindi concluse: «Risalendo il corso del tempo, dobbiamo trovare un numero sempre minore di quanti, fino a trovare tutta l’energia dell’universo concentrata in un piccolo numero di quanti, o addirittura in un solo quanto». Quest’unico quanto poi, in un articolo pubblicato nel novembre dello stesso 31 e intitolato L’espansione dello spazio, diverrà l’idea basilare della nascita dell’universo dall’“atomo primitivo”. Sintetizzando, per l’astronomo abate il cosmo si era formato per disintegrazione successiva da quell’unico quanto. Lemaitre, giustamente, comprese che prima della singolarità iniziale, i concetti di spazio e tempo non esistevano, perdevano di significato. Queste le sue parole: «Possiamo immaginare che lo spazio abbia avuto inizio con l’atomo primitivo e che l’inizio dello spazio abbia segnato anche l’inizio del tempo». Comprese, in ciò andando nettamente oltre Friedmann, che il macro-Universo, -stelle e galassie-, era inscindibilmente collegato col micro-Universo, atomi e particelle. Fu il primo, dunque, a concepire il limite, invalicabile, - Era di Planck-, della fisica nello studio dell’universo; una limitazione sulla quale, come dice l’astrofisico Luminet, non esiste nessuna indicazione che possa essere oltrepassata. L’abate Lemaitre, ci ha lasciato una profonda riflessione sul possibile significato teologico dell’era di Planck; abbiamo già visto, che era molto discreto, circa la sua Fede, pertanto amava particolarmente un passo del profeta Isaia, laddove dice: «Vere tu es Deus absconditus Deus Israhel salvator». (Is 45,15). Pensando al Dio nascosto di Isaia, così commentò le sue scoperte: «Penso che chiunque creda in un Essere supremo che sostiene ogni essere e ogni azione, creda anche che Dio sia sostanzialmente nascosto e si possa rallegrare nel vedere che la fisica attuale offre un velo che nasconde la creazione». Poco prima della sua morte, avvenuta il 20 giugno 1966, ebbe la fortuna di vedere premiate le “fatiche”di una vita; la sua teoria dell’atomo primitivo- già allora, più conosciuta come Big Bang-, con la scoperta della radiazione fossile di fondo, si accreditava definitivamente come la più completa, per spiegare l’universo in cui viviamo. A informarlo, provvide l’amico e collaboratore Odon Godart (1913-1996), astronomo e meteorologo- celebre per aver previsto, a differenza dei meteorologi tedeschi, che fecero abbassare la guardia ai loro comandi militari, una pausa di bel tempo, per la mattina del 6 giugno 44, che convinse gli Alleati allo sbarco in Normandia -: era stato ritrovato «Il bagliore perduto della formazione dei mondi», come lo aveva, poeticamente, descritto mons. Lemaitre. Il suo commento fu: «Sono contento Ora, almeno, è dimostrato». Termino riportando un’acuta riflessione dell’astronomo William MCcrea (1904-1999), sull’importanza dell’opera di Lemaitre: «Einstein, Eddington e Milne sono forse stati scienziati più importanti di Lemaitre, in ogni caso più celebri alla loro epoca. Ma, per quanto riguarda la cosmologia e la sua importanza per l’astronomia, Lemaitre ha dato un contributo maggiore. Ciò che ha detto era più sensato».

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