LA GENESI DEL TUTTO

LO SPAZIO, IL TEMPO, ASSIEME ALLA MATERIA E L’ENERGIA CHE CI CIRCONDANO SONO NATI DA UNA MINUSCOLA, QUASI IMPERCETTIBILE FLUTTUAZIONE QUANTISTICA DEL VUOTO. USANDO I GRANDI ACCELERATORI DI PARTICELLE OGGI POSSIAMO RICREARE E STUDIARE I PRIMI ISTANTI DELL’UNIVERSO “BAMBINO”, 13,8 MILIARDI DI ANNI FA

Lo spazio che ci circonda e il tempo che scandisce la nostra esistenza sono concetti molto più misteriosi di quello che generalmente si pensa. Siamo abituati a considerarli come entità stabili e indipendenti, che sono sempre esistite e sempre esisteranno. Niente di più sbagliato. Questa percezione è un pregiudizio che nasce dalle nostre dimensioni e dall’habitat molto ristretto nel quale ci muoviamo. Siamo esseri viventi alti meno di due metri, che pesano in media meno di cento chili, e che spendono i circa ottant’anni della loro esistenza intrappolati in una porzione di universo ridicolmente minuscola, una sottile fascia attorno al nostro piccolo pianeta. Qualcuno, più fortunato degli altri, è arrivato a metter piede sul satellite più vicino, la Luna, che sta lì a meno di 300mila chilometri.

Nessuno ha neanche mai osato immaginare di solcare le distanze siderali che separano fra loro le galassie, che si misurano in miliardi di anni luce. I più veloci fra gli umani, gli astronauti, hanno viaggiato a circa 28mila chilometri all’ora, che a noi sembra una velocità spaventosa, ma è una bazzecola se si confronta con quella delle particelle elementari della materia o quelle che vengono prodotte nelle grandi catastrofi cosmiche come le esplosioni stellari. Questi limiti hanno influito sulle nostre concezioni e le hanno pesantemente condizionate. Il fatto che la nostra vita quotidiana si sviluppi in un ambito così ristretto ci ha indotti a pensare che quello che è vero per noi sia vero per il tutto. Ma la scienza moderna ci dice che le cose non stanno così.

Abbiamo verificato che il tempo non scorre ovunque alla stessa velocità. Il suo ritmo dipende dal campo gravitazionale in cui si è immersi. Più forte è questo e più lento è lo scorrere del tempo.

Quando cerchiamo di capire i fenomeni che si osservano nel meraviglioso tappeto di galassie che ricopre la volta stellata o quelli che caratterizzano la materia nei suoi componenti elementari, dobbiamo rinunciare alle certezze che governano la nostra vita abituale. Se fossimo minuscoli come un elettrone e potessimo spostarci a velocità paragonabili a quelle della luce, assisteremmo a fenomeni che ci appa‑ rirebbero molto strani. Questi effetti, che sembrano così straordinari perché non compaiono nella nostra vita quotidiana, sono altrettanto reali, visibili, misurabili. Lo stesso avverrebbe all’altro estremo della scala, se avessimo cioè masse enormi paragonabili a quelle di una stella o di una galassia. Se dovessimo vivere in mondi così distanti dal nostro saremmo costretti ad adottare una concezione dello spazio e del tempo completamente diversa. È quella che è stata acquisita grazie alla teoria della relatività e alla meccanica quantistica. Abbiamo capito anzitutto che spazio e tempo vanno sempre a braccetto, risultano indissolubilmente legati, sono in re‑ altà una sola entità: lo spazio‑tempo. Assieme costituiscono una specie di rete ma‑ teriale, elastica e flessibile che avvolge l’universo intero. Ora sappiamo anche che quando le maglie di questa sottile ragnatela vengono percosse con violenza, l’intera struttura finisce per vibrare e oscillare: genera onde che percorrono distanze di mi‑ liardi di anni luce e si propagano, debolissime, fino alle galassie più lontane: sono le onde gravitazionali recentemente scoperte. Abbiamo anche verificato che il tempo non scorre ovunque alla stessa velocità. Il suo ritmo dipende dal campo gravitazio‑ nale in cui si è immersi. Più forte è il campo e più lento è lo scorrere del tempo. E dipende anche dalla velocità con cui ci si sposta. Il tempo rallenta per gli oggetti che viaggiano a velocità enormi, fin quasi a fermarsi per quelli che si avvicinano alla velocità della luce. Abbiamo infine raccolto prove inconfutabili che lo spazio‑tempo non è sempre esistito, è nato assieme alla materia e sulla sua carta d’identità c’è una precisa data di nascita: 13,8 miliardi di anni fa.

Per ricostruire in dettaglio questo momento così particolare della nostra sto‑ ria dobbiamo fare un viaggio molto speciale. Usando i nostri super microsco‑ pi, i grandi acceleratori di particelle, possiamo studiare i primi istanti dell’u‑ niverso bambino, quando la materia era estremamente densa e l’ambiente era caldissimo. Con le collisioni di Lhc, il grande acceleratore del Cern di Ginevra, ripor‑ tiamo minuscoli componenti materiali a quelle condizioni straordinarie. Le altissi‑ me temperature locali che si creano nello scontro fra protoni producono l’ambiente adatto per studiare le particelle elementari che popolavano l’universo primordiale. È così che siamo riusciti a scoprire il bosone di Higgs. Ma si può fare un viaggio in‑ dietro nel tempo anche attraverso i super telescopi. Con gli apparati più moderni siamo in grado di osservare galassie o ammassi di galassie distanti miliardi di anni luce. Quando guardiamo oggetti così lontani, possiamo osservare “in diretta” eventi avvenuti in un tempo molto remoto, letteralmente miliardi di anni fa, e raccogliere dati osservativi su quell’epoca primordiale. Combinando le due informazioni, quelle provenienti dal mondo dell’infinitamente piccolo e quelle che scaturiscono dall’os‑ servazione degli oggetti più grandi che la mente umana possa concepire, diventa possibile ricostruire i primi istanti di vita dell’universo e da lì partire per raccon‑ tarne la storia. Come gli antichi Argonauti, gli scienziati moderni possono fare un

E dipende anche dalla velocità con cui ci si sposta: rallenta per oggetti che viaggiano a velocità enormi, fin quasi a fermarsi per corpi che si avvicinano a quella della luce.

viaggio incredibile, ai confini del mondo conosciuto, avventurandosi nel non-luogo del non-tempo da cui è originato il tutto e poi raccontare a tutti quello che hanno visto. È questa la storia meravigliosa che ho scelto di raccontare nel libro Genesi: il grande racconto delle origini, e l’ho fatto evitando, deliberatamente, il linguaggio specialistico degli scienziati; per eliminare alla radice ogni barriera che impedisca la comprensione dei concetti scientifici più importanti. Da tempo immemorabile le grandi scoperte scientifiche hanno fortemente condizionato il nostro rapporto con il mondo. Basti pensare all’impatto che hanno avuto relatività e meccanica quantistica sulla cultura di tutto il Novecento. Quando la scienza cambia i propri paradigmi e guarda al mondo con occhi diversi cambia tutto, per sempre. Senza Einstein e Heisenberg non ci sarebbero stati Kokoschka e Fontana, Schönberg e Berio, Pirandello e Strindberg e così via. Ma questo non avviene una volta sola, è un processo che continua, via via che la scienza progredisce e produce risultati nuovi. Ecco perché la visione del mondo che ne scaturisce deve essere conosciuta da tutti.

Capire le nostre radici più antiche, appropriarsi del moderno racconto delle origini prodotto dalla scienza, significa possedere uno degli strumenti più importanti per guardare con occhio critico al passato e ricavarne spunti con cui affrontare le sfide del futuro. La nascita dell’universo è una storia meravigliosa che ci dice che lo spazio, il tempo, assieme a tutta la materia e l’energia che ci circondano, sono nati da una minuscola, quasi impercettibile fluttuazione quantistica del vuoto. L’universo nasce dal vuoto perché è ancora vuoto, è un sistema a energia totale nulla, che ha subito una trasformazione, una metamorfosi. Questa è una delle scoperte più incredibili degli ultimi decenni. Tutta l’energia positiva legata alla massa visibile (stelle, galassie, polvere interstellare e particelle materiali che le attraversano) e anche quella appartenente al lato oscuro dell’universo (buchi neri, materia ed energia oscura) si cancella quasi perfettamente con l’energia di legame, negativa, di cui è intriso lo spazio-tempo a causa della gravità.

Ma cosa ha innescato questa trasformazione? Tutto è cominciato 13,8 miliardi di anni fa, quando in una delle infinitesime fluttuazioni quantistiche dello stato di vuoto che, come tutti gli stati fisici, fluttua incessantemente, è successo qualcosa di molto strano. In quella particolare bollicina, per meccanismo puramente casuale, si sono ritrovati una manciata di inflatoni e tutto ha cominciato a espandersi in maniera furibonda. In un tempo ridicolmente piccolo la bollicina ha assunto dimensioni macroscopiche: lo spazio-tempo, gonfiandosi in maniera parossistica, si è dovuto riempire di energia, unico modo per mantenere nullo il bilancio energetico totale. Chiamiamo questo meccanismo inflazione cosmica. L’universo che esce dalla fase inflazionaria è un oggetto incandescente che contiene già tutta la materia che compone l’attuale universo, ma in una forma completamente diversa rispetto a quella a cui siamo abituati. In esso una miriade di particelle elementari, tutte prive di massa, si muove alla velocità della luce producendo un incessante turbinio. Poi, di colpo, succede qualcosa che deciderà il destino di tutto per i miliardi di anni a venire. L’universo neonato, espandendosi, si raffredda e quando è appena passato un centesimo di miliardesimo di secondo la temperatura si abbassa al punto da far condensare una miriade di bosoni di Higgs, cristallizzandoli per sempre in un

campo che occupa tutto. Il nuovo venuto rompe la perfetta simmetria che fino a un attimo prima imperava ovunque e le particelle si differenziano fra loro, acquistando una massa proporzionale alla loro interazione con il campo scalare. Le particelle elementari che correvano caoticamente alla velocità della luce rimangono come invischiate nel campo di Higgs. Alcune acquistano una massa, altre ne rimangono prive; così, quark leggeri e gluoni si potranno aggregare a formare protoni stabili. Nei minuti successivi la materia si condenserà in protoni e neutroni, i costituenti dei nuclei atomici di tutti gli elementi. Si pongono le basi di quella organizzazione stabile basata su atomi e molecole che dominerà il mondo nei miliardi di anni a venire. Da quel momento passeranno altri 380mila anni prima che la luce possa attraversare l’universo intero. Avverrà quando la temperatura si abbasserà al punto da permettere ai fotoni di abbandonare l’abbraccio con la materia che li ha tenuti intrappolati per centinaia di migliaia di anni. Da quel momento potranno correre liberi per raggiungere gli angoli più sperduti e sarà la nascita della luce.

C on la separazione della radiazione dalla materia potranno formarsi gli atomi che si organizzeranno in enormi nubi di idrogeno ed elio. Agendo silenziosamente e con molta lentezza la gravità accumulerà grandi concentrazioni di questo gas nelle zone caratterizzate da minuscole variazioni di densità. L’enorme massa a simmetria sferica che ne risulterà produrrà al suo interno pressione e temperatura così elevate da innescare fenomeni di fusione nucleare: sono passati duecento milioni di anni, nascono le prime gigantesche stelle. Nelle enormi fornaci nucleari che ruggiscono nei loro strati più interni si producono tutti gli elementi più pesanti fino al ferro. Quando, esaurito il combustibile nucleare, le nuove stelle esploderanno, queste immense quantità di materiale saranno espulse a grande velocità seminando l’universo intero di quegli elementi più pesanti che si riorganizzeranno in altre stelle e pianeti e sistemi solari. Sono ormai passati miliardi di anni quando enormi agglomerati di stelle si organizzano attorno a un grande buco nero per formare meravigliose strutture che chiamiamo galassie, al cui interno si formano sistemi planetari, alcuni contenenti pianeti rocciosi e ricchi di acqua. La nostra galassia ruota attorno a Sagittarius A*, un mostro che pesa quanto quattro milioni di soli. Stiamo precipitando verso di lui e la caduta è senza scampo. Un gorgo terribile ci sta inghiottendo, il più angoscioso dei nostri incubi è diventato realtà. La nostra fine è segnata, ma i tempi di questa catastrofe sono lunghissimi. La via Lattea gira lentamente attorno a Sagittarius A* da miliardi di anni e continuerà a farlo per molto tempo ancora. C’è stato tutto il tempo per costruire al suo interno molti sistemi solari e tantissimi pianeti; alcuni, di sicuro il nostro, hanno dato origine a molte forme di vita, talora abbastanza complesse da interrogarsi su come funziona tutto questo. Eccoci qua.