L’universo è grosso.
Incredibilmente enorme. E’ umanamente impossibile capire quanto inverosimilmente immenso sia l’universo. E’ inutile persino provarci. E’ troppo grande, fine.
D’altro canto, un protone è incredibilmente piccolo. Un protone è una frazione infinitesima di un atomo, che già di per sé è sufficientemente minuscolo. Un protone è così piccolo, che un puntino sopra una “ i “, ne può contenere circa 500.000.000.000.
Immaginate ora di poter ridurre un protone a un miliardesimo delle sue normali dimensioni e riempire quello spazio infinitesimo un po’ di materia.
Fondamentalmente, sareste pronti per creare un universo.
L’universo ha inizio in nessun luogo, e in nessun momento. Perché non esisteva spazio prima dell’universo, e neppure tempo. Non esiste passato da cui possa emergere, ne posto che possa occupare. Esiste, e basta. Non siamo in grado di dire cosa accadde nell’esatto istante del Big Bang, che, a dire il vero, è più una teoria sull’evoluzione dell’universo, più che sulla sua origine. Tantomeno ha senso parlare di prima del Big Bang, perché prima il tempo non esisteva.
Sappiamo però che il primo secondo è il più emozionante. Con una singola pulsazione vengono prodotte tutte le quattro forze che regolano l’universo: gravità, forza elettromagnetica, interazione nucleare forte, interazione nucleare debole. Dopo meno di un minuto, l’universo si è espanso al punto che il suo diametro ha già superato il milione di miliardi di chilometri, e continua a crescere. La temperatura è caldina, intorno ai dieci miliardi di gradi celsius, ed è perfetta per dare inizio alle reazioni nucleari che formeranno gli elementi più semplici: idrogeno ed elio, con una piccola percentuale di litio. Dopo circa un quarto d’ora, è già stato prodotto il 98% della materia che mai esisterà. In pratica, avete tutto quello che vi serve per costruire un universo, nel tempo necessario per farvi e godervi una tazza di tè.
Certo, avrete dovrete ancora aspettare cento milioni di anni perchè prima stella inizi a brillare, ma avete già fatto tutto il necessario per mettere in moto tutto quanto. Ma come sappiamo tutto questo ? Come possiamo essere così certi di un evento che è accaduto all’incirca 13.8 miliardi di anni fa ? Come diavolo si può arrivare a sapere cosa è successo all'universo 0.00000000000000000000000000000000000000000001 secondi dopo il suo inizio ?
Abbiamo un sacco di modi, in realtà. Alcuni di questi sono però davvero complicati, e li tralasceremo. Per comprendere gli altri, invece, bisogna fare una piccola premessa sulla luce.
Il primo grande scienziato che ebbe a che fare con la luce fu Isaac Newton. Fu il primo a scomporre la luce nei sette colori (Che lui stesso stabilì fossero sette, perché gli piaceva l’analogia con le note musicali; In realtà, la luce è uno spettro continuo, senza divisioni nette, come il passaggio da una specie all'altra), e aveva una teoria corpuscolare della luce: piccoli pezzettini di materia entravano negli occhi di chi la osservava, e si manifestavano come ben sappiamo. La sua idea derivava da quello che sapeva sulla propagazione della luce. Newton sapeva che la la luce si propagava in linea retta a velocità non infinita e che si rifletteva (rimbalzava con un urto perfettamente elastico sulle superfici), e questi erano ottimi argomenti a suo favore. I colori dell’arcobaleno venivano spiegati con l’introduzione di un gran numero di corpuscoli di colore diverso, e il bianco come la somma di tanti di questi colori. Questa concezione restò quella maggioritaria per quasi due secoli, nonostante un arguto fisico olandese, Christiaan Huygens, avesse proposto, quasi contemporaneamente alla teoria newtoniana, una teoria in cui onde di luce si propagavano attraverso l’etere, sostanza che pervadeva tutto l’universo. L’intuizione era buona, ma la teoria fu seriamente presa in considerazione solo agli inizi dell’800, quando Thomas Young, fisico inglese della Royal Society, dimostro attraverso l’esperimento della doppia fenditura che la luce era incontrovertibilmente un onda.
Young era un medico, ma era anche il genere di persona che, nel tempo libero, imparava due o tre lingue per tenersi impegnato, o risolveva i misteri dell'universo, come la natura della luce.
Young prese due fonti di luce, due fessure distinte, e le illuminò, e disegnò diligentemente quello che osservò:
Le due luci interferiscono. Si sommano, si sottraggono, si increspano vicendevolmente, non come singoli corpuscoli, ma come onde intere, come lanciare due sassi nello stesso stagno. Young in maniera semplice ed elegante aveva appena dimostrato che era più figo di Newton. E lo sarebbe rimasto per un po', almeno fino a quando non fosse arrivato Einstein sulla scena.
Perché ci frega che la luce sia un'onda, un onda elettromagnetica, in particolare ?
In quattro parole:
Cosmic Microwave Background Radiation.
Nel 1965 due impiegati dei Bell Laboratories, Arno Penzias e Robert Wilson, stavano cercando di tarare una nuova grande antenna per le comunicazioni. E non ci riuscivano. Ovunque la puntassero, captavano un rumore di fondo fastidioso, un sibilo incessante, che rendeva impossibile ogni esperimento. Ovunque la puntavano, in qualsiasi momento del giorno e della notte, in qualsiasi stagione, c'era questo sibilo. In un primo momento, pensarono ad un guasto tecnico. Sostituirono ogni singolo cavo elettrico, riassemblarono ogni pezzo, cambiarono ogni giuntura e cavo elettrico. Niente, ancora il sibilo. Uscirono allora armati di scopa a far brillare l'antenna, liberandola dalla cacca di piccione che inevitabilmente decorava un antenna di simili dimensioni. Ancora nulla. Il sibilo, ad un anno dalla prima accensione, restava lì, identico, a impedirgli di lavorare.
Vent'anni prima, un astrofisico di origine russa, George Gamow, aveva avuto un'idea interessante per poter confermare o smentire l'idea del big bang. La luce è un onda elettromagnetica, ben sapeva Gamow, e quindi si sarebbe propagata all'infinito nelle vastità dello spazio. L'altissima energia con cui sarebbero partite sarebbe stato sufficiente per fargli attraversare uno spazio in continua dilatazione, e se si fosse ascoltato con sufficiente attenzione, si sarebbe potuta rintracciare parte della radiazione cosmica di fondo lasciata dal Big Bang, che dalle temperature al di fuori della comprensione umana a cui si era originata, si sarebbero raffreddate e avrebbero raggiunto la terra in forma di microonde. Ma Penzias e Wilson non avevano mai sentito parlare di Gamow.
E quindi non potevano sapere che il rumore che li tormentava veniva direttamente dal bordo dell'universo, a 90 miliardi di trilioni di chilometri di distanza. La luce più antica dell'universo. Era qualcosa di mai visto prima. I più potenti telescopi, ai tempi, in grado di captare le quasar, stelle che emettono particolari radiofrequenze identificabili a grandi distanza, potevano risalire forse a qualche miliardo di anni, dopo l'origine del big bang. Qui si parla di secondi.
L'avete sicuramente sentita anche voi, la radiazione cosmica di fondo. Basta che una volta nella via abbiate sintonizzato il televisore su un canale che non prendeva: circa l'1% dei disturbi elettrostatici, i "fiocchi di neve", sono dovuti a questo primo residuo del big bang.
Penzias e Wilson trovarono il radiazione cosmica di fondo: non la stavano cercando, una volta trovata, non sapevano cosa fosse e in ogni caso non ne interpretarono o descrissero mai la natura; ciò nonostante, vinserò nel 1978 il premio Nobel, a dimostrazione, che, per certe cose, nella vita, ci vuole culo.
Come si vede dalla foto precedente, la radiazione cosmica di fondo non è uniforme. E' composta da onde che si sovrappongono, che interferiscono: e dalle increspature possiamo sapere qualcosa sulla sua sorgente, sull'universo in larga scala, sull'inizio dell'universo, sulla sua distribuzione di materia, sulla sua forma; è quasi certamente uno delle informazioni più preziose che abbiamo per quanto riguarda la storia dell'universo. Ed è con la radiazione cosmica di fondo che un fisico delle particelle rivelò qualcosa di totalmente inaspettato per quanto riguarda la storia dell'universo: l'inflazione.
Ci sono due cose di cui ci siamo resi conto guardando l'universo, che il Big Bang non era in grado di spiegare: in primis, l'universo è isotropo. In qualsiasi direzione tu voglia guardare, troverai la stessa densità media, la stessa temperatura media, lo stesso numero medio di galassie. In qualsiasi punto tu sia dell'universo, guardando in qualsiasi direzione, di sembrerà sempre di essere al centro, nonostante ciascuna regione sia in principio separata dalle altre da miliardi di anni luce, e la radiazione cosmica di fondo ci dice che, all'inizio, non era tutto uguale.
La seconda, cosa è che l'universo, su larga scala, sembra totalmente e completamente piatto, senza la benché minima curvatura. Com'è possibile una cosa del genere, se in partenza l'universo non era uniforme ?
E' il 1979. Un fisico delle particelle, Alan Guth, che non ha ancora combinato sostanzialmente nulla nella sua vita, assiste ad una conferenza sul Big Bang, in cui si parla del problema dell'orizzonte e del problema della piattezza, e vengono proposte varie soluzioni ipotetiche per ciascuno dei due problemi. Guth però è megalomane, e gli viene in mente una soluzione per entrambi, contemporaneamente.
Guth conosceva bene il fatto che al contrario dell'universo, che era isotropo, la radiazione cosmica di fondo è anisotropa, cioè disuguale. Sì immaginò quindi un universo con condizioni diverse in ogni luogo. In un punto poteva espandersi, in un altro contrarsi; in un punto poteva essere vicino allo zero assoluto, in quello accanto a temperature più alte del cuore di una stella; in alcuni punti perfettamente piatto, in altri più accartocciato di un fazzoletto usato. In pratica, non importa quali fossero le condizioni dell'universo, su "larga" scala. Basta che in un punto infinitesimo, un punto più piccolo delle dimensioni di un protone, ci siano state le condizioni giuste, ed ecco che abbiamo l'inflazione.
Quel punticino si gonfiò come un disperato, raddoppiando le proprie dimensioni ogni 10^-34 secondi, per una durata complessiva di non più di 10^30 secondi, cioè di un milionesimo di milionesimo di milionesimo di milionesimo di milionesimo di secondo, trasformando l'universo da qualcosa che sarebbe potuto stare nelle mani di un bambino a qualcosa che potrebbe essere miliardi di volte più grande dell'universo visibile.
Questo risolve entrambi i problemi:
Se prendi una regione infinitesima, e la stiri finché non ti copre tutto l'universo osservabile, allora, improvvisamente, tutto l'universo osservabile avrà le caratteristiche di temperatura, densità ed espansione della tua regione infinitesima di partenza.
Non ha importanza la forma dell'universo prima dell'inflazione. L'inflazione ha preso una regione e l'ha stirata talmente tanto che inevitabilmente l'universo ci sembrerebbe essere piatto.
Sarebbe come se una formica volesse misurare la curvatura della terra. Non soltanto non ha strumenti sufficientemente precisi per misurarlo, ma nemmeno 10 generazioni di formiche potrebbero percorrere una distanza sufficiente a fargli venire il dubbio che la terra non sia piatta.
Ma ci crea anche un'altro problema: l'universo non è veramente isotropo, su piccola scala. Non è letteralmente identico in ogni direzione. E, soprattutto, la radiazione cosmica di fondo ci dice che anche dopo l'inflazione, lo spazio ha increspature, e variazioni locali. Se l'inflazione funzionasse così linearmente, beh, l'universo sarebbe di un [C] piattume cosmico.[/C]
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