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Mercoledì, 13 Dicembre 2017

I Padri (nascosti) del Big Bang: Fred Hoyle

Può sembrare bizzarro, o addirittura sbagliato, considerare il poliedrico  scienziato‒ fisico, astronomo, matematico ed anche fervido scrittore di fantascienza‒, inglese Fred Hoyle (1915-2001), come uno dei padri del big bang; in realtà, nel prosieguo di questo articolo, cercherò di mostrare che non è affatto così. Anzi, per uno strano “scherzo del destino”, Hoyle, al pari di tutti i protagonisti effettivi di questa esaltante avventura scientifica, ‒ che ha condotto l’uomo contemporaneo a capire qualcosa circa l’origine dell’universo ‒, “condivide” con i “rivali” Lemaitre, Gamow,Alpher ed Herman, la strana sorte di veder misconosciuti i propri meriti nell’ambito della comunità scientifica. Anche ad Hoyle, infatti, ‒ non meno istrionico e geniale di Gamow, e forse proprio per questo ‒, fu negato clamorosamente il Premio Nobel per la Fisica. Ma procediamo con ordine; questa storia è intrigante e meritevole di essere raccontata, pur nei limiti di un articolo divulgativo. Nel 1948, in alternativa alla teoria del Big bang, troppo simile ,secondo i tre scienziati britannici,a quanto narrato nella Genesi, propose ‒ assieme ai colleghi Bondi e Gold, la teoria dello Stato stazionario. Nodo cruciale di quel modello interpretativo dell’universo,era il cosiddetto principio cosmologico perfetto: in base ad esso, l’universo resterebbe invariato non solo nello spazio, ma anche nel tempo. In pratica, si credeva ad un cosmo spazialmente e temporalmente infinito, così che si potesse giustificare ‒ questo il retro pensiero dei tre, il proprio ateismo. Poiché non si poteva negare la recessione delle galassie ‒ come abbiamo visto nei pezzi precedenti ‒, si ipotizzò ,che se ne  formassero continuamente delle nuove , per rimpiazzare quelle in fuga. Come si formavano le nuove galassie? Postularono dei campi di “creazione continua”, che avrebbero dovuto “generare”un atomo di idrogeno ogni chilometro cubo di spazio: tanto sarebbe bastato, per sostituire le galassie in fuga e far apparire l’universo uniformemente riempito di galassie,ovunque si guardasse. Pensarono di “sfuggire”all’onere della prova sperimentale, facendo notare che il ritmo con il quale apparivano i nuovi atomi era così lento, che sarebbe stato impossibile misurarlo. Come se, grande osservazione di  padre Stanley Lewis Jaki (1924-2009), l’effettiva esistenza di una cosa, dipendesse dalla sua esatta misurazione!  In effetti, nei primi tempi, quando la strumentazione degli astronomi era tecnicamente inadeguata, sembrava davvero così. Se consideriamo poi, che la teoria del Big Bang, dopo i successi iniziali, si era arenata di fronte a un paradosso logico non meno grave, l’universo sembrava molto più giovane delle stelle in esso contenute (!), il quadro era completo: c’era spazio sufficiente per lavorare dai due versanti. Entrambe le teorie, invece, non riuscivano a spiegare la formazione degli elementi pesanti della Tavola periodica: era il famoso problema ‒ già accennato nei pezzi precedenti ‒ della mancanza della fantomatica massa 5 stabile ‒ in realtà, anche la 8 ‒ , che aveva bloccato i pur brillanti risultati di Gamow, Alpher ed Herman. Si era in una situazione di stallo, di quasi parità; “quasi”,perché il Big bang spiegava bene la formazione degli elementi leggeri, cosa strutturalmente impossibile alla teoria dello stato stazionario, che non poteva contemplare al suo interno, per  sua stessa natura, un universo primordiale estremamente denso e caldo: l’universo, nel modello stazionario, doveva essere sempre stato così come lo osserviamo oggi. Tuttavia, sui media e, conseguentemente, presso il grande pubblico, grazie alla loquacità e alla capacità comunicativa di Hoyle, “vinceva” lo Stato stazionario. A questo punto accadde il primo colpo,che,ironia della sorte, ad opera proprio di Hoyle(!) portò acqua al mulino del Big Bang. Tra il serio e il faceto, questa storia, romanzandola un po’, pur senza alterarla nella sostanza, così la racconta il fisico Amedeo Balbi: «Il fatto è che, a Hoyle, un universo che avesse origine con un'esplosione non andava proprio giù. Un giorno, durante una trasmissione radiofonica della BBC, ridicolizzò persino l'avversario: «Un botto, ma ve lo immaginate, dovremmo credere che tutto è cominciato con un "grande botto"; ah‒ah, non siamo ridicoli». L'ufficio marketing della concorrenza si diede una manata in fronte: «Big bang! Ecco il nome che cercavamo!» Certo, se pensiamo che prima di quella storica trasmissione radiofonica, la teoria del Big Bang era conosciuta come il modello di evoluzione dinamica, allora l’importanza del nome emerge in tutta la sua valenza: da quel momento, per tutti, la teoria dell’origine dell’universo, divenne nota come Big Bang.  Hoyle, dunque, senza volerlo, contribuì alla popolarità del modello Big Bang, battezzandolo con un nome tanto efficace quanto duraturo! Ma il suo apporto alla causa del Big bang, non finì qui,anzi! Ben più sostanziosa fu la sua ricerca sulla nucleo sintesi stellare. Un caso clamoroso, nella storia della scienza, di eterogenesi dei fini; cioè, finisco col rinforzare, con il mio impegno, una causa che volevo indebolire…, se non annullare! Nel frattempo, nel 1952,  nuovi lavori di misurazione, atti a determinare con maggior precisione la distanza della galassia di Andromeda, ‒ utilizzata, a sua volta, come parametro base col quale determinare l’intera scala spaziale del cosmo ‒,  tramite le stelle variabili ‒ simili alle cefeidi ‒ RR Lyrae , consentirono all’astronomo Walter Baade (1893-1960), di  ri-calibrare anche l’intera scala temporale dell’universo, risolvendo,così, brillantemente, l’annoso problema di un cosmo più giovane delle sue stesse stelle. Un altro ostacolo, contro il modello del Big bang, era stato, dunque, rimosso. Rimaneva da capire come, a partire dagli elementi leggeri formatisi durante il Big bang, si fosse poi giunti alla formazione dei nuclei più pesanti. A dire il vero, un tentativo di risposta fu abbozzato dal grande astronomo Sir Arthur Stanley Eddington (1882-1944), che indicò nelle stelle una possibile soluzione. Tuttavia, rimase lontano dal cuore del problema. Infatti, per fondere i nuclei pesanti occorrono temperature nell’ordine dei miliardi di gradi, mentre le stelle, nel corso della loro vita regolare, raggiungevano al massimo la temperatura di qualche decina di milioni di gradi. Inoltre, la questione era complicata da un dato ulteriore; ogni elemento richiedeva la sua temperatura; per cui,per esempio, se una stella fosse stata in grado di “cucinare”atomi di neon, non sarebbe stata in grado, però, di produrre silicio e viceversa. La situazione si presentava molto ingarbugliata; ogni elemento necessitava del suo particolare “forno da cottura”, designato specificatamente per esso. Dove trovare, dunque, tante fornaci,appositamente  create? La risposta di Eddington di guardare alle stelle era giusta nei fatti, ma non spiegava assolutamente il come, apparendo,anzi, contraddittoria: nessuna stella era abbastanza calda da andare oltre gli elementi già cotti nel Big Bang.  Per risolvere l’appassionante enigma, ci volle il genio di Hoyle. Fin da giovane, cercò di risolvere il problema della nucleo sintesi stellare, iniziando a lavorarci su sul finire degli anni 40’; una prima svolta ci fu, quando comprese che doveva indagare nelle varie fasi di passaggio della vita di una stella. In pratica, possiamo paragonare le stelle a tanti palloncini gonfiabili per bambini, quelli che si vendono durante le feste patronali. Un palloncino,appena comprato, è in equilibrio, perché sono  identiche e la forza della sottile pellicola che spinge verso il basso per comprimerlo e la forza espansiva del gas interno, che tende a farlo esplodere. Parimenti, le stelle lungo la maggior parte della loro vita sono in perfetto equilibrio tra l’attrazione gravitazionale verso il basso,che tende a farle collassare e la pressione verso l’esterno generata dai gas caldi. Hoyle cominciò ad indagare, su cosa sarebbe accaduto ad una stella in fase terminale,quando il raffreddamento subito a causa della fine dell’idrogeno non sarebbe più stato in grado di contrastare la forza di gravità. Prima geniale intuizione; lo scienziato britannico capì, che questa fase non coincideva con la fine della stella,anzi. La pressione degli stati sovrastanti in caduta libera, avrebbe portato il nucleo stellare a riscaldarsi e a “riaccendersi”a temperature sempre maggiori: il che avrebbe comportato la sintesi di elementi via,via più pesanti. Infine, a conclusione del processo, dopo alcuni cicli, nelle stelle più massicce, l’implosione finale avrebbe comportato , per effetto di una gigantesca onda d’urto, all’esplosione del nucleo ‒ supernova ‒ con seguente diffusione nello spazio circostante di atomi più pesanti. Da qui, la nascita di nuove stelle,di seconda generazione, e così via in un gigantesco processo di formazione degli elementi. Hoyle riuscì a calcolare, a tavolino, con estrema precisione, quali e quanti elementi una singola stella‒in base alla sua massa di partenza‒ poteva produrre nel corso della sua esistenza: in pratica, trovò una soluzione convincente per giustificare l’abbondanza dei vari elementi, spiegando perché l’oro e il platino,ad ES, sono così rari e ,dunque, preziosi! Le stelle erano realmente quei crogioli all’interno dei quali erano stati “cotti” tutti gli elementi del cosmo . Senza volerlo, tra l’altro, lui, che era ateo, aveva tolto anche un argomento “razionale”a chi vedeva nella cosiddetta “prodigalità”dell’universo, una base per il proprio ateismo. Così, ad ES, la pensava la nota psicologa Margaret K Knight(1903‒1938) autrice di un celebre testo, Morale senza religione, che giustificava il suo ateismo, basandosi sul cosiddetto argomento della “prodigalità” dell’universo:«Se la vita è lo scopo della creazione, quale sarebbe allora la ragione di innumerevoli milioni di mondi senza vita? O delle ere immense del tempo astronomico, prima che la vita esistesse?La Chiesa si è rivolta non senza difficoltà a queste domande, ma non vi ha mai risposto». Argomento, questo, che era usato ancora trent’anni dopo la soluzione trovata da Hoyle, dalla notissima, un’altra Margherita…, astronoma, Margherita Hack (1922-2013), la quale, sorprendentemente, in un’intervista rilasciata ‒ nel 1987 ‒ allo scrittore Vittorio Messori, dimostrava di non conoscere, almeno nelle sue implicazioni filosofiche, la scoperta di Hoyle. Ascoltiamola: «Ma che meta, ma che scopo vuole che abbia l’universo? L’astronomo constata che c’è in esso un tale spreco di energia! Mondi che nascono,che muoiono, che si distruggono a vicenda, che si autodistruggono. No, c’è troppo spreco perché questo risponda a un programma, tenda a un fine». In maniera altrettanto sorprendente, Messori, pur non conoscendo, probabilmente, il lavoro di Hoyle ‒, e non era tenuto a farlo,non essendo un astrofisico ‒, fece una domanda molto pertinente: «Chi ci assicura poi che siano davvero sprechi e non rispondano a qualche necessità che sfugge alla nostra piccola mente e che si inserisce invece nella logica interna e nascosta di un sistema dove ogni cosa è legata a un’altra?» . Messori ,infatti, aveva ragione; i cosiddetti “sprechi”,addotti dalla Hack come giustificazione per negare un Ordinatore/Creatore al cosmo, erano già stati ampiamente spiegati da Hoyle e, anni dopo, così felicemente sintetizzati, dal giornalista scientifico inglese Mark Chown: «Miliardi, decine di miliardi, forse addirittura centinaia di miliardi di stelle sono morte perché noi potessimo vivere. Il ferro nel nostro sangue,il calcio nelle nostre ossa, l’ossigeno che riempie i nostri polmoni ogni volta che inspiriamo: sono usciti tutti dalle fornaci di quelle stelle che hanno cessato di esistere molto prima della nascita della Terra». Così, partendo dal processo di nucleo sintesi stellare scoperto da Hoyle, ha risposto il fisico e matematico di Oxford Peter E. Hodgson, all’argomento della prodigalità:«Perché questa apparente prodigalità? Ora vediamo la risposta: tutta questa stupenda evoluzione era necessaria perché adatta alla vita dell’uomo. Il processo di nucleo sintesi, attraverso cui, gli elementi che costituiscono il corpo dell’uomo sono stati creati all’interno delle stelle, ha richiesto miliardi di anni; e durante questo tempo le galassie che contengono queste stelle si sono inevitabilmente mosse attraverso enormi distanze dal loro punto di formazione. Dunque l’universo deve essere così grande e così antico, per poter essere preparato come casa dell’uomo». L’argomento della prodigalità, dunque, ha finito col rovesciarsi contro le intenzioni dei suoi stessi fautori. Torniamo ad Hoyle e al suo lavoro sulla nucleo intesi: al suo successo, per essere completo, mancava ancora un tassello e non era cosa da poco. Nonostante i suoi calcoli mostrassero chiaramente, che in ogni stella l’idrogeno era convertito in elio e questi in carbonio,  dando l’avvio, così, alla formazione degli elementi più pesanti, tuttavia, non era in grado di spiegare “come” ‒ che è il proprium della scienza ‒ si passava dall’elio al carbonio. In pratica, di fronte ad Hoyle si poneva lo stesso ostacolo, che aveva già bloccato Gamow, Alpher ed Herman: l’assenza della famigerata ed instabile massa 5 e l’altrettanto sfuggente massa 8. In breve; durante i primi sessanta secondi del Big Bang, i fotoni altamente energetici, si erano ,sequenzialmente, trasformati in: protoni( particelle di massa 1); questi, in deuterio (particelle di massa 2); trizio (particelle di massa 3); Elio‒4 (particelle alfa, di massa 4). Dopo di che il blocco; mancando una particella di massa stabile 5, non c’era ‒ apparentemente ‒ modo di procedere oltre e di arrivare agli elementi basilari della vita : il carbonio (massa 12) e l’ossigeno (massa 16). A questo punto  Gamow, i cui studi erano stati bloccati proprio da questo inghippo, se la “prese” con Dio e… con Hoyle!. Ecco una sintesi della sua parodia: «In principio Dio creò le radiazioni e l’Ylem […] E Dio disse: “sia la massa 2” E la massa 2 fu […] E Dio continuò la numerazione finché arrivò agli elementi transuranici […] Ma quando contemplò il suo lavoro, Egli vide che non era buono […] nella foga di contare, si era dimenticato la massa 5, e così naturalmente, non fu possibile dare forma ad alcun elemento pesante». Poi, continuò Gamow, Dio si seccò di questo errore e voleva annientare tutto, per ricominciare da capo, ma ricordandosi di essere Onnipotente, ricorse ad una via difficile! Sentiamolo ancora: «E Dio disse: Sia Hoyle. E Hoyle fu. […] Hoyle decise di creare gli elementi pesanti nelle stelle e, di diffonderli per mezzo di esplosioni di supernovae». Gamow, proseguendo, nella sua ironia, affermò che Dio ed Hoyle fecero un patto; quest’ultimo doveva attenersi alle abbondanze chimiche stabilite dall’Onnipotente… per poi concludere sarcasticamente: «Così, con l’aiuto di Dio, Hoyle creò gli elementi pesanti nelle stelle, ma l’impresa fu talmente complicata che adesso né lui né Dio né nessun altro possono spiegarne le dinamiche». In effetti, l’impasse era notevole, ma Hoyle non era certo il tipo che si arrendeva facilmente. Partendo dal presupposto ‒ evidentissimo(!) ‒ della sua stessa esistenza personale, dedusse,che in qualche modo il carbonio 12,così come l’ossigeno 16, elementi indispensabili alla vita, dovevano essersi formati nelle stelle mediante reazioni nucleari, partendo da idrogeno ed elio. Mai intuizione fu più felice. Alla vigilia della grande scoperta di Hoyle, lo status quaestionis era il seguente: per arrivare a formare carbonio 12, teoricamente, vi erano due strade. La prima, prevedeva la collisione contemporanea di tre nuclei di elio‒4; fu subito scartata, perché le probabilità di trovare contemporaneamente tre nuclei di elio con la giusta velocità, nello stesso istante e nel medesimo luogo, erano pressoché nulle. La seconda, più praticabile, era ,tuttavia, altamente improbabile: 2 particelle alfa (elio‒4) si combinavano per formare berillio 8. Poi un’altra particella alfa si combinava con il berillio formatosi, per arrivare al carbonio 12 e, infine, carbonio 12, con altra particella alfa dava ossigeno 16. Se questo, sulla carta, era lo schema, tuttavia, i problemi sorgevano nella pratica. Abbiamo detto che la massa 8 era altrettanto problematica e sfuggente quanto la 5. Il berillio‒8, infatti, le rare volte in cui si forma è estremamente instabile; vive per meno di un milionesimo di miliardesimo di secondo: quindi, solo in quel lasso di tempo inconcepibilmente breve, poteva essere “colpito” da un nucleo di elio‒4, per formare il carbonio 12. In più, c’era un altro problema; la somma di elio‒4 con il berillio‒8, dava come risultato, una massa risultante di carbonio 12 “lievemente”maggiore del normale. In quell’aggettivo, c’era il problema: l’eccesso di massa avrebbe rallentato la reazione allungandone i tempi; tempo, però, di cui il berillio‒8 non dispone . A questo punto, mentre Gamow e gli altri si arresero, Hoyle ebbe un’intuizione geniale, una delle più grandi nella storia della scienza. Partendo dalla relatività di Albert Einstein (1879-1955) e dall’equazione più famosa dell’intero corpus scientifico (E= MC2), cioè, dalla perfetta equivalenza di massa ed energia, postulò ‒ correttamente ‒, che “doveva” esistere un livello di carbonio eccitato con energia e, dunque, con massa lievemente superiore a quella del normale carbonio 12 e perfettamente coincidente con le masse reagenti di elio‒4 e berillio‒8. In questo modo, la reazione era accelerata tanto da avvenire in quel milionesimo di miliardesimo di secondo, prima della decadenza del berillio‒8! Soluzione geniale e, almeno sulla carta, problema risolto!! Da valente matematico, Hoyle calcolò anche, che il livello eccitato di carbonio dovesse presentare un valore  eccedente di 7,65 MeV (il megaelettronvolt è una unità di misura del mondo subatomico), il normale nucleo stabile di carbonio 12. Questo di tipo di reazioni, nelle quali lo stato finale di energia è pari alla somma dei suoi singoli componenti, sono dette “risonanti”. La peculiarità della previsione di Hoyle si basava sul fatto, che era centrata completamente sulla logica, dedotta a tavolino. Ma nella scienza galileiana,si sa, ogni teoria, per quanto possa essere coerentemente ed elegantemente costruita, deve passare al vaglio della prova sperimentale, per essere accettata. Hoyle, pensò pure a questo. Nel 1953, durante un anno sabbatico al Caltech ‒, prestigioso Istituto di ricerca californiano ‒, contattò uno dei più insigni fisici sperimentali del mondo: William Alfred Fowler (1911-1995). Cercò di convincerlo a sospendere ogni ricerca condotta in quel momento, per cercare il livello eccitato di carbonio, a 7,65 MeV. Sulle prime, Fowler fu molto seccato, tanto che disse: «Ed ecco comparire questo buffo ometto, convinto che dovessimo interrompere completamente l’importante lavoro che stavamo svolgendo[…] e cercare questo stato, e noi lo liquidammo. Via di qui, ragazzo, ci dai fastidio». Ovviamente, Hoyle non si diede per vinto e alla fine convinse Fowler a cercare il carbonio eccitato. Dopo soli dieci giorni, fu trovato e… per Fowler fu gloria imperitura, sfociata nella conquista del Premio Nobel per la fisica,nel 1983. Un’ingiustizia colossale: il merito teoretico era stato tutto di Hoyle, ma probabilmente ragioni squisitamente politiche latu senso, giocarono a sfavore di Hoyle. Tre anni più tardi, nel 1957, Hoyle ,insieme allo stesso Fowler e ai coniugi Margaret e Geoffrey Burbidge (1925-2010), pubblicò un monumentale articolo, una delle pietre miliari nella storia della scienza, ‒ Sintesi degli elementi stellari ‒, nel quale erano descritte perfettamente tutte le fasi di produzione degli elementi, a seconda dello stadio di vita delle stelle e,dunque, delle relative temperature. Hoyle, fu letteralmente sconvolto dalla scoperta operata, su sua indicazione, da Fowler. Agli amici più cari rivelò,che mai il suo ateismo era stato scosso in maniera più profonda, così come in quella occasione, e, a tal proposito, scrisse: «Un’interpretazione dei fatti data dal buon senso suggerisce che un intelletto superiore ha messo mani alla fisica, e anche alla chimica e alla biologia, e che in natura non vi sono forze cieche degne di nota». Possiamo concludere rilevando, che quelle che a prima vista erano apparse come sviste di Dio ‒ la mancanza della massa stabile 5 e 8 ‒, alla fine si sono rivelate come Sue soluzioni geniali. Infatti, la presenza di una massa 5 stabile ‒ come desiderava l’ateo Gamow ‒, avrebbe comportato un’accelerazione incredibile nella produzione del ferro,ma contemporaneamente non avrebbe consentito un’adeguata produzione di carbonio 12 e ossigeno 16, ‒ assolutamente indispensabili alla comparsa della vita ‒,che invece necessitano di diversi miliardi di anni di stabilità del cosmo… Ugualmente, la presenza di una massa stabile berillio 8, avrebbe comportato una prematura scomparsa delle stelle, prima della sintesi degli elementi più pesanti…, ecco perché l’ateismo di Hoyle subì uno scossone…

Ironia della sorte,dunque, Hoyle col suo immenso lavoro ha favorito i suoi “nemici”due volte; ai teisti ha fornito un’ottima prova a favore dell’esistenza di Dio, su cui riflettere, e sulla quale stava per capitolare egli stesso ‒ Solo il Padre Eterno sa, se lui poi, nel suo intimo, effettivamente, si convertì . Nei riguardi del Big Bang, invece, basti vedere quanto ha scritto l’astrofisico Jean-Pierre Luminet: «Hoyle porterà quindi doppiamente acqua al mulino della teoria di Lemaitre: in primo luogo, trovandole il nome che la renderà così popolare(anche se da lui utilizzato in segno di scherno) e, più seriamente, contribuendo a risolvere la questione dell’abbondanza degli elementi chimici nell’universo».Onore e merito ,dunque, al grande Fred Hoyle, ingiustamente dimenticato ‒al pari di tanti altri, ad es., al fisico italiano prof. Nicola Cabibbo (1935-2010) ‒, perché seppe esercitare nella sua vita, un’effettiva libertà di pensiero lontana anni-luce, è proprio il caso di dirlo (!), dal classico conformismo politically correct, dominante, purtroppo, anche a livello accademico…

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