“Lo spazio dice alla materia come muoversi, la materia dice allo spazio come curvarsi”, John Wheeler.
In questa frase è condensata l’essenza della Relatività generale, e non per niente è stata messa in calce al Gravitation, la Bibbia per chi vuole studiare la Relatività. Lo spazio curvato dalla presenza di masse determina le traiettorie per tutti i corpi in movimento.
Ma quest’affermazione delinea un principio, ma non dice nulla su come è fatto il mondo. Per quello occorre sapere come sono distribuite le masse nello spazio-tempo, e con questo impostare e tentare di risolvere le complicatissime equazioni di Einstein.
Ma trovare soluzioni era un’impresa colossale. Godel, il grande logico matematico che soffriva di disturbi mentali e che fuggito in America diventa grande amico di Einstein a Princeton, gli fa dono di una soluzione delle sue equazioni in segno di gratitudine per la sua vicinanza. Un regalo bizzarro e unico, come Godel.
Ormai sono tutti convinti della bontà della teoria di Einstein sulla gravità, e grazie al fascino che questa teoria esercita, in molti si buttano a studiarne le soluzioni. La maggior parte tenta di spiegare nientemeno che l’Universo, e nasce la cosmologia moderna, ovvero la branca della fisica che vuole spiegare come è fatto in nostro universo e perchè. Nascono così molti diversi sistemi cosmologici: finiti, infiniti, piatti o curvi, stazionari o in evoluzione. Nel tempo lo studio ha abbandonato la ricerca di descrizione del reale per collezionare modelli possibili più che modelli realistici. Ma partiamo dall’inizio.
Anche Einstein si mette a lavorare in questo ambito.
Pensa ad un Universo omogeneo, infinito e stazionario, ma si accorge ben presto che non sarebbe stabile e collasserebbe su se stesso. In maniera un po’ truffaldina aggiunge artificialmente un termine per bilanciare le equazioni e ottenere la soluzione che voleva trovare. Non è esattamente quella che si dice una procedura ortodossa. Questo termine è chiamato costante cosmologica e la soluzione che ne deriva è comunque poco soddisfacente. “Il mio più grave errore”, dirà Einstein in seguito.
Ma pur partendo in modo incerto, nel giro di qualche decennio la nuova cosmologia produce risultati straordinari.
Nel 1922 Friedman trova una soluzione senza costante cosmologica: essa prevede, partendo da un punto in cui è concentrata tutta la materia dell’universo, infinitamente denso e infinitamente caldo, un’esplosione e una seguente espansione. E’ la teoria del Big Bang (grande botto).
Nel 1929 Hubble scopre osservando le galassie lontane che l’universo si sta espandendo.
Nel 1948 Alpher, Bethe e Gamov dimostrano come nell’ambito della teoria del Big Bang, un universo in espansione e raffreddamento, sia possibile la sintesi degli elementi chimici. E prevedono che il Big Bang dovrebbe avere lasciato un’impronta di sè: quando dopo l’esplosione iniziale, le interazioni e la temperatura dell’universo calano abbastanza, i fotoni riescono a sfuggire al magma di materia in cui erano intrappolati e si trovano liberi di vagare nell’universo in ogni direzione, allontanandosi e pian piano raffreddandosi. Una sorta di vibrazione elettromagnetica che permea tutto l’universo, conseguenza dell’esplosione iniziale. E’ la radiazione cosmica di fondo o radiazione fossile.
Ma molti non si rassegnano ad un universo in evoluzione. Lo pretendono eterno e immutabile.
Nel 1948 Hoyle formula la teoria dell’universo stazionario, che prevede che l’espansione (da Hubble in poi un dato sperimentale indiscutibile) sia bilanciata da una continua creazione spontanea di materia. Una roba artificiale poco giustificabile, un po’ come la costante cosmologica di Einstein.
La controversia tra sostenitori del Big Bang da una parte e dell’universo stazionario dall’altra dura 20 anni. Nel 1964 Penzias e Wilson scoprono per caso la radiazione cosmica di fondo mentre cercano di tarare il loro radiotelescopio. Trovano un fastidioso rumore di fondo che non riescono ad eliminare. Esso è uguale in ogni direzione, con uno spettro termico alla temperatura di circa 3 gradi kelvin sopra lo zero assoluto (-273 grandi centigradi).
E’ la radiazione cosmica di fondo, fossile del Big Bang e prova sperimentale che conferma la teoria, e vale loro il Nobel nel 1978.
Le osservazioni cosmologiche diventano man mano più numerose e precise, e restituiscono un Universo straordinariamente omogeneo e uniforme, una cosa che lascia sbalorditi e perplessi gli scienziati. E’ il cosiddetto problema dell’orizzonte: come fanno a essere così simili zone talmente lontane che non sono mai state in contatto tra di loro nel passato? Come hanno potuto scambiarsi informazioni (è così che si crea l’omogeneità) se si appartiene a zone “causalmente disconnesse”?
A questa domanda han risposto contemporaneamente ma indipendentemente Starobinski e Guth, uno in Unione Sovietica l’altro negli Stati Uniti. Essi ipotizzano che poco dopo il Big Bang l’Universo abbia subito un’espansione rapidissima ad opera di una sorta di forza antigravitazionale repulsiva che ha permesso espansioni a velocità relative maggiori di quella della luce. Quest’ipotesi è stata chiamata in modo anche ironico Inflazione. Questa straordinaria espansione avrebbe anche accentuato le piccolissime disomogeneità iniziali che avrebbero poi in seguito creato le galassie e gli ammassi di galassie che osserviamo ora.
Le recenti osservazioni delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo sono in grande accordo con le previsioni ottenute dalla teoria dell’Inflazione. Che passa quindi da ipotesi a teoria riconosciuta, in grado di descrivere l’universo e la sua evoluzione.
Universo omogeneo, piatto, in espansione, Big Bang, radiazione fossile, inflazione: questi per sommi capi i gradini percorsi finora sulla scala della conoscenza cosmologica.
Oggi la cosmologia gode di ottima salute. Una quantità impressionante di dati osservativi procurati da moderni radiotelescopi sono da analizzare e interpretare. Tutto ciò produce di conseguenza nuove domande cui dare risposta. Domande che mettono in discussione le teorie che sono state verificate dalle osservazioni nei decenni precedenti, ma che non sempre riescono a descrivere le osservazioni attuali. Tra esse anche la Relatività generale.
L’universo si espande, è vero, ma non come ci si aspetterebbe. Come se mancasse della materia. O come se le equazioni di Einstain fossero da correggere.
“Due cose sono infinite al mondo, l’Universo e la stupidità umana. Ma sul primo ancora ho dei dubbi.”
Albert Einstein
