Le domande aperte della scienza

Le domande aperte della scienza

di Corrado Ruscica

Tratto da Enigmi Astrofisici di Corrado Ruscica

Questi sono anni doro per lastronomia moderna perché gli scienziati stanno acquisendo tutta una
serie di informazioni grazie soprattutto allenorme flusso di dati che ci arrivano continuamente
dagli osservatori terrestri ma soprattutto dai telescopi spaziali. Nonostante ciò gli scienziati
sono impegnati a risolvere alcuni quesiti fondamentali che riguardano in parte problemi di natura
teorica, cioè la formulazione di teorie che non sembrano essere in grado di spiegare certi fenomeni
fisici o alcuni dati osservativi, e in parte di natura sperimentale, ossia la difficoltà di
realizzare esperimenti in laboratorio che siano in grado di verificare o smentire un modello oppure
di studiare un particolare fenomeno da cui possiamo ottenere informazioni sempre più dettagliate.

La relatività generale e la meccanica quantistica costituiscono attualmente le due teorie più
complete e più esatte per descrivere rispettivamente da un lato lUniverso su larga scala, cioè quei
fenomeni celesti che caratterizzano i pianeti, le stelle, le galassie, gli ammassi di galassie, e
dallaaltro il mondo degli atomi e delle particelle elementari. Nonostante ciò, le due teorie sono
in contrasto tra loro. Quello della meccanica quantistica è un mondo bizzarro e pieno di stranezze e
dove si può solo prevedere la probabilità con cui si verifica un determinato fenomeno fisico. Qui
valgono le leggi della casualità perciò tutte le possibilità che accada un evento potranno
verificarsi. Quindi, di fronte al fatto che ci sono tante migliaia di possibilità che accada un
evento, la teoria quantistica non può dire con certezza quale di essi si verificherà, ma può
fornirci solo delle informazioni sullevento che potrà verificarsi in maniera più probabile. Anche
nel mondo a noi familiare, la meccanica quantistica prevede la possibilità che possa accadere quello
che noi riteniamo sia impossibile. Ad esempio, esiste la possibilità che le particelle attraversino
muri o barriere apparentemente impenetrabili la cui probabilità affinchè levento possa accadere è
così bassa che occorrerebbe aspettare un tempo infinito. Einstein dubitò sempre sul fatto che
lUniverso si comportasse in maniera casuale e imprevedibile perchè riteneva che esistessero regole
ben precise per misurare e prevedere qualsiasi fenomeno fisico. Lidea che si possa calcolare la
probabilità che le cose accadano in un modo o nellaltro non persuase certamente lo scienziato.

Ma con il passare del tempo, furono proprio i risultati sperimentali che davano torto ad Einstein e
ragione alla meccanica quantistica che divenne definitivamente la teoria ufficiale per descrivere il
mondo degli atomi e delle particelle subatomiche. Durante gli anni 30, la meccanica quantistica
svelava i segreti dellatomo e indagando sulla struttura della materia gli scienziati avevano
scoperto altre due forze, la forza nucleare forte, che come un collante tiene unito il nucleo
dellatomo legando i protoni ai neutroni, e la forza nucleare debole, che consente ai neutroni di
trasformarsi in protoni, e viceversa, con conseguente emissione di radiazione. Perciò, a livello
atomico, la forza di gravità venne oscurata dallo studio delle altre tre forze. Ma come poteva
allora integrarsi la gravità nella descrizione quantistica? Nessuno riusciva ad immaginare quale
fosse il comportamento della gravità a livello atomico e nessuno era in grado di conciliare la
relatività con la meccanica quantistica in un unica descrizione. Per decenni, tutti i tentativi di
descrivere la gravità con il linguaggio della meccanica quantistica fallirono miseramente e, dopo la
morte di Einstein, nessun scienziato prese seriamente in considerazione il problema di unificare le
leggi della fisica. Insomma, la fisica è come divisa in due branche, da un lato la relatività
generale che ci permette di descrivere lUniverso macroscopico, dallaltro la meccanica quantistica
che ci permette invece di descrivere luniverso microscopico. E un po come avere due famiglie che
non vanno daccordo e non si parlano mai pur vivendo nella stessa casa. Sebbene entrambe le teorie
descrivono con precisione il dominio in cui esse sono valide, sembra che non sia possibile
conciliarle in ununica teoria che sia in grado di descrivere lUniverso a tutti i livelli.

Eppure gli scienziati sono concordi che tutto, dalle particelle subatomiche alle galassie, dovrebbe
essere spiegato da un unico principio fisico, descritto da ununica e semplice equazione che ci
permetta di capire come funziona lUniverso in ogni tempo ed in ogni luogo mediante cioè una teoria
unica. Oggi, la cosiddetta teoria delle stringhe potrebbe realizzare il sogno di Einstein quale
migliore formulazione matematica maggiormente candidata ad essere considerata a tutti gli effetti
la teoria del tutto. La formulazione di una tale teoria del tutto dovrebbe portarci alla naturale
ricerca di quelle che sono state le condizioni, e forse anche le motivazioni, da cui è nato
lUniverso come noi lo conosciamo. Essa deve comprendere quasi tutte le scienze che sono
generalmente raggruppate in vari campi di studio, dalla cosmologia alla relatività e gravitazione,
dallastrofisica alla fisica delle alte energie. Tuttavia, nellambito di queste discipline esistono
delle domande ancora aperte a cui gli scienziati stanno continuamente tentando di rispondere
attraverso la formulazione di modelli matematici e teorie aiutandosi con losservazione profonda del
cielo e con la realizzazione di esperimenti di laboratorio sempre più complessi.

Problematiche della cosmologia

Sebbene sia accettato dalla stragrande maggioranza di cosmologi come la teoria ufficiale per
descrivere la nascita e levoluzione dellUniverso, il modello cosmologico standard, detto anche del
Big Bang, presenta alcune lacune. Qualè lorigine della materia, dellenergia, dello spazio, del
tempo e delle forze fondamentali? Qualè il significato dellesistenza stessa del nostro Universo?
E lecito chiedersi cosa cera prima del Big Bang o si tratta di una domanda assurda? [Capitolo 1].
Le misure effettuate sulla radiazione cosmica di fondo indicano che la temperatura della radiazione
fossile èstranamente uniforme in ogni direzione del cielo. Come mai lUniverso appare così omogeneo
quando il modello del Big Bang prevede lesistenza di anisotropie più grandi di quelle osservate?
Una possibile risposta a questa domanda deriva dal cosiddetto modello inflazionario che descrive la
fase di rapida espansione esponenziale dellUniverso, subito dopo il Big Bang, partendo da un volume
di spazio molto piccolo e tale da far sì che tutte le sue parti abbiano avuto il tempo di comunicare
tra loro per rendere uniforme la temperatura dello spazio. Ma se il modello è corretto, la domanda
è: quali sono i dettagli di questa epoca di super espansione dello spazio? Certamente gli scienziati
non hanno ancora delle prove evidenti sullinflazione e per verificare ciò occorrerà analizzare in
maniera estremamente dettagliata la radiazione cosmica di fondo e vedere se ci sono delle tracce
lasciate, ad esempio, dalla propagazione di onde gravitazionali che possano essere riconducibili al periodo dellespansione inflazionaria.

Oggi sappiamo che i dati ottenuti dalla missione del satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe) sulla radiazione cosmica di fondo, che hanno fornito unafotografia dellUniverso neonato
quando aveva unetà di circa 400.000 anni dopo il Big Bang, sembrano essere consistenti con il
modello dellespansione inflazionaria. La missione del satellite Planck, attualmente in corso, avrà
lo scopo di fornirci una mappa ancora più dettagliata della radiazione cosmica di fondo per
spiegare, si spera, alcuni punti ancora oscuri del modello cosmologico standard[Capitolo 2]. I dati
ottenuti da WMAP permettono di avere una stima sulletà dellUniverso che è di circa 13,7 miliardi
di anni, suggeriscono che le prime stelle si sono formate circa 200 milioni di anni dopo il Big
Bang, che il contenuto materia-energia è costituito dal 4% di materia visibile, cioè di materia
ordinaria formata dagli atomi e dalle particelle elementari, che il restante 96% è a noi
sconosciutoe che lo spazio si espande in maniera accelerata. Dunque, possiamo affermare che non è
tutta la materia che brilla a rappresentare lUniverso osservabile dato che il contributo dominante
al contenuto materia-energia è dato da due componenti, dette materia scura ed energia scura, che
contribuiscono rispettivamente con il 23% circa ed con il 73% circa e di cui ignoriamo profondamente
la loro vera origine e natura. Che cosè dunque la materia scura? E forse collegata con la
supersimmetria o si tratta di una estensione della gravità? [Capitoli 4, 5 e 6].

Qualè la causa dellespansione accelerata dellUniverso? Come mai oggi la densità di energia della
componente energia scura ha lo stesso valore rispetto a quello associato alla densità di materia
quando entrambe evolvono nel tempo in maniera completamente diversa? Stiamo forse osservando una
coincidenza cosmica? Che cosè lenergia scura? Si tratta semplicemente della costante cosmologica o
di altre forme di energia variabili nel tempo come la quintessenza? Ciò che sappiamo è che una, la
materia scura, funge da impalcatura cosmica su cui si aggregano le galassie e gli ammassi di
galassie mentre laltra, lenergia scura, permea tutto lo spazio ed esercita una forza di tipo
antigravitazionale creando spazi sempre più vuoti [Capitoli 6 e 9]. Un altro enigma nellambito dei
problemi cosmologici è relativo allasimmetria del tempo. Il fatto che esista una differenza nella
direzione in cui evolvono i fenomeni fisici, avanti o indietro nel tempo, ci dice qualcosa sulla sua
natura? Perché ci ricordiamo il passato e non il futuro? Che relazione ha il tempo con lentropia
del sistema Universo e con la gravità? Come mai lUniverso delle origini è caratterizzato da un valore così basso dellentropia? [Capitolo 8].

Ma se il Big Bang è stato linizio di tutto, quale sarà allora la fine di tutto? LUniverso si
espanderà per sempre oppure si fermerà ad un certo punto per invertire lespansione in un grande e
spettacolare collasso gravitazionale? Per tentare di rispondere a queste domande occorre analizzare
qualè il contributo della materia in termini di gravità. In altre parole, è necessario pesare
lUniverso, calcolare la forza di gravità e confrontarla con il tasso di espansione dello spazio. Se
la gravità avrà il sopravvento essa arresterà lespansione e tutta la materia sarà soggetta ad un
collasso gravitazionale (ipotesi del Big Crunch) mentre invece se lo spazio si espanderà alla
velocità di fuga lUniverso diventerà sempre più grande e più vuoto (ipotesi del Big Chill). Ma
quale delle due ipotesi si verificherà? Ad oggi nessuno è in grado di dare una risposta definitiva e
ciò che possiamo fare è analizzare alcuni scenari cosmologici che tengono conto non solo del
contributo della materia ma soprattutto di quello delle varie forme di energia associate al vuoto
che sembrano essere responsabili dellespansione accelerata dellUniverso [Capitolo 9]. Infine, il
capitolo 10 è dedicato alle ipotesi secondo le quali il nostro Universo potrebbe non essere lunico
esistente. In altre parole, ci sarebbero tanti universi, forse miliardi di altri universi di cui
anche il nostro Universo ne farebbe parte, strutturati a formare un insieme più grande chiamato
multiverso, caratterizzati da leggi fisiche e da costanti fondamentali proprie [Capitolo 10].

Problematiche della fisica delle alte energie

Ma a questi misteri cosmologici ne dobbiamo aggiungere altri che emergono dalle primissime fasi
della storia evolutiva dellUniverso e che riguardano il campo della fisica delle particelle
elementari. Qualera lo stato fisico della materia primordiale? Come mai non sono stati osservati
quark o gluoni liberi ma solo particelle da essi composte come i mesoni e i barioni? [Capitolo 3].
Perché lUniverso è fatto di materia? Che cosa è successo allantimateria? Come mai esiste una tale
asimmetria tra materia e antimateria quando, invece, secondo le leggi della fisica conosciute
dovrebbe esserci una completa simmetria? [Capitolo 4]. E ancora, cosa determina la massa dei singoli
atomi e come essa ha origine? Come mai esiste una diversità nei valori delle masse associate alle
singole particelle? E forse il meccanismo di Higgs la soluzione dellenigma? Questo meccanismo è
alquanto complicato e ciò che viene ipotizzato è lesistenza di un campo quantistico, detto appunto
campo di Higgs, che permea tutto lo spazio e con il quale le particelle che lo attraversano
interagiscono in maniera maggiore, minore o nulla. Secondo questo modello, linterazione
campo-particella dà origine alla massa e la particella che ne media il processo è proprio il bosone
di Higgs. Quali sarebbero, però, le implicazioni se ciò non fosse vero? In realtà, lassenza del
bosone di Higgs implicherebbe una massa nulla per tutte le particelle, che viaggerebbero perciò alla
velocità della luce, risultato che è in contraddizione con ciò che si osserva in natura. Ma cè solo un bosone di Higgs o ce ne sono diversi? [Capitolo 5].

Problematiche della relatività e gravitazione

Il lungo capitolo 7 è dedicato al corpo celeste più misterioso ed enigmatico dellUniverso: il buco
nero. Da sempre, questi mostri del cielo incutono un timore reverenziale e sono spesso i
protagonisti dei film di fantascienza. Come ha origine un buco nero? Qui le domande sono tante a cui
rispondere ed in particolare vengono trattati diversi concetti tra i quali quello della singolarità,
della radiazione termica, dellevaporazione e del paradosso della perdita dinformazione dei buchi
neri. Un paragrafo è dedicato ai cosiddetti mini buchi neri la cui formazione, prevista in linea di
principio da alcuni modelli che tentano di unificare la relatività generale con la meccanica
quantistica, può avvenire o quando i raggi cosmici interagiscono con latmosfera terrestre oppure durante le collisioni di alta energia negli acceleratori di particelle.

Domande aperte

Dato che sono tanti i quesiti a cui gli scienziati stanno tentando di dare una risposta, ho pensato
di dare al lettore una idea scrivendo qui di seguito un elenco di alcune domande aperte che sono citate nel testo:

Quale è stato levento che ha effettivamente causato il Big Bang?
Cosa si è formato prima, lUniverso o le sue leggi fisiche che hanno determinato la sua evoluzione? Il Big Bang è stato veramente linizio del tempo, oltre che dello spazio? Quando ha avuto inizio il tempo?
Che cosa cera prima del Big Bang?
Perché cè stata linflazione?
Siamo proprio sicuri che linflazione funzioni come è stata descritta? Perché lUniverso è fatto di materia?
Che cosa è successo allantimateria?
Come mai esiste una tale asimmetria tra materia e antimateria quando, invece, secondo le leggi della fisica conosciute dovrebbe esserci una perfetta simmetria?
Cosa determina la massa dei singoli atomi e come essa ha origine?
Come mai esiste una diversità nei valori delle masse associate alle singole particelle?
Perché ci sono tre famiglie quando sembra che solo una è necessaria per descrivere il mondo che ci circonda?
Perché le tre famiglie hanno masse così diverse e perché proprio quelle masse? Esiste davvero la materia scura?
Che cosa è lenergia scura?
Come si forma un buco nero?
LUniverso si espanderà per sempre oppure si fermerà ad un certo punto per invertire lespansione in un grande e spettacolare collasso gravitazionale?
Quanti universi saremmo in grado di osservare?
Esiste un modo di provare lesistenza degli universi paralleli? Davvero il mondo è fatto di stringhe, membrane e dimensioni extra?

Il testo contiene dieci capitoli che possono essere letti indipendentemente luno dallaltro anche
se suggerisco al lettore di procedere in maniera sequenziale. Il testo non contiene figure ma i
rispettivi link alle pagine web laddove sia necessario inserire un riferimento iconografico. Ogni
capitolo contiene alcune parole chiave i cui link puntano ai post pubblicati sul blog
AstronomicaMentis per un maggiore approfondimento degli argomenti trattati. Inoltre, in ogni
capitolo sono riportati i link delle pagine web degli scienziati attualmente in vita che sono stati
citati mentre la sezione sitografica contiene i link agli articoli pubblicati sul blog relativamente
ad ogni scienziato che è stato citato nei vari capitoli. Infine, nella sezione bibliografica sono
riportate alcune letture suggerite, e i relativi link, suddivise per ogni capitolo.

Tratto da Enigmi Astrofisici di Corrado Ruscica (Macro Edizioni Ebook, 2011)

Corrado Ruscica
Ebook – Enigmi Astrofisici – Pdf
Macro E-book
http://www.macrolibrarsi.it/ebooks/e-book-enigmi-astrofisici.php?pn=1567