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.)

Raffreddamento cosmico

L'Universo si espande e diventa sempre più freddo con il passare del tempo. Un secondo dopo il Big Bang, la temperatura media era di circa 10 miliardi di gradi, parecchio più alta di quella all'interno del Sole; oggi, è di 3 miseri gradi sopra lo zero assoluto (per l'esattezza, 2.725 gradi Kelvin). Quest'ultima cosa la sappiamo per misura diretta, perché captiamo il calore residuo del Big Bang sotto forma di radiazione di fondo nelle microonde. Che l'Universo fosse caldissimo nel passato, invece, lo sappiamo per evidenza indiretta, perché alcuni processi fisici che devono essere avvenuti nel cosmo primordiale (come la sintesi dei nuclei di elio, avvenuta nei primi tre minuti dopo il Big Bang) richiedono temperature altissime. Ma un empirista radicale potrebbe chiedersi se ci sia anche il modo di misurare direttamente la diminuzione della temperatura dell'Universo con il passare del tempo.

Un modo c'è, ed è stato applicato con successo, come descritto in questo articolo appena uscito su Astronomy & Astrophysics. L'idea si basa sul fatto che ogni molecola vibra in modi caratteristici che dipendono anche dalla temperatura. Analizzando gli spettri delle molecole presenti nello spazio, quindi, si può capire a quale temperatura si trovano. Come si sa, quando guardiamo lontano nello spazio guardiamo anche indietro nel tempo, perché la luce viaggia con una velocità grande ma finita, e quindi ci arriva con un certo ritardo. Sulle distanze cosmiche, il ritardo può diventare talmente grande da farci vedere come stavano le cose nell'Universo miliardi di anni fa. Possiamo quindi ricostruire la temperatura dell'Universo nel passato osservando molecole via via sempre più lontane da noi. Già negli anni quaranta, una misura di questo tipo effettuata sulle molecole di cianogeno nello spazio interstellare della nostra galassia avrebbe potuto portare alla scoperta dell'esistenza della radiazione di fondo a 3 gradi Kelvin, ma all'epoca il significato della misura non fu compreso. Adesso, invece, si sono osservati gli spettri di molecole di monossido di carbonio a una distanza di 11 miliardi di anni luce da noi, trovando una temperatura di circa 9 gradi Kelvin: 11 miliardi di anni fa, dunque, l'Universo era più caldo, esattamente come previsto dal modello del Big Bang.

Meglio di così

Mi è tornato in mente che otto anni fa, più o meno di questi tempi, stavo tentando disperatamente di far capire ai miei colleghi di oltreoceano che tutta l'area di Tor Vergata sarebbe stata chiusa nei giorni a cavallo del primo maggio, causa giubileo e concertone, e che quindi avrei avuto bisogno di un permesso speciale per poter accedere all'Università ("What do you mean, the Pope is kicking you out of campus?"). Collaboravo a un esperimento che si chiamava MAXIMA (vi risparmio l'acronimo), eravamo pochi e quasi tutti a Berkeley (cioè, io ero tornato a Roma — non da molto però — da cui le difficoltà logistiche che dicevo). A ripensarci adesso sembra impossibile, ma eravamo proprio pochi, davvero. Il nostro fratello maggiore, BOOMERANG (acronimo ancora peggiore), si prese la copertina di Nature il 27 aprile e, a ruota, le prime pagine dei quotidiani. Ma soprattutto ebbe l'onore di una vignetta di Massimo Bucchi (un genio), che ironizzava sull'entusiasmo degli italiani alla notizia che l'universo è "piatto" (c'erano un piatto e un tizio armato di coltello e forchetta pronto a riempirsi la pancia: conservo ancora il ritaglio).

E insomma, misure di sicurezza romane permettendo, dovevamo finire un paio di articoli e li finimmo. Uscirono una decina di giorni dopo (su arXiv; per vederli pubblicati su The Astrophysical Journal Letters ci volle ancora qualche mese). Eravamo il fratello minore, ma io ero contento così. Più di tutto, ricordo l'eccitazione e la fatica dei mesi precedenti, a Berkeley, e la sensazione provata nel veder emergere lentamente, sullo schermo di un computer, un'immagine dell'universo appena nato — un'immagine che nessuno aveva mai visto prima così nitida a parte noi, che eravamo proprio pochi. Per chi pensa che ci sia qualche valore in questa assurda e spesso frustrante impresa di capire e apprezzare il mondo per quello che è, non può andare meglio di così.

La nuvola nera

"La nuvola nera" è un buon romanzo di fantascienza del 1957 — niente di strano, in un'epoca in cui di buona e ottima fantascienza se ne scriveva tanta. Solo che questo romanzo lo ha scritto Fred Hoyle, che è stato uno dei più grandi astrofisici di tutti i tempi. E nel leggerlo, oltre a capire come va a finire la storia, ci si può divertire ad andare a caccia di riferimenti scientifici. Che non sono pochi, visto che si tratta di fantascienza "dura" e che, come dice lo stesso Hoyle nella nota iniziale, poco di quello che vi è raccontato è totalmente inverosimile. 

Paradossalmente, però, la cosa su cui il libro mostra tutti i suoi anni è forse proprio quella che Hoyle si aspettava di meno — e a cui, come scienziato, teneva di più. Hoyle, per chi non lo sapesse, è stato l'inventore del nome "Big Bang", riferito al modello di universo in espansione. Inventore del nome, ma non del modello, che anzi detestava con tutte le sue forze. (Big Bang, in origine, era un termine derisorio, coniato durante una trasmissione radiofonica: come per dire, "il modello col botto all'inizio".)  Hoyle aveva invece ideato un modello in cui l'universo, pur essendo in espansione, rimaneva stazionario (cioè sempre uguale a se stesso, senza inizio né fine) attraverso una continua creazione di materia. (La leggenda vuole che l'idea sia venuta a Thomas Gold, uno dei propugnatori del modello insieme a Hoyle e Hermann Bondi, durante la visione di  "Dead of Night", un film fanta-horror con una struttura ciclica.) Be', a un certo punto del libro, Hoyle non perde occasione per polemizzare con i suoi rivali scientifici: si scopre (non vi dico come, nel caso non l'aveste letto) che l'Universo non ha origine, e uno dei protagonisti dice una frase del tipo "aspetta che lo sappiano quelli del Big Bang". Peccato, però, che oggi sappiamo che Hoyle aveva torto. Ironicamente, la sconfitta del modello di universo stazionario arrivò (con la scoperta della radiazione cosmica di fondo) nel 1964, cioè proprio l'anno in cui Hoyle, nel romanzo, situa l'arrivo della nuvola nera. Una nuvola nera per Hoyle, certamente, che poi nel resto della sua carriera scientifica non perse l'abitudine alle idee eretiche e controverse (come la 'panspermia', ovvero l'idea che la vita sia arrivata sulla Terra dallo spazio).

(È un po' un peccato che Feltrinelli non abbia mai rimesso mano alla traduzione, datata e purtroppo spesso inaccurata nel rendere i termini scientifici. A parte il dannunziano "jonizzazione", c'è anche un "diagramma colore-grandezza" che dovrebbe essere "diagramma colore-magnitudine".)

Infinite possibilità

"L'universo (che altri chiama la Biblioteca) si compone d'un numero indefinito, e forse infinito, di gallerie esagonali, con vasti pozzi di ventilazione nel mezzo, bordati di basse ringhiere."
— J.L. Borges, La biblioteca di Babele

Periodicamente me lo vado a rileggere, per essere sicuro che faccia sempre lo stesso effetto, e ogni volta ne ho la conferma: per me, La biblioteca di Babele è uno dei più bei racconti che siano mai stati scritti. In poche pagine ci viene descritto un intero universo: o meglio, ci vengono date le regole per generarlo. Il racconto di Borges è una cosmologia immaginaria ma perfettamente coerente. Il senso di vertigine che ci prende durante la lettura è simile a quello che ci prende pensando alle cifre del pi greco: quello dell'infinito che scaturisce dal finito. La totalità del cosmo immaginato da Borges scaturisce dalle potenzialità racchiuse in poche leggi combinatorie: una specie di realizzazione pratica del "teorema della scimmia dattilografa" (ovvero: dato abbastanza tempo, una scimmia che picchi a caso i tasti di una macchina da scrivere può produrre tutti i libri del British Museum).

La Biblioteca è fatta di stanze esagonali, ognuna contenente 640 libri organizzati in scaffali: ogni libro ha 410 pagine di 40 righe, ogni riga ha 40 caratteri. Questo significa che ogni libro contiene 410 x 40 x 80 = 1312000 caratteri. I segni tipografici utilizzati sono 25, il che dà un totale di 25 elevato alla 1312000 libri possibili. Un numero finito, eppure inimmaginabilmente più grande del numero di tutti gli atomi contenuti nell'universo visibile (che si può stimare essere circa 10 elevato alla 80). La Biblioteca contiene non solo tutti i libri già scritti, ma anche tutti i libri che potrebbero essere scritti. Il che significa: tutte le storie possibili, comprese le descrizioni dei più minuti episodi delle nostre vite. Cercando un po' in giro, ho scoperto che c'è chi ha creato un simulatore dei libri contenuti nella Biblioteca. (Ovviamente, non riuscirà mai a produrre niente di neanche lontanamente vicino a un libro sensato, e la frazione di libri effettivamente prodotti sarà sempre completamente irrilevante rispetto al totale.)

Prospettive

"Viviamo su una placida isola di ignoranza in mezzo ai neri mari dell'infinito"
H.P. Lovecraft

Se siete di quelli a cui il pensiero della vastità dell'Universo fa tremare le ginocchia, allora decisamente questa immagine non fa per voi:


(Si chiama Hubble Ultra Deep Field e l'ha presa il telescopio spaziale Hubble tra il 2003 e il 2004.) Quei punti luminosi non sono stelle isolate. Ognuno di essi è una galassia, un insieme di centinaia di miliardi di stelle. Ce ne sono circa diecimila in questa immagine, fate voi i conti. E questo è solo un minuscolo frammento di cosmo: la foto copre un'area di cielo insignificante, grande come un quadrato di un millimetro di lato visto da un metro di distanza. E non è una zona speciale dell'Universo: se guardassimo in qualsiasi altra direzione abbastanza a lungo vedremmo più o meno la stessa cosa. Sembrerebbe un cosmo molto affollato, allora: ma non è così, perché l'Universo è immenso. Le distanze che ci separano da molte di quelle galassie sono tali che loro luce, partita quando l'Universo aveva poche centinaia di milioni di anni, ha impiegato circa 13 miliardi di anni per raggiungerci. Tutto il contenuto del cosmo è sparpagliato in un volume così enorme che la sua densità è equivalente a quella di un grammo di materia in una sfera grande centinaia di volte la Terra.

Aiuta a mettere le cose in prospettiva, no?

No surprises

Questa settimana il team di WMAP ha annunciato i risultati del quinto anno di osservazioni della radiazione cosmica di fondo dallo spazio. (Per chi vuole un ripasso veloce sulle puntate precedenti, qui c'è un'introduzione divulgativa che avevo scritto giusto un anno fa. Per approfondire, c'è sempre il libro.)

In sintesi, la notizia è che non c'è notizia, nel senso che i nuovi dati non introducono sorprese nello scenario consolidato. L'universo ha sempre circa 13.7 miliardi di anni, è sempre fatto per la maggiore parte (95%) di materia ed energia oscura di cui per ora non sappiamo granché, e la sua evoluzione è descritta molto bene dal modello cosmologico del Big Bang. (Qui trovate tutti i numeri, se avete voglia di precisione.)

No news is good news, in un certo senso: vuol dire che la baracca sta in piedi piuttosto bene. Certo, ci sono ancora tante cose da comprendere meglio, ma per questo ci vorranno dati di precisione ancora maggiore e informazioni sulla componente polarizzata della radiazione. Per tutto questo bisognerà aspettare Planck (ci siamo quasi, eh.)

Facciamocene una ragione

Da circa dieci anni ormai, i cosmologi vanno a caccia di indizi sulla natura dell'energia oscura, una misteriosa componente che potrebbe spiegare come mai l'espansione dell'Universo sembra accelerare invece che rallentare.
Ai mezzi di indagine usati finora se ne è adesso aggiunto un altro, che si basa sull'osservazione dei moti delle galassie su grande scala. Sappiamo che in media le galassie si allontanano tra loro seguendo l'espansione dell'Universo, ma esistono anche moti che si discostano leggermente dalla tendenza generale e che sono causati dalla presenza di disomogeneità locali nella densità (per esempio, se in un certo punto dell'Universo c'è più massa rispetto alla media, le galassie tendono a muoversi in quella direzione). Questa settimana Nature ha pubblicato il risultato della mappatura dei moti di parecchie migliaia di galassie effettuata usando dati raccolti dal Very Large Telescope dell'ESO. Le osservazioni provengono da circa 7 miliardi di anni fa, e coprono un volume di oltre 25 milioni di anni luce cubici. Confrontando i moti delle galassie in quell'epoca passata con quelli nell'Universo attuale, secondo lo studio, si possono ottenere informazioni sui dettagli dell'evoluzione cosmica nel corso del tempo e quindi anche sulla natura dell'energia oscura. Per il momento, i risultati danno solo una conferma indipendente della necessità di un meccanismo che acceleri l'espansione. Ma per capirne la natura esatta dovranno essere fatti studi su volumi di Universo almeno 10 volte più grandi. Resta il fatto che con l'energia oscura, o qualcosa del genere, dovremo fare i conti. L'Universo è più strano di quello che pensavamo: facciamocene una ragione.

Viaggi nel tempo / 2

Nel 1985, Carl Sagan sta scrivendo Contact e a un certo punto ha bisogno di un modo plausibile per far viaggiare la protagonista del romanzo attraverso la Galassia. Gli viene in mente di farla entrare in un buco nero e risbucare in un altro punto dello spazio, ma non è sicuro che la cosa possa funzionare. Decide allora di chiamare il suo amico e collega Kip Thorne, che sta a Caltech ed è uno dei massimi esperti dell'argomento. Thorne legge il manoscritto e si accorge subito che il meccanismo ideato da Sagan non sta in piedi: qualsiasi cosa entri in un buco nero fa una brutta fine, altro che viaggi interstellari. Però, pensa Thorne, si potrebbe provare a usare un "wormhole" (buco di verme).

Un wormhole è una specie di buco nello spazio, che mette in comunicazione due punti molto distanti attraverso una scorciatoia. Se lo spazio avesse solo due dimensioni, uno schema di wormhole sarebbe così:

Se uno volesse andare dal punto A al punto B attraverso lo spazio ordinario dovrebbe fare un percorso molto lungo, magari di parecchi anni luce. Ma passando attraverso il wormhole il percorso sarebbe molto più breve. Ora, i wormhole sono soluzioni matematiche delle equazioni di Einstein perfettamente valide, scoperte addirittura nel lontano 1916 (il nome però glielo ha dato John Wheeler, che li ha studiati parecchio negli anni '50). Ma queste soluzioni, oltre che descrivere una situazione fisica altamente ipotetica, sono quasi sempre instabili: un wormhole, anche ammesso che si apra, si richiuderebbe in un lasso di tempo brevissimo.

Per aiutare Sagan, a Thorne serve invece un wormhole stabile, che possa essere attraversato da una parte all'altra, mettendo in comunicazione due punti distanti della Galassia. Thorne fa qualche calcolo e arriva alla conclusione che si può mantenere aperto un wormhole in presenza di qualche tipo di materia molto strana, con densità di energia negativa. Dopo aver studiato ancora un po' il problema insieme a un suo studente, pubblica il risultato, più che altro come una pura curiosità didattica.

Poi però ci prende gusto, continua a lavorare al problema (un po' di straforo, per la verità, visto che l'argomento è di quelli che possono distruggere una carriera) e a un certo punto si accorge che se uno ha un wormhole allora ha anche una macchina del tempo. Cioè, non proprio bell'e pronta: deve "solo" prendere uno dei due ingressi del wormhole, accelerarlo a velocità prossime a quelle della luce e poi portarlo al punto di partenza. Fatto questo, per un fenomeno simile a quello del paradosso dei gemelli, attraversando il wormhole si viaggia anche avanti e indietro nel tempo: con il vincolo, però, di non poter mai tornare a tempi precedenti a quelli della creazione del wormhole.

Dal primo lavoro di Thorne, sono successe due cose. La prima, è che oltre a salvare il romanzo di Sagan, il wormhole è diventato una pacchia per gli autori di fantascienza (Star Trek Deep Space Nine e Stargate, tanto per fare due esempi). Lo stesso Thorne sta collaborando alla preparazione di "Interstellar", un film di Spielberg su un gruppo di esploratori che attraversano un wormhole. La seconda è che i cosmologi hanno cominciato a considerare un po' meno implausibile un tipo di materia con le caratteristiche ipotizzate da Thorne, visto che essa potrebbe spiegare l'osservazione dell'espansione accelerata dell'Universo. Ragion per cui, l'interesse per queste strane soluzioni della relatività generale è aumentato, invece di diminuire.

Ma tutto è partito da una domanda nata per scrivere un buon libro di fantascienza.

(Continua, forse. La prima parte è qui)

Ultime dall'Universo

È stata la settimana del meeting annuale dell'American Astronomical Society, è come sempre sono state annunciate parecchie novità interessanti. Per esempio, usando il telescopio spaziale Hubble, è stato osservato per la prima volta un doppio anello di Einstein:


Cos'è? È una manifestazione spettacolare dell'effetto di lente gravitazionale di cui abbiamo già parlato un po' anche qui e qui. In questo caso, sono rimaste coinvolte tre galassie, distanti 3, 6 e 11 miliardi di anni luce. La massa della galassia più vicina ha curvato lo spazio nelle sue circostanze, così che la luce proveniente dalle due galassie più lontane è stata distorta (proprio come in una lente). Uno straordinario colpo di fortuna ha voluto che le tre galassie fossero perfettamente allineate lungo la linea di vista: quando ciò accade la distorsione è esattamente simmetrica e si forma l'immagine di un anello intorno alla galassia che fa da lente. Qui l'allineamento si è verificato per ben due volte, cosa evidentemente molto rara.

Poi c'è stata una straordinaria immagine della galassia Centaurus A presa dal telescopio Chandra:


In realtà, quella a sinistra è un'immagine composita fatta mettendo insieme le immagini in varie bande sulla destra. Quella osservata da Chandra è solo la componente nei raggi X, in alto a destra, che mostra la presenza di due enormi jet che partono dal nucleo della galassia. A un'osservazione fatta con un telescopio tradizionale (immagine in basso a destra) Centaurus A sembra solo una galassia qualsiasi. Ma quando la si osserva nella banda radio o in X si notano gli effetti devastanti della presenza di un buco nero supermassiccio nel suo nucleo. La materia viene continuamente inghiottita dal buco nero, spiraleggiando in uno spesso disco che circonda il nucleo (e che è possibile vedere nell'immagine come una banda trasversale che oscura la luce delle stelle) e rilasciando durante la caduta uno spaventosa quantità di energia, evidente nei due jet, lunghi circa 13 mila anni luce. 

Chiudo con questo spettacolare dettaglio della Nebulosa Vela nella costellazione del Cigno — non una roba da prima pagina, per la verità, ma la mostro lo stesso perché ci ricorda che l'astronomia, oltre ad aprirci gli occhi sul nostro posto nell'Universo, è anche una fonte inesauribile di bellezza estetica:


Sono i resti di una ben nota esplosione di supernova avvenuta tra 5000 e 10000 anni fa a 1500 anni luce da qui. L'esplosione ha scagliato materiale e gas a distanze enormi, e nel corso di migliaia di anni ha dato vita a queste strutture filamentose.

Il che dovrebbe anche trasmetterci la consapevolezza che, dietro la maestosità di certe immagini astronomiche, c'è un Universo in cui avvengono fenomeni di inimmaginabile violenza.

Viaggi nel tempo

Intorno al tema dei viaggi nel tempo sono stati costruiti innumerevoli libri e film di fantascienza. Se il viaggio nel futuro serve spesso come prestesto per storie a sfondo sociologico, spesso dai toni apocalittici o antiutopici (si veda il caso più noto, "The Time Machine" di H.G. Wells), il viaggio nel passato è quello che probabilmente ha maggiore potenziale narrativo. La ragione, presumibilmente, sta nell'introduzione di un elemento di circolarità nelle storie, nella possibilità di alterare i rapporti di causa ed effetto in modi sconcertanti e lontani dalla percezione comune. Un viaggiatore nel tempo può cambiare il proprio passato e con esso il mondo futuro da cui proviene, dando luogo a paradossi senza fine, a percorsi autoreferenziali apparentemente impossibili e contraddittori come la scala di Penrose.

Il paradosso più radicale è quello in cui un'azione compiuta dal viaggiatore nel passato rende impossibile la propria stessa nascita (per esempio attraverso l'uccisione del proprio genitore). Casi altrettanto drammatici sono quelli in cui il viaggiatore si ritrova catturato in un ciclo infinito da cui non riesce a uscire, perché è proprio l'azione da lui provocata nel passato che gli fornirà, in futuro, la spinta a viaggiare a ritroso nel tempo: un eterno ritorno opprimente da cui è bandito il libero arbitrio. Un esempio di storia circolare di questo tipo si trova nel cortometraggio "La Jetée" di Chris Marker, che ha ispirato il film "L'esercito delle 12 scimmie" di Terry Gilliam. Poi ci sono i cicli imperfetti, che si ripetono sempre leggermente diversi fino a quando il viaggiatore non trova la chiave per ripristinare la "realtà" originaria o per uscire dal ciclo. Questo presupposto dà spesso vita a storie più leggere o ottimistiche, come la commedia "Groundhog Day" ("Ricomincio da capo", in italiano), in cui Bill Murray è costretto a ripetere innumerevoli volte la stessa giornata dall'inizio, fino a diventare una persona migliore. Un altro caso di ciclo temporale (imperfetto?) è emerso recentemente in Lost (e non dite che vi ho rovinato la sorpresa perché la puntata in questione è stata trasmessa da Raidue proprio ieri sera).

Cosa ha da dire la fisica su queste possibili contraddizioni? Naturalmente, non c'è moltissima attività teorica su temi speculativi di questo tipo, ma qualche tentativo è stato fatto. È interessante che la prima soluzione della teoria della relatività generale che prevedeva curve temporali di tipo chiuso, permettendo di descrivere viaggi nel passato, fu trovata dal logico e matematico Kurt Gödel, più noto per i suoi lavori sulla ricorsività nei sistemi logici. Tuttavia, oggi sappiamo che le soluzioni di Gödel, benché formalmente corrette, non hanno attinenza con l'universo reale. Più recentemente, le vie di uscita ai paradossi causati dalla possibilità di viaggi nel passato sono state essenzialmente di due tipi. Quelle che rientrano nell'ambito delle "teorie a molti mondi", per cui ogni alterazione della linea temporale si dirama in un diverso universo: ogni possibile conflitto viene così cancellato postulando l'esistenza di infinite realtà parallele non interconnesse. Oppure quelle che ritengono semplicemente che gli eventi che potrebbero causare una contraddizione nelle curve temporali chiuse hanno una probabilità nulla di verificarsi. In pratica, anche volendo, non riusciremmo mai a causare un paradosso, semplicemente perché non riusciremmo mai a partire dalla giuste condizioni iniziali. Questa interpretazione fu proposta per la prima volta dal fisico Igor Novikov. Secondo Stephen Hawking, invece, qualche principio ancora non compreso (la "congettura di protezione della cronologia"), analogo al principio di conservazione dell'energia, vieterebbe l'esistenza di curve temporali chiuse, eliminando alla radice la possibilità dei viaggi nel tempo e quindi l'emergere di qualsiasi paradosso.

(Continua qui e qui)

Conclusioni affrettate

Interessante, per le lezioni che se ne possono trarre sul rapporto tra mondo della scienza e mondo della comunicazione, la storia che ha recentemente coinvolto il cosmologo Lawrence Krauss (che molti conosceranno per aver scritto il libro "La fisica di Star Trek") e la rivista New Scientist (la stessa che aveva messo in copertina la storia sul "vuoto cosmico" e sugli "universi paralleli"). Circa un mese fa, Krauss e un suo collaboratore hanno scritto uno studio dal titolo "The Late Time Behavior of False Vacuum Decay: Possible Implications for Cosmology and Metastable Inflating States", che non sembrava avere niente di particolarmente attraente per il grande pubblico. Sennonché, a qualcuno della redazione di New Scientist non è sfuggita l'ultima frase del sommario:

Several interesting open questions are raised, including whether observing the cosmological configuration of our universe may ultimately alter its mean lifetime.

Cioè, osservare l'Universo potrebbe alterare la durata della sua esistenza? Una notiziona, che New Scientist si affretta a pubblicare con il solito vecchio trucco di far terminare un titolo sensazionalista con un prudente punto interrogativo ("Osservare l'Universo ha affrettato la sua fine?"). A quel punto, la notizia viene ripresa dal Telegraph ("L'umanità sta accorciando la vita dell'Universo", senza nemmeno più la foglia di fico del punto interrogativo), finisce su Slashdot, e rimbalza nei blog scientifici di mezzo mondo.

Il lavoro di Krauss ha a che fare con la possibilità che l'Universo si trovi attualmente in uno stato di 'falso vuoto': uno stato cioè in cui la densità di energia non ha ancora raggiunto il suo minimo reale. Si pensa che una fase del genere sia stata già attraversata dall'Universo in un lontano passato, durante il periodo 'inflazionario' di espansione accelerata. Alla fine della fase inflazionaria, l'energia del falso vuoto sarebbe stata tramutata in materia e radiazione (lo stato che viene comunemente chiamato Big Bang). Le osservazioni mostrano che l'espansione dell'Universo ha cominciato di nuovo ad accelerare in tempi recenti, cosa che viene intepretata con l'esistenza di una densità di energia di vuoto non nulla. Che cosa succederebbe se l'attuale densità di energia del vuoto fosse un 'falso vuoto', in procinto di transire a uno stato di 'vero vuoto'? Se la transizione avvenisse, il contenuto dell'Universo potrebbe cessare di esistere.

Questo sarebbe già abbastanza per scatenare la curiosità. Ma la ciliegina sulla torta è l'ultima frase dell'articolo di Krauss:

Put another way, could internal observations of the state of a metastable universe affect its longevity?

frase che sembrerebbe alludere al fatto che, siccome in fisica quantistica lo stato di un sistema può essere alterato da un'operazione di misura, l'osservazione della densità di energia del vuoto potrebbe aver reso più o meno probabile la transizione dal falso al vero vuoto. 

Ma a quanto pare non era questa l'intenzione di Krauss: la cosa dovrebbe invece intendersi nel senso che conoscere il valore della densità di energia del vuoto potrebbe permetterci di stimare meglio la probabilità che avvenga l'eventuale transizione. Accortosi che la cosa si era spinta un po' troppo oltre, Krauss ha scritto al Telegraph e a New Scientist per chiedere una rettifica, si è scusato per aver in parte contribuito alla confusione, e ha sostituito lo studio originale con una nuova versione in cui la frase incriminata è diventata:

Put another way, what can internal observations of the state of a metastable universe say about its longevity?

La lezione da trarre da tutto questo, se ce ne fosse bisogno, è che ci vuole un'estrema attenzione per non essere fraintesi quando si divulgano concetti tecnici non proprio intuitivi. Come dice Krauss:

I have learned that one must be extra careful in order not to cause such misrepresentations in the press, and I should know better.

Vuoti a rendere

Parecchi mi hanno chiesto ragguagli e opinioni a proposito di questa notizia. Per chi non l'avesse letta, si tratterebbe della presunta scoperta di una traccia osservativa di (cosiddetti) universi paralleli al nostro, sotto forma di un vuoto nella distribuzione di galassie. Il vuoto è lo stesso di cui abbiamo parlato qui un po' di tempo fa; e gli "universi paralleli" sarebbero quelli che vengono fuori in alcune interpretazioni della teoria delle stringhe, ovvero quelli basati sulla speculativa e controversa idea del "landscape" (e anche a questa cosa avevamo un po' già accennato qui, sebbene in un contesto diverso). Per capirci qualcosa di più bisogna intanto osservare che la notizia si riferisce a un articolo apparso su New Scientist, che è una buona rivista di divulgazione scientifica (alla Scientific American, per capirci) ma non certo un'autorevole rivista specialistica (alla Nature, per capirci). Comunque, nel 2006 Mersini-Houghton aveva presentato uno studio, poi ripreso e ampliato con alcuni collaboratori, sulla possibilità che la presenza di vuoti nella distribuzione di materia possa essere letta come una "smoking gun", un'evidenza indiretta in favore dello scenario del "landscape". Stando a questo scenario, diverse regioni con diverse condizioni iniziali avrebbero originato diversi universi, separati dal nostro da distanze così enormi da non essere osservabili (tecnicamente, questi universi sarebbero fuori dal nostro orizzonte cosmologico). Ma secondo Mersini-Houghton e collaboratori, il fenomeno dell'entanglement quantistico, che agiva tra le diverse regioni quando queste erano ancora microscopiche (prima cioè della successiva espansione), continuerebbe a legarle ancora oggi, causando, tra l'altro, vuoti nella distribuzione di materia su grande scala. Ora, il vuoto osservato qualche mese fa viene interpretato da Mersini-Houghton proprio come una conferma della sua ipotesi. Tutto molto speculativo e ancora da approfondire, e sicuramente non l'unica interpretazione possibile. Ma data la ben nota difficoltà nel mettere alla prova la teoria delle stringhe, la cosa ha fatalmente destato un certo interesse.

Scienza. Funziona

La cosa che trovo straordinaria nel successo di xkcd, la striscia messa in rete un paio di anni fa da un geek ventitreenne e propagatasi tra molti altri geek fino a far parlare di sé anche Wired, non è il contrasto con la grafica approssimativa (gli omini-stecco fanno scattare il classico "quello potevo farlo anch'io") quanto il fatto che per capire le battute bisogna cogliere tutto un substrato di sottintesi che pescano nel mondo esoterico della tecnologia, dei computer, della fisica, della matematica, e così via. Insomma, roba molto di nicchia. Per esempio, mi domando quanti abbiano capito questa:



La curva è quella di una distribuzione energetica di corpo nero, un sistema fisico ideale che descrive una situazione di equilibrio tra radiazione elettromagnetica e materia. Con buona approssimazione, qualsiasi oggetto a una certa temperatura, per esempio una stella o il nostro stesso corpo, emette radiazione elettromagnetica che segue la distribuzione di corpo nero. Ora, la fisica del corpo nero è di per sé di straordinaria importanza in fisica: per capire come mai la distribuzione avesse proprio quella forma, all'inizio del XX secolo Max Planck dovette inventare il concetto di "quanto" di energia, cosa che in breve portò alla rivoluzione della meccanica quantistica. (La formula che compare sopra la curva è proprio la legge di Planck del corpo nero.) Ma non è a questo che si riferisce la frase nella vignetta ("Scienza. Funziona, cavolo"). L'allusione riguarda uno dei più spettacolari esempi di accordo fra previsioni teoriche e dati sperimentali della storia della scienza (e non lo dico perché è il mio campo di ricerca, credetemi). Il modello del Big Bang prevede che tutto l'Universo sia pervaso da una radiazione cosmica di fondo con caratteristiche di corpo nero alla temperatura di circa 3 gradi sopra lo zero assoluto, residuo di una fase primordiale, terminata da diversi miliardi di anni, in cui l'intero Universo era in equilibrio termico a temperature enormi. Come sa già chi passa spesso da queste parti, questa radiazione è stata rivelata casualmente per la prima volta nel 1964. Poi, nel 1990, il satellite COBE fece una misura estremamente accurata della sua distribuzione energetica e scoprì che, esattamente come previsto, è quella di un corpo nero praticamente perfetto alla temperatura di 2.7 K. Il picco di energia si trova a circa 160 GHz, proprio come indicato  nella vignetta. Per questo e altro COBE ha poi avuto il Nobel per la Fisica, nel 2006.

Ecco, tutto questo per capire una vignetta.

Le Scienze

Nel numero di ottobre c'è questa recensione.

Prima dell'inizio

Quando dici che studi l'origine dell'universo, capita che qualcuno ti chieda se sai quello che c'era prima del big bang. Onestà vorrebbe che io dicessi che non so nemmeno quello che c'era dopo il big bang, almeno non nel senso di saperlo come "so" che oggi porto una camicia a righe. Comunque, di solito la cosa che si fa in questi casi è tentare di aggirare elegantemente la domanda. C'è per esempio chi cita Agostino, ma lo fa in modo sbagliato. Agostino non ha detto che prima dell'inizio "Dio preparava l'inferno per quelli che si fanno questo tipo di domande". Ha detto invece che il tempo nasce con la creazione e quindi non ha senso chiedersi cosa ci fosse prima dell'inizio. In effetti, anche nel modello del big bang l'inizio è l'inizio di tutto: dello spazio e del tempo. Prima del big bang non c'era niente, punto. Risalire a istanti precedenti sarebbe come volere andare più a nord del polo nord.

Potremmo finirla qui, ma in realtà la cosa è più complicata. Il fatto è che non conosciamo ancora la fisica adatta a descrivere quello che succede attorno al big bang. C'è un velo di ignoranza che avvolge gli istanti iniziali del cosmo. Esistono diverse ipotesi plausibili, ma ci mancano i mezzi per metterle alla prova. C'è per esempio lo scenario dell'inflazione, che oggi si pensa sia un ingrediente indispensabile di ogni modello cosmologico, secondo il quale quello che poi è diventato il nostro universo si è espanso per un certo periodo in modo esponenziale, cancellando ogni traccia delle condizioni di partenza. Il nostro universo potrebbe essere nient'altro che "un" universo, una bolla originatasi da un magma caotico di fluttuazioni quantistiche, in un altro universo infinito e senza origine.

Di recente, Paul Steinhardt e Neil Turok hanno proposto uno scenario alternativo. L'universo potrebbe aver avuto origine dalla collisione tra due "membrane", oggetti previsti dalla teoria delle stringhe: una delle membrane sarebbe il nostro spazio tridimensionale, l'altra sarebbe uno spazio analogo separato da un'ulteriore dimensione microscopica. Secondo il modello di Steinhardt e Turok, lo scontro tra i due "mondi" può spiegare la produzione di radiazione necessaria all'inizio "caldo" dell’universo. E l'urto tra le membrane sarebbe un evento ciclico, destinato a ripetersi innumerevoli volte in un universo eterno. Steinhardt e Turok si spingono fino a ipotizzare che l'energia oscura che sta facendo accelerare l'espansione dell'universo potrebbe essere la manifestazione di una forza di interazione fra le due membrane.

Difficile dire se e quando si potrà decidere quale è lo scenario corretto a descrivere l'origine dell'universo, e se un origine c'è stata davvero.

Anche questo non scherza

Come buco, cioè. Dopo quello su Marte ce n'è un altro, ben più grande, che ha colto di sorpresa gli astronomi. Anzi i cosmologi, in questo caso. Lawrence Rudnick, Shea Brown e Liliya Williams dell'Università di Minnesota hanno scritto un articolo che uscirà a dicembre su 'The Astrophysical Journal', che annuncia la scoperta di un 'vuoto' nella distribuzione di galassie del catalogo NVSS. Il vuoto appare fisicamente collegato a una 'macchia fredda' nella distribuzione di temperatura della radiazione cosmica di fondo osservata da WMAP. La cosa viene interpretata come una manifestazione del cosiddetto 'effetto Sachs-Wolfe integrato': quando i fotoni del fondo cosmico attraversano una zona in cui la densità dell'universo sta variando rispetto alla media, perdono o acquistano energia, apparendo quindi più caldi o più freddi della media. L'effetto era già stato osservato diverse volte in passato usando gli stessi dati, ma solo in modo statistico. La nuova analisi sembra invece dimostrare l'esistenza di una correlazione tra l'assenza di galassie e la temperatura della radiazione cosmica di fondo in una particolare zona del cielo: secondo gli autori, il 'buco' nella distribuzione di materia dovrebbe avere un raggio di almeno 140 Megaparsec (circa 420 milioni di anni luce). Una regione enorme, ben al di là delle previsioni del modello cosmologico standard. Un risultato anomalo, quindi, che richiederà ulteriori indagini.

Troppo buono

A Giovanni De Matteo 'La musica del Big Bang' è piaciuto.

Sempre l'ultimo a sapere le cose

Su Avvenire del 22 luglio c'era un paginone sulla musica del cosmo nell'inserto culturale domenicale, con boxino/intervista al titolare di qui.