Eureka!

Magari siete rimasti con la curiosità di sapere chi ha intuito per primo il vero motivo per cui il cielo di notte è buio. Ve lo dico subito, così se volete potete anche smettere di leggere. Non è stato uno scienziato. È stato Edgar Allan Poe.

Nel 1848, un anno prima di morire, Poe scrive uno strano libro intitolato Eureka.  Strano nella forma, perché è un "poema in prosa", ma soprattutto strano nella sostanza. Con Eureka, infatti, Poe vuole costruire una cosmologia, ovvero:

"parlare della fisica, metafisica e matematica dell'universo spirituale e materiale; della sua essenza, della sua origine, della sua creazione, della sua condizione presente e del suo destino."

Si capisce già dalle prime pagine che Poe prende terribilmente sul serio quella che avrebbe finito per essere la sua ultima opera, e che ritiene di aver avuto un'illuminazione che lo ha portato alla soluzione delle questioni ultime. Pur riconoscendo che i risultati descritti in Eureka non sono frutto di indagini scientifiche, ma semplici intuizioni artistico-spirituali, Poe afferma con una certa enfasi che essi debbano comunque essere considerati veri.

Nel corso degli anni, molti si sono fatti affascinare dal fatto che alcune delle idee contenute in Eureka sembrerebbero aver anticipato l'idea moderna di universo in evoluzione descritta dal modello del big bang e ormai provata dalle osservazioni. Si parla di un universo che ha origine da un'unità primordiale che evolve verso la complessità, e c'è addirittura quella che oggi potremmo ritenere la previsione dell'espansione dell'universo. In realtà, però, accanto a qualche intuizione apparentemente corretta, Eureka ne contiene molte altre completamente sballate. E poi, ovviamente, manca qualunque giustificazione logica o quantitativa per le idee proposte. Ma come accade con tutte le speculazioni fantasiose — soprattutto se ammantate da un certo mistero — a posteriori può capitare di trovarci delle verità, anche se in modo del tutto accidentale.

Resta il fatto che l'idea sostenuta da Poe — cioè che l'universo potesse avere un'età finita — non era affatto popolare tra gli studiosi dell'epoca. Per questo, è andata a finire che lo scrittore risulta essere il primo ad aver azzardato qualcosa che somiglia molto alla soluzione corretta del paradosso di Olbers (ovvero del fatto che il cielo notturno è buio). Ecco qui:

"Se la successione delle stelle fosse infinita, lo sfondo del cielo avrebbe una luminosità uniforme, come quella della nostra Galassia - perché non potrebbe esserci assolutamente nessun punto, in tutto lo sfondo, privo di una stella. Il solo modo, perciò, in cui potremmo comprendere i vuoti osservati dai nostri telescopi in tutte le direzioni, sarebbe di supporre che la distanza dello sfondo è così grande che nessun raggio luminoso possa aver ancora avuto il tempo di raggiungerci."

Del perché di notte non servono gli occhiali da sole

Magari siete in montagna, è notte, e guardate le stelle. Belle, ma sicuramente sarebbero meno belle se non ci fosse intorno tutto quel buio che le fa emergere. Ecco, scommetto che non vi siete mai chiesti perché il cielo notturno è buio. Probabilmente non ve lo siete chiesti perché sembra una domanda banale, una di quelle cui viene da rispondere "è così e basta". Invece tanto banale non lo è, e la risposta è più complicata di quello che sembra. Pare che il primo a cercarla sia stato Keplero nel '600, ma in realtà i cosmologi hanno continuato a interrogarsi sulla cosa senza successo fino al secolo scorso.

Il fatto è che verrebbe naturale aspettarsi un cielo notturno uniformemente luminoso — tutto il cielo notturno luminoso né più né meno del Sole. Magari questo a voi sembra strano, perché non vi siete mai posti il problema: ma non è strano per un cosmologo, per il quale anzi è strano che sia vero il contrario. Pensate a un universo infinito, o anche soltanto molto grande, e soprattutto a un universo che esiste da sempre. Immaginatelo riempito di stelle e galassie distribuite in modo uniforme nello spazio. (Mica vi aspetterete di trovarvi al centro del cosmo, no?) In un universo del genere, guardando in una direzione qualsiasi dovreste sempre incontrare una stella, o più in generale una galassia. Sorgenti luminose in ogni direzione e ad ogni distanza, quindi: altro che cielo buio. Direte: sì, ma le stelle più lontane sono meno luminose, quindi non le vediamo e questo spiega tutto. Sbagliato, perché è vero che le stelle più lontane appaiono meno luminose, a parità di area osservata: ma nella stessa area di cielo ce ne cadranno di più, quindi le due cose si compensano esattamente. (È un po' come stare in una foresta infinita: gli alberi più vicini coprono la vista più di quelli lontani, ma di quelli lontani ne vediamo un numero più grande.)

Insomma, per farla breve, la cosa del cielo buio è un paradosso, che si chiama paradosso di Olbers. Keplero pensava che esso dovesse portarci a concludere che l'universo è finito e contiene un numero finito di stelle. La spiegazione corretta, invece, fornita dal modello del big bang, è che l'universo non esiste da sempre, ma solo da circa 14 miliardi di anni. Guardando lontano nello spazio (e quindi indietro nel tempo) vediamo regioni dell'universo che non contengono stelle o galassie semplicemente perché l'universo era troppo giovane per averle create.

Quindi, dalla semplice constatazione che di notte non servono gli occhiali da sole, si può trarre una conclusione piuttosto importante, ovvero che l'universo ha un'età finita.

(Un'altra volta vi dirò chi è stato il primo a intuirla, questa conclusione. È una storia abbastanza sorprendente.)

L'effetto Casimir

Prendete due lastre metalliche, mettetele nel vuoto, e avvicinatele fra loro. Dopo averle avvicinate parecchio, provate ad allontanarle. Cosa pensate che succeda? Niente di speciale? Sbagliato. Le lastre si attrarranno, opponendo resistenza ai vostri tentativi di allontanarle.  Notate che le due lastre non hanno carica elettrica, quindi l'attrazione elettrostatica non c'entra un bel niente. Che cosa sta succedendo?

State assistendo a una manifestazione del cosiddetto effetto Casimir, un fenomeno teorizzato nel 1948 da Hendrik Casimir and Dirk Polder e osservato in laboratorio per la prima volta quasi cinquant'anni dopo, nel 1997, da Steve Lamoreaux. Due le cose intriganti di questo effetto. La prima è che esso ha una natura squisitamente quantistica, non ha cioè niente a che fare con le forze di tipo classico, come, appunto, quella elettrica. Nella configurazione che abbiamo descritto non c'è infatti nessun campo classico che possa spiegare l'attrazione tra le due lastre. La seconda è che l'effetto Casimir è una manifestazione di quell'energia del vuoto la cui comprensione è uno dei grandi problemi aperti della fisica teorica e della cosmologia. 

Lo spazio vuoto, secondo le teorie di campo quantistiche, non è davvero vuoto, ma pullula di particelle e antiparticelle "virtuali" che si creano spontaneamente e scompaiono dopo un tempo brevissimo. L'ipotesi di Casimir, detta in termini un po' grossolani, è che la regione tra le due lastre sia in grado di ospitare meno particelle virtuali di quante ve ne siano nel resto dello spazio. Lo spazio vuoto all'esterno delle lastre è, in un certo senso, meno "vuoto", di quello all'interno, e ha quindi una densità di energia maggiore. Ciò provoca un'attrazione fra le lastre anche in assenza di un campo di forza classico.

Va detto che l'effetto Casimir si mostra a livelli misurabili solo quando la distanza tra le lastre è inferiore al micron, e osservarlo in laboratorio ha richiesto apparati piuttosto sofisticati. La cosa ha quindi scarse conseguenze pratiche, se non, forse, nelle nanotecnologie. Ma per ora è l'unica prova sperimentale del fatto che il vuoto quantistico ha proprietà "esotiche", cioè si comporta in maniera diversa dalla materia ordinaria. Questo, insieme al fatto che Morris, Thorne e Yurtsever, nel loro studio sui wormhole stabili e le macchine del tempo, ipotizzarono l'uso dell'effetto Casimir per produrre una regione con la necessaria densità di energia negativa (si badi, una regione spessa un miliardesimo di millimetro tra due sfere metalliche concentriche di raggio pari alla distanza Terra-Sole — una cosa di realizzazione quantomeno improbabile) ha fatto sì che esso si sia guadagnato una certa reputazione tra gli autori di fantascienza (e un ruolo in quella che qui si ritiene una delle migliori serie TV di sempre).