lunedì 25 maggio 2020

Tutto quello che di sbagliato tanti credono sul big bang.

Idee sbagliate su come è nato l'universo


Il big bang indubbiamente affascina, e come altri aspetti della fisica di frontiera scatena l'immaginazione di molti "appassionati". Questa immaginazione a volte si manifesta con la formulazione di teorie e affermazioni più o meno fantasiose e fai-da-te sull'evoluzione dell'universo, spesso basate su convinzioni sbagliate su cosa la scienza oggi intenda per "big bang".

Questo vuole essere un riassunto e una chiarificazione sulle principali idee sbagliate che molti hanno sull'origine dell'universo, alla luce di quello che al momento è il punto di vista sostanzialmente condiviso della comunità scientifica. In rete si trovano diversi articoli su questo argomento, come ad esempio questo. Una versione più tecnica  è invece ad esempio questa.

Il big bang non è stata un'esplosione. Il nome "big bang" è stato dato dal cosmologo Fred Hoyle nel 1949. Ironia della cosa, Fred Hoyle era sostenitore del modello dello Stato Stazionario, e quindi non credeva alla "grande esplosione". In ogni caso sull'istante zero, ammesso che sia mai esistito, non sappiamo nulla, e definirlo un'esplosione è quindi quantomeno improprio. Certamente molto improprio se la mente va all'idea che normalmente abbiamo di una esplosione, che avviene "nello" spazio, che quindi deve essere già presente di suo. Nel caso dell'universo lo spazio invece non esisteva, ma fu "creato" assieme a tutto il resto. Insomma: non possiamo immaginare il big bang come se lo guardassimo da fuori, semplicemente perché non esisteva nessun fuori, e quindi l'idea che sia stato un'esplosione è completamente sbagliata.


La teoria del big bang non è la spiegazione né la descrizione dell'istante zero. Che questo punto sia estremamente chiaro: non abbiamo idea di come realmente sia iniziato tutto quanto, ammesso che abbia un senso dire che ci sia stato un inizio. La teoria del big bang, come normalmente è intesa dagli scienziati, è semplicemente (si fa per dire) la descrizione e l'evoluzione dell'universo primordiale in base alle osservazioni sperimentali sull'universo attuale, e in base alle speculazioni che possiamo fare grazie alle nostre conoscenze di fisica. Dalle osservazioni attuali sappiamo che la distanza media fra le galassie aumenta nel tempo, e quindi, in un ipotetico filmato mandato al contrario, la materia in passato, in un'epoca che risale a quasi 14 miliardi di anni fa, doveva essere molto più densa e calda di oggi. Quindi possiamo applicare le nostre conoscenze di fisica a quelle condizioni, e se lo facciamo scopriamo che nell'universo di quasi 14 miliardi di anni fa non potevano esistere né stelle né galassie, ma soltanto i componenti fondamentali della materia stessa.  Le misure effettuate sull'universo come ci appare oggi mostrano senza ombra di dubbio (lo sottolineo, per dire che non è un punto di vista opinabile, ma un dato di fatto inoppugnabile, basato su osservazioni sperimentali e non su semplici teorie) che questa affermazione è vera, e cioè che l'universo di allora era molto più caldo e denso di quello attuale, con la materia disgregata nei suoi componenti fondamentali. Quelle condizioni così estreme, infatti, hanno lasciato tracce con caratteristiche ben specifiche, osservabili nell'universo odierno.

Non è detto che ci sia stato un istante zero. La fisica che conosciamo non funziona quando mandiamo "troppo" indietro il filmato, e questo rappresenta un muro invalicabile. Infatti se arriviamo a densità pari a 1096 kg/m3, che caratterizzerebbero la cosiddetta "era di Planck", le nostre conoscenze del mondo fisico non ci permettono di descrivere lo stato della materia a quelle condizioni così estreme. Un punto importante: il fatto che alle energie pari alla massa di Planck la fisica che conosciamo non funzioni più, non significa affatto che non ci sia stato nulla prima dell'era di Planck. I fisici parlano spesso di istante zero, ma in realtà non intendono realmente quello che queste parole sembrerebbero significare. In genere intendono un tempo che è comunque molto vicino temporalmente (estremamente vicino, per gli intervalli temporali che normalmente consideriamo) a questo stato estremo della materia, e per il quale tuttavia la fisica che conosciamo funzioni ancora. Se leggete di gente che dice con grande sicurezza che l'universo è nato da una fluttuazione quantistica, ignorateli. Sebbene vada di moda dirlo, in realtà non ne abbiamo la minima idea, né, per il momento, possiamo provarlo (o smentirlo) in alcun modo. E' un'interessante ipotesi di lavoro, perché il vuoto in fisica è estremamente più complesso del vuoto filosofico, e in quel "vuoto" molto poco vuoto potrebbero essere avvenuti fenomeni che la fisica ci dice possibili, e che potrebbero spiegare l'espansione dell'universo stesso. Queste teorie prendono il nome di "modelli inflazionari", che forse i fisici a volte tendono a prendere un po' troppo seriamente, ma che comunque costituiscono un modello interessante su cui lavorare. Tuttavia, se queste condizioni estreme caratterisitche dei modelli inflazionari fossero realmente esistite, esse dovrebbero aver lasciato tenui tracce nell'universo che osserviamo oggi, e queste tracce, se dovessimo osservarle in modo non ambiguo grazie a esperimenti futuri, potranno dirci qualcosa in più su cosa può essere realmente successo.

Non è solo una teoria. Si chiama teoria del big bang come la teoria della relatività, o la teoria dell'evoluzione, ma come la teoria della relatività e la teoria dell'evoluzione, la teoria del big bang si basa su solide basi sperimentali. In particolare il fatto che l'universo si stia espandendo e che un tempo la densità e lo stato della materia fossero diversi da quello attuale è un fatto osservativo inoppugnabile. Sembrerà assurdo, ma noi abbiamo una fotografia dell'universo di quando esso aveva solo 300 mila anni o giù di li. E' la radiazione cosmica di fondo: una "luce" che permeava l'universo quasi 14 miliardi di anni fa, e che lo permea tuttora. Una luce che oltre 13 miliardi di anni fa ha improvvisamente smesso di interagire con i nuclei di idrogeno e gli elettroni, quando questi sono finalmente riusciti a formare gli atomi di idrogeno, come conseguenza del raffreddamento dell'universo, causato dalla sua espansione. A questo punto la materia, sotto forma di atomi e non più di particelle cariche libere, è diventata improvvisamente trasparente a quella luce, e come la luce proveniente da una lampadina, che dopo aver interagito con un oggetto ci porta agli occhi le caratteristiche di quell'oggetto, così la radiazione cosmica di fondo oggi ci porta agli occhi (i nostri telescopi appositi) come era distribuita la materia all'epoca, un attimo prima che essa diventasse trasparente, con tutte le sue tenui fluttuazioni di densità e temperatura. La radiazione cosmica di fondo oggi, ci mostra come era distribuita la materia un attimo prima che i fotoni che permeavano l'universo smettessero di interagire con essa, circa 13 miliardi e mezzo di anni fa. Una delle più grande scoperte di tutti i tempi, e senza dubbio la più straordinaria fotografia (nel vero senso della parola) mai effettuata.

La "luce" che riempiva l'universo oltre 13 miliardi di anni fa, come viene osservata oggi. I diversi colori rappresentano le tenui differenze di temperatura e densità presenti all'epoca, estremamente amplificate dalla grafica. Questa è letteralmente la fotografia dell'universo di 13 miliardi e mezzo di anni fa.


Lo spostamento verso il rosso. Si dice che è un effetto Doppler, ma non è corretto. Somiglia all'effetto Doppler, ma a differenza di quest'ultimo, che è dovuto a oggetti che si muovono nello spazio, il red-shift è il risultato di una dilatazione dello spazio. E infatti la formula che descrive il red-shift cosmologico non è quella dell'effetto Doppler classico. Per galassie vicine è numericamente simile, ma differisce per galassie distanti.

Noi non ci espandiamo. Se allo specchio ci vediamo ingrassati, non possiamo imputarlo all'espansione dell'universo, ma semmai a un eccesso di amatriciane. Facciamocene una ragione. Gli atomi non si espandono, e nemmeno la terra o il sistema solare. L'espansione dell'universo si osserva a grandissima scala. Su piccola scala, dove piccola significa anche la distanza fra le galassie vicine, dominano le interazioni gravitazionali o elettromagnetiche (queste ultime nel caso dell'atomo), che rendono l'espansione dello spazio ininfluente.

Non c'è un luogo dove è avvenuto il big bang. Non c'è un ground zero nell'universo. Il big bang è avvenuto ovunque, in tutti i punti dello spazio. L'esempio di una membrana che si espande, e sulla quale soni stati disegnati dei puntini, aiuta a capirlo. Ogni puntino vedrà tutti gli altri puntini allontanarsi da lui, e si riterrà al centro dell'espansione. Per di più, esso vedrà i puntini più distanti allontanarsi con una velocità proporzionale alla distanza stessa, esattamente come la legge di Hubble. La legge di Hubble è infatti una conseguenza dell'uniformità e isotropia dell'espansione dello spazio.

L'espansione non avviene dentro uno spazio preesistente. L'espansione crea lo spazio. L'errore tipico è immaginare l'universo visto da fuori, ma non esiste nessun fuori. Tutto è, per definizione, dentro l'universo.

La recessione delle galassie non viola la teoria della relatività. Galassie molto distanti si allontanano con velocità superluminali. Questo è un fatto, un dato osservativo. Eppure non c'è alcuna violazione della teoria della relatività. Il motivo è che la velocità delle galassie è data dalla dilatazione dello spazio, e non da un moto delle galassie nello spazio. Immaginiamo la solita membrana di un pallone, e stiriamola in modo che ogni punto si allontani da tutti gli altri in modo proporzionale alla loro distanza relativa. Se la distanza tra i due punti è molto grande, è possibile che la velocità di allontanamento reciproca dei due punti superi la velocità della luce. Ma questo non ha a che fare con una violazione della teoria della relatività, perché non si tratta di un moto "attraverso lo spazio", ma una dilatazione dello spazio stesso.

Il raggio visibile dell'universo è molto maggiore di 14 miliardi di anni luce. Si potrebbe pensare che, essendo l'età stimata dell'universo di circa 14 miliardi di anni, allora 14 miliardi di anni luce debba essere anche la massima distanza visibile dalla terra. Però questa affermazione non tiene conto del fatto che nel frattempo lo spazio si è espanso, e tuttora si espande. Quindi nel tempo in cui un fotone ha viaggiato per 14 miliardi di anni dalla sorgente a noi, la distanza fra noi e la sorgente è aumentata a causa dell'espansione dell'universo. Il risultato è che quella sorgente che noi vediamo tramite il fotone che ci arriva sulla terra, è molto più distante di 14 miliardi di anni luce. Il raggio visibile dell'universo è infatti di circa 45 miliardi di anni luce. Questo non è il raggio visibile sperimentalmente, ma quello teoricamente visibile, imposto dall'espansione dello spazio. Che cosa ci sia al di là di questo ipotetico orizzone non abbiamo modo di vederlo. Questo orizzonte però recede nel tempo, e le future generazioni, fra miliardi di anni (ammesso che si siano trovate un nuovo pianeta con un nuovo sole su cui vivere), avranno a disposizione un orizzonte cosmico ancora più distante.

L'universo non ha un bordo. Il fatto che concettualmente potremmo osservare oggetti distanti al massimo circa 45 miliardi di anni luce non significa che non ci sia nulla oltre quel limite. La stessa affermazione è infatti vera per qualunque punto dell'universo. Niente ci dice che l'universo sia finito. Il "big bang", qualunque cosa esso sia stato, è una condizione di densità "infinita" (virgolettato, ovvero nel senso di estremamente elevata), ma non possiamo dire nulla su quanto estesa fosse questa condizione, pur ammesso che l'affermazione abbia un senso.

In tutto questo, c'è un aspetto della questione che a mio parere è meraviglioso: oggi possiamo trattare l'inizo dell'universo come un problema strettamente scientifico, su cui fare addirittura misure e esperimenti. Certamente qualcosa di assolutamente impensabile fino a un centinaio di anni fa. Non solo, ma oggi, grazie alla scienza, possiamo porci domande che in passato erano semplicemente inconcepibili. La scienza infatti, al contrario di altre forme di sedicente conoscenza, che tipicamente dispensano certezze immutabili (ma non verificabili), ha la caratteristica di accrescere il numero di domande senza risposta man mano che procede nella conoscenza del funzionamento della natura. Può sembrare un controsenso, ma il nostro livello di conoscenza di come funziona la natura si misura dal numero di nuovi problemi senza risposta. Problemi che un tempo non potevamo neanche immaginare, perché non sapevamo nulla. Insomma, la scienza non ci lascia mai disoccupati. E pensare che c'è chi la snobba!

8 commenti:

  1. Bellissimo articolo. C'è sempre stata una domanda che mi frulla per la testa quando leggo dell'espansione dell'universo. Probabilmente è una domanda banale e stupida. Esiste un modo sperimentale per capire se un oggetto si sta allontanando da me (osservatore) perché si sta muovendo o a causa della dilatazione dello spazio?

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    1. Grazie per i complimenti. In generale a "piccole" distanze (che possono essere anche svariati milioni di anni luce) lo spostamento delle righe spettrali è dovuto in larga parte a moti locali, che possono anche essere di avvicinamento all'osseratore. Ad esempio la galassia di Andromeda, olte 2 milioni di anni luce da noi, si avvicina alla Via Lattea, e la Via Lattea è attratta dall'ammasso della Vergine, che è distante qualche decina di milioni di anni luce da noi. Essendo la velocità di allontanamento nella legge di Hubble proporzionale alla distanza, è solo su grandi distanze che l'espansione dell'universo diventa dominante rispetto a qualunque moto locale. In ogni caso la formula del redshift è diversa per l'effetto Doppler rispetto al redshift cosmologico, e la differenza si manifesta per grandi distanze, quando è possibile addirittura avere velocità superluminali, che non sono possibili per l'effetto Doppler vero e proprio.

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  2. molto chiaro e ben scritto.
    grazie.

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  3. "La scienza infatti, al contrario di altre forme di sedicente conoscenza, che tipicamente dispensano certezze immutabili (ma non verificabili), ha la caratteristica di accrescere il numero di domande senza risposta man mano che procede nella conoscenza del funzionamento della natura. Può sembrare un controsenso, ma il nostro livello di conoscenza di come funziona la natura si misura dal numero di nuovi problemi senza risposta". Qualcuno può inoltrare questo periodo ai sedicenti politici, sedicenti giornalisti, sedicenti amministratori, che sui media social e asocial strepitano istericamente che "la scienza deve darci certezze!" quando blaterano di Covid-19?
    Grazie, dott. Marcellini. Avanti così.

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  4. Bellissimo articolo. Unica cosa, se mio fratello, che si occupa di fotografia e immagine, leggesse che quella della radiazione cosmica di fondo è "letteralmente" una fotografia radunerebbe immediatamente un plotone di esecuzione 😁

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    1. Grazie per i complimenti. Comunque anche io sono appassionato di fotografia, e tuttavia ribadisco che quella mostrata è realmente una fotografia come quelle che fa tuo fratello!

      La luce che l'ha prodotta, e che ha illuminato il soggetto (il soggetto è la materia presente nell'universo primordiale) aveva le caratteristiche, in termini di "colore", della luce di una lampadina a incandescenza. Tale era infatti la radiazione elettromagnetica che permeava l'universo quasi 14 miliardi di anni fa. Molto ma molto intensa, ma come quella di una lampadina a incandescenza.

      Se noi adesso illuminiamo un oggetto con una lampadina a incandescenza, la luce della lampadina interagirebbe con l'oggetto che vogliamo fotografare, e poi arriverebbe al sensore della macchina fotografica. E' quindi l'interazione luce-oggetto, che ci mostra le caratteristiche dell'oggetto che fotorgafiamo (la forma, il colore, etc). La luce della lampadina ci arriva al sensore (o all'occhio) "modifiata" da quella interazione. Questo è ciò che avviene in ogni fotografia, ed è ciò che è avvenuto anche con quella luce primordiale.

      La differenza con le foto che facciamo normalmente è che la luce, quando dalla lampadina arriva al soggetto e con esso interagisce, poi entra nel sensore della macchina fotografica dopo un tempo assolutamente trascurabile.

      Invece quella luce primordiale, dopo aver interagito con "l'oggetto" (cioè la materia, che era presente all'epoca nell'universo sotto forma di elettroni e nuclei liberi di idrogeno e elio), ha impiegato quasi 14 miliardi di anni per arrivare al sensore della machina fotografica!

      E in questi 14 miliardi di anni di viaggio, la sua lunghezza d'onda, in origine quella tipica della luce gialla di una lampadina, si è dilatata di un fattore circa 1000 a causa dell'espansione dello spazio. Il risultato è che adesso per vedere quella luce non va più bene il sensore tipico delle normali macchine fotografiche, ma ci vuole un sensore capace di vedere le microonde, perché l'espansione dell'universo ha trasformato quella luce iniziale, gialla come una lampadina, in luce nel campo delle microonde. Ma per il resto non cambia veramente niente da una normalissima fotografia.

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  5. Complimenti per l'articolo! Ho ancora qualche punto che non ho ben capito ma oggi mi permetto di chiedere chiarimenti su uno.

    «Galassie molto distanti si allontanano con velocità superluminali. Questo è un fatto, un dato osservativo.»
    Potrebbe per cortesia chiarire questo punto? Cioè come si fa ad osservare una galassia "superluminare"? Noi adesso la vediamo, poi a un certo punto del futuro sparisce perché la velocità ha superato quella della luce? Grazie mille

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  6. In parole,poverissime,e spettro elettromagnetico alla mano, la lunghezza d'onda della luce si è allungata e perso energia, per effetto dell'espansione dello spazio, ed è diventata micronde. Un banale esempio, prendete un fil di ferro sagomatelo a onda e poi tiratelo dalle estremità, la transposizione di frequenza diventa evidente.

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