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Giovedì, 19 Ottobre 2017

I padri (nascosti) del Big Bang: Ralph Alpher e Robert Herman

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Gamow(1904-1968), dunque, aveva “consegnato” a Ralph Alpher( 1921-2007) un buon punto di partenza: ora occorreva affinare i calcoli, per capire come avesse avuto luogo l’interazione tra protoni e neutroni nei processi di nucleo sintesi stellare, subito dopo il Big Bang. In particolare, si concentrarono sul problema della formazione dell’elio, per spiegarne l’evidenza osservativa. Comprendere il processo di nucleo sintesi stellare, significava sciogliere il nodo cruciale delle sezioni d’urto fra le particelle coinvolte. In breve, la sezione d’urto misura la grandezza della superficie che una particella “offre” all’altra per interagire. Con un esempio, sarà tutto più chiaro. Immaginiamo di essere in una stanza con un amico e di lanciarci,vicendevolmente, dei grossi palloni di peluche-quelli morbidi,usati dai bambini- , l’uno contro l’altro: avremo molte probabilità di farli scontrare. Viceversa, se ci lanciamo contro delle palline da ping-pong, sarà estremamente improbabile far avvenire una collisione. Conoscere, quindi, le sezioni d’urto della particelle, equivale a calcolare le probabilità e le dinamiche del processo di nucleo-sintesi. Fortunatamente, per Gamow e , soprattutto, per Alpher, che eseguiva materialmente i calcoli, proprio in quegli anni, il Dipartimento di Sicurezza degli Stati Uniti stava togliendo il segreto di Stato sulle misurazioni d’urto nucleare. Queste misurazioni erano indispensabili per capire quanto uranio dovesse essere usato sia nel caso di reazioni nucleari incontrollate, es. Bombe atomiche, sia controllate, come nelle centrali nucleari. Maggiore era la sezione d’urto, e più alta sarebbe stata la possibilità di un’interazione nucleare, con conseguente diminuzione dell’uranio impiegato Nessuno, all’epoca, aveva pensato di usare dati bellici, per applicarli al problema dell’origine dell’universo: ciò testimonia la grandezza del genio di Alpher, il quale, ricordiamolo, in pratica, era ancora uno studente che, in questo modo, stava preparando il suo dottorato! Insieme al suo professore, Gamow, studiò per tre anni il problema, fino a che non fu in grado di giustificare da un punto di vista matematico, la proporzione,realmente osservata, di un nucleo di elio ogni dieci di idrogeno. Applicando le leggi della fisica nucleare alle condizioni iniziali dell’universo, nel quadro del Big Bang caldo-teorizzato da Gamow-, aveva dimostrato che l’universo si era evoluto e non poteva essere eterno: un’altra grande prova a favore del Big Bang. Mancava, è vero, una spiegazione della nucleo sintesi degli elementi più pesanti, tuttavia, aveva spiegato al mondo come mai oltre il 99% dell’universo fosse costituito da idrogeno ed elio. Ogni precedente tentativo di giustificare la presenza dell’elio a partire dalle stelle, si era rivelato infruttuoso: le reazioni nucleari stellari erano troppo lente e potevano giustificare solo una minima frazione dell’elio osservato. In questa occasione si rivelò, ai danni di Alpher, tutta la carica istrionica di Gamow: nell’eccitazione del momento, nel consegnare l’importantissimo articolo alla rivista Physical Rewiew, che doveva pubblicarlo il primo aprile- pesce d’aprile…- 48, il fisico sovietico, senza che nessuno sapesse nulla, aggiunse all’ultimo momento il nome del fisico Hans Bethe (1906-2005),- noto per i suoi studi sulle reazioni termonucleari nelle stelle che gli varranno il Nobel per la fisica nel 1967- allo scopo di ottenere, con riferimento alle iniziali greche del nome di ciascun autore, nel titolo dell’articolo, il seguente gioco di parole: Alpher(alfa), Bethe(beta), Gamow(gamma)!Da allora,infatti, questo pezzo,che è uno dei più importanti mai scritti nella storia della scienza, è unanimemente conosciuto come articolo alfa,beta,gamma. La qual cosa, ovviamente, offese, e a ragione, il povero Alpher: essendo,di gran lunga il più giovane e il meno titolato dei tre, temeva,come infatti avvenne, di essere sottovalutato… Torniamo alle vicende scientifiche strictu senso. Ora, c’erano due grosse prove a favore del Big bang; l’espansione dell’universo e le abbondanze relative di idrogeno ed elio. Tuttavia, restavano alcune difficoltà,apparentemente insormontabili: non si trovava la via,nel quadro del big bang, per produrre gli elementi più pesanti dell’elio. Anzi, le ricerche sembravano giunte ad un punto morto: nel procedere dall’elio al carbonio, si giungeva al cosiddetto crepaccio 5,problema che vedremo in seguito, e la catena di nucleo sintesi si arrestava. Mentre discutevano di questi problemi, Gamow ed Alpher, furono avvicinati da Robert Herman(1914-1997), altro giovane fisico,figlio di emigrati russi ebrei come Alpher. Soprattutto i due giovani ricercatori, si applicarono ad un altro aspetto del problema del Big Bang. Partirono dall’epoca studiata dal pezzo Alfa,Beta,Gamma: l’universo era ormai troppo freddo per continuare a produrre elementi attraverso la fusione nucleare, ma era ancora abbastanza caldo da sussistere nel quarto stato della materia: il plasma. Ricordiamo brevemente gli stati della materia: solido,ES ghiaccio, nel quale i legami fra le molecole sono stabili e forti; liquido, nel quale ,grazie alla fornitura di energia i legami fra molecole si allentano, divenendo fluidi, come l’acqua che beviamo; gassoso, nel quale ulteriore energia ha rotto ogni legame fra molecole,che sono,così, libere di vagare, ES vapore; plasma, nel quale l’energia in gioco è tale che, non sussistono più neanche gli atomi, completamente separati in nucleo ed elettroni ,liberi di vagare, come nel neon che accendiamo ogni sera…Da qui ripartirono Alpher ed Herman, con un ‘ulteriore novità rispetto allo studio Alfa,Beta,Gamma: effettuarono i loro calcoli, nel quadro offerto dal modello di universo in espansione,anziché statico. Questo cambio di “paradigma”, fu decisivo. A circa un’ora dalla creazione, l’universo si presentava pieno di elettroni, con carica elettrica negativa, che inutilmente cercavano di “accoppiarsi”, con i nuclei di idrogeno, protoni con carica elettrica positiva: questo perché, la naturale “attrazione”di tipo elettrico era sovrastata, in termini quantitativi, dall’energia fornita da una temperatura ancora troppo alta, che costringeva elettroni e protoni a sbattere gli uni contro gli altri, senza potersi legare a formare nuclei stabili di idrogeno ed elio. Inoltre, questo Universo giovanissimo è ripieno di fotoni, i quanti di luce, i quali hanno una speciale affinità con gli elettroni che vagano liberi nello spazio. Risultato: il cosmo, seppur ripieno di luce, è in realtà buio, perché i fotoni legandosi con gli elettroni non riescono a propagarsi e, dunque, ad illuminare.

In questo contesto si inserisce il grande lavoro di Alpher ed Herman; nel quadro di un universo non statico, si chiesero cosa sarebbe accaduto a quel mare di plasma-ribattezzato Ylem- inserendo nei calcoli i fattori tempo ed espansione. Fu la svolta decisiva. Inserendo quelle variabili nei calcoli, si accorsero di un risultato sbalorditivo; l’energia in un universo in espansione, disperdendosi in un volume progressivamente crescente, diminuisce fino ad arrivare a una soglia critica al di sotto della quale il plasma cessa di essere tale, permettendo, così’, agli elettroni di rallentare producendo due risultati gravidi di conseguenze: primo, la formazione di nuclei leggeri, come idrogeno ed elio. Secondo, i fotoni si “liberano” dall’abbraccio “mortale” con gli elettroni; ora, essendo liberi di vagare, accendono l’universo,che termina di essere opaco e buio. Il talento matematico di entrambi, consentì ad Alpher ed Herman di fare dei calcoli e una previsione molto precisa e decisiva nella storia della scienza. Calcolarono che lo stato di transizione dal plasma agli atomi doveva avvenire ad una temperatura di circa 3000 K e circa 300 mila anni dopo la creazione dell’universo. A questo passaggio fu dato il nome di ri-combinazione. Contestualmente, ebbero la geniale intuizione di comprendere che quella “luce” liberatasi al momento della ri-combinazione con una energia altissima, doveva trovarsi ancora oggi,uniformemente, in tutto lo spazio ad una temperatura,naturalmente, molto inferiore; a motivo ,come abbiamo già visto, che i fotoni sono incapaci di interazioni con gli atomi elettricamente neutri formatisi con la progressiva espansione/raffreddamento dell’universo. Calcolarono che ad una temperatura di 3000 k questa luce dovesse avere una lunghezza d’onda di circa un millesimo di millimetro, mentre, per i nostri giorni , stimarono, a causa dell’avvenuto raffreddamento una lunghezza d’onda di circa un millimetro, invisibile dall’occhio umano, ma potenzialmente rilevabile da apparecchiature appositamente costruite.

In conclusione: scrissero che il cosmo intero avrebbe dovuto essere permeato da una debole radiazione di fondo, nel campo delle micro-onde, proveniente in modo uniforme da tutte le direzioni, stimando per essa una temperatura di circa 5 K! Andarono vicinissimi al bersaglio. Ora era possibile fare ricerche e accettare definitivamente la teoria del Big bang: dopo l’espansione dell’universo, e il calcolo delle percentuali di idrogeno ed elio iniziali, un altro tassello era stato potenzialmente trovato. Se i due avessero sbagliato, il modello Big Bang sarebbe stato affossato, diversamente avrebbe trionfato. A questo punto, accade qualcosa di incredibile, sembra quasi una “ maledizione”, per chi lavora alla teoria del Big bang: una serie di circostanze sfortunate attenuerà ,per decenni, e si concluderà ,comunque, con la mancata assegnazione del premio Nobel ai tre e in particolare , velerà nell’opinione pubblica, i meriti reali di Alpher ed Herman, un po’ meno quelli di Gamow. In sintesi; nel 48, Gamow manda prima alla rivista Nature e poi a al duo Alpher-Herman, un articolo sull’universo primordiale. I due, che stavano per inviare, alla stessa rivista, l’articolo con la famosa previsione della radiazione fossile(5K), si accorgono di un errore matematico nel lavoro dell’antico maestro e lo avvisano; quest’ultimo,- essendo ormai troppo tardi per ritirare o correggere l’articolo-,correttamente, segnala il fatto al Direttore di Nature, pregandolo di pubblicare nel numero immediatamente successivo, la correzione di Alpher-Herman: così avvenne. Nei cinque anni successivi, Gamow pubblicò altri 3 articoli nei quali propose, per la radiazione fossile, valori variabili fra i 3k e i 7K, senza darne ,tuttavia, un’adeguata giustificazione matematica. Gamow,nei suoi pezzi,stavolta, non citò mai i lavori più corretti dei suoi ex-allievi e ciò determinerà un loro maggiore oblio nella coscienza collettiva. Oblio,però, che ,seppur in misura minore, colpì anche lo stesso Gamow. Vediamo come. Incredibilmente, tra il 48’ e il 64’, nessuno si prende né la briga di leggere i lavori pionieristici dei 3 sulla radiazione fossile, né, tantomeno, di ricalcolarla in maniera indipendente. Una sorta di incomunicabilità impediva di passarsi i risultati tra fisici sperimentali e teorici; una situazione,questa, così descritta dall’astrofisico Jean-Pierre-Luminet:”I teorici non sapevano che una radiazione di bassissima temperatura fosse rilevabile sperimentalmente, e gli sperimentali non sapevano che potesse esistere una radiazione dell’universo primitivo”. Le difficoltà attraversate dai tre,anni dopo, furono così riassunte da Alpher:”Spendemmo un sacco di energia tenendo discorsi sul nostro lavoro. Nessuno ci diede ascolto; nessuno diceva che poteva essere misurata”. Questo accadeva tra il 48 e il 53. In quel momento storico, il modello del Big Bang segnava il passo: l’incapacità persistente a spiegare come si erano formati gli elementi più pesanti, lo relegava dietro al modello stazionario di Hoyle (1915-2001) , Hermann Bondi(1909-2005) e Thomas.Gold (1920-2004) ! Pertanto, oltre dieci anni dopo, nel 64, nessuno nemmeno si ricordava più del loro lavoro pionieristico sulla radiazione fossile; l’idea del Big Bang,dunque, era posta in una posizione d’attesa e solo la scoperta della radiazione fossile avrebbe potuto salvarla. Così avvenne, per un caso ,forse, più unico che raro di serendipità- cioè di scoperta casuale, mentre si cerca altro- nella storia della scienza. Verso la metà degli anni 60’ Arno Penzias e Robert Wilson, due radioastronomi che lavoravano per i Laboratori Bell, impegnati nelle telecomunicazioni, chiesero e ottennero dalla Compagnia l’utilizzo di una gigantesca antenna a tromba, poi trasformata in radiotelescopio, per monitorare la purezza dei segnali radio provenienti dal cielo. In pratica, si proponevano di trovare un modo per eliminare il rumore, cioè un’interferenza casuale che “sporca” il segnale radio di origine celeste. Puntarono l’antenna su porzioni di cielo prive di radiosorgenti, aspettandosi di trovare, dunque, solo un disturbo trascurabile. Diversamente, rimasero assai sorpresi nel rilevare un livello di rumore abbastanza elevato, quasi fastidioso. Formularono diverse ipotesi, dando man mano la colpa perfino alle deiezioni di due piccioni! Ma il rumore rimaneva lì; perplessi, da bravi scienziati, cercarono a fondo una spiegazione plausibile: mai e poi mai, non essendo minimamente a conoscenza dei lavori di Gamow, Alpher ed Herman, avrebbero pensato di collegare quel “rumore” fastidioso al momento stesso della creazione! Quasi in contemporanea, il gruppo di lavoro facente capo ai fisici Robert Dicke81916-1997) e James Peebles, anch’essi all’oscuro delle predizioni di Gamow, Alpher ed Herman, predisse l’esistenza di una radiazione fossile. Fortunatamente, Penzias aveva parlato di questo problema con Bernard Burke, il quale era a conoscenza del lavoro di Dicke e Peebles e, finalmente, in poco tempo il mistero fu risolto. La scoperta della radiazione fossile era la prova regina a favore del Big bang. Grandi onori, Nobel compreso, piovvero addosso a Penzias e Wilson, mentre continuò l’oblio per Gamow,Alpher ed Herman e soprattutto per gli ultimi due ,opacizzati anche da Gamow. Questa vicenda insegna ancora una volta ,semmai ce ne fosse bisogno, che, in realtà, i pregiudizi filosofici sono sempre prepotentemente all’opera, anche nella scienza. Il vero motivo,infatti, della’dimenticanza, per tanti anni, del lavoro del trio Gamow,Alpher ed Herman , ha a che fare con le implicazioni filosofiche dello stesso. Uno dei più grandi fisici del novecento, Steven Weinberg, Nobel nel 1979, lo scrisse candidamente , nel suo libro divulgativo di maggior successo,I primi tre minuti. Dopo aver elencato le prime due cause scrive:”In terzo luogo, ed è questo a mio avviso l’elemento più importante, la teoria del Big Bang non condusse a una ricerca del fondo di radiazione cosmica di 3 K perché era estremamente difficile per i fisici prendere sul serio qualsiasi teoria sulle origini dell’universo”(…)L’aspetto più rilevante della recente scoperta della radiazione di fondo di 3 K è stato quello di costringerci a considerare seriamente l’idea che l’universo abbia avuto un inizio”..Non meno chiaro, fu uno degli scopritori della radiazione fossile,Arno Penzias, che dopo aver “affossato”il modello eterno ed increato di Hoyle, disse:”Ho imparato la cosmologia da Hoyle al Caltech e mi piaceva molto l’universo dello stato stazionario. Da un punto di vista filosofico continua a piacermi.”Recentemente, anche Papa Francesco è tornato sulla questione. Riflettendo sul Big Bang ,ha detto:” L’inizio del mondo non è opera del caos che deve a un altro la sua origine, ma deriva direttamente da un Principio supremo che crea per amore. Il Big-Bang, che oggi si pone all’origine del mondo, non contraddice l’intervento creatore divino ma lo esige. L’evoluzione nella natura non contrasta con la nozione di Creazione, perché l’evoluzione presuppone la creazione degli esseri che si evolvono”. .(…) Lo scienziato dev’essere mosso dalla fiducia che la natura nasconda, nei suoi meccanismi evolutivi, delle potenzialità che spetta all’intelligenza e alla libertà scoprire e attuare per arrivare allo sviluppo che è nel disegno del Creatore”.

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