Le domande senza risposta della fisica moderna

Se andate dall’uomo della strada a chiedergli quale sia la sua concezione di scienziato in generale, con tutta probabilità egli vi risponderà che uno scienziato è colui che cerca e dà risposte. Tuttavia lo scopo della scienza non è tanto quello di dare delle risposte, quanto quello di porsi le domande giuste. Ogni risposta, per quanto dettagliata possa essere, sarà sempre incompleta di fronte a quella che è la natura delle cose. Ogni risposta inevitabilmente aumenta il numero di domande a cui gli scienziati devono lavorare per progredire nella nostra conoscenza delle regole dell’universo, e capita nel mondo attuale che le cose che noi conosciamo siano in realtà una minima parte degli innumerevoli fenomeni cui la natura può dare origine. I grandi interrogativi esistenziali sono appannaggio di filosofia e religioni, ciononostante alcuni degli aspetti più evidenti del nostro universo sono anche quelli che sollevano le questioni più importanti.

MATERIA ED ANTIMATERIA

Uno dei meccanismi che ancora non si sono compresi fino in fondo, riguarda la creazione della materia e dell’antimateria (ne abbiamo già parlato, ricordate?). Appare evidente come la porzione di universo che possiamo osservare sia formata nella sua quasi totalità da materia ordinaria, a scapito dell’antimateria che rimane confinata alle grandi reazioni energetiche nel cosmo o negli acceleratori di particelle. Insomma, se in queste reazioni materia ed antimateria vengono prodotte assieme, com’è possibile che ci sia attualmente un universo composto unicamente da una sola di queste due entità? La spiegazione che gli scienziati si danno sembrerebbe essere corretta ma parziale: in natura esiste una particolare violazione di questa simmetria (detta simmetria CP), che spiega qualitativamente la possibilità che la materia prevalga sull’antimateria. Il problema è che la frequenza con cui la rottura della simmetria si verifica non è sufficiente a spiegare l’enorme sproporzione che vige nel nostro universo. Si spera che con i prossimi esperimenti a LHC, in grado di creare in piccolo le condizioni immediatamente successive al Big Bang, si possano svelare i meccanismi più intimi del mondo microscopico, tra cui eventuali nuove vie per cui la simmetria CP venga violata più frequentemente.

IL DESTINO DELL’UNIVERSO

Oggi sappiamo con certezza che il nostro universo continua ad espandersi in seguito all’iniziale esplosione del Big Bang. L’astrofisico Edwin Hubble nel 1929 enunciò una legge tanto importante quanto semplice: la velocità di allontanamento delle galassie da noi è tanto grande quanto è maggiore la distanza che ci separa da esse. Le teorie del Big Bang ricevettero così una notevole conferma sperimentale, e oramai il concetto inerente la nascita dell’universo come un’immane esplosione è ben presente nell’immaginario collettivo. Quel che ancora non si è capito bene, è la fine che farà il nostro universo. Appurato che la situazione in cui ci troviamo non è statica, ma dinamica, si aprono di fronte a noi due possibilità, che prendono il nome di universo aperto e universo chiuso. In un universo aperto l’espansione continuerà all’infinito, iniziando a rallentare sempre più ma senza mai fermarsi, e aumentando il famoso “grado di entropia”, cioè la quantità di caos. Dato che energia e materia non si creano, ma tutt’al più possono essere trasformate l’una nell’altra, ne consegue che la somma di queste due entità rimane costante nel tempo. Per cui in un universo in espansione farà sempre più freddo, essendoci sempre più spazio a disposizione, fino a che le ultime stelle finiranno di bruciare e non ci sarà una densità di energia o materia sufficiente a innescare la formazione di nuovi astri.
La teoria dell’universo chiuso invece prevede che a un certo punto l’espansione si fermi sotto l’influsso dell’attrazione gravitazionale operata dalla materia, e inizi una fase di contrazione che porterebbe infine ad un Big Crunch: così come il Big Bang è stata un esplosione partita da un singolo punto geometrico nello spazio, il Big Crunch rappresenterebbe il fenomeno opposto, con la materia che finisce per concentrarsi in un’unica singolarità sotto l’effetto della propria attrazione. L’effetto sarebbe quello di creare un secondo Big Bang e così via, con l’universo che continua a pulsare nel tempo tra incredibili esplosioni ed altrettanto sbalorditive implosioni.

MATERIA ED ENERGIA OSCURA

“È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90 per cento della materia dell’Universo.” così si espresse l’astrofisico Bruce Margon in un articolo pubblicato sul New York Times qualche anno fa. La situazione, detta in parole povere, è questa: per quel che noi vediamo e percepiamo attraverso i nostri strumenti, il cosmo non dovrebbe esistere così come lo vediamo. Le galassie non dovrebbero stare assieme, la loro velocità di rotazione dovrebbe essere differente, e dovrebbero essere a uno stadio di vita molto più acerbo rispetto alla loro attuale età cosmologica. Insomma, là fuori ci dev’essere per forza qualcosa che noi non riusciamo a vedere, percepire, identificare. L’idea che energia e materia siano trasformabili l’una nell’altra risale alla famosa formula della relatività di Einstein E = mc^2. Facendo i dovuti calcoli, le masse di materia oscura e ordinaria rappresentano rispettivamente l’80% e il 20 % del totale dell’universo, che tradotte in energia significa il 23% e il 4,6% circa. Ora capite bene che 23 + 4,6 non fa di certo 100, per cui così come alla materia ordinaria si accompagnano i quanti di energia che tutti noi conosciamo con il nome di fotoni, analogamente per la materia oscura dovrà esserci un altrettanto oscura energia che bilanci il totale dell’equazione. La presenza della dark energy appare quanto mai necessaria, dato che dalle ultime osservazioni effettuate, l’espansione dell’universo sembra stia accelerando, ad un ritmo tale da risultare insostenibile per l’energia ordinaria. Da che cosa siano formate queste due entità è tutt’ora un mistero, sebbene ci siano molte teorie sulla loro natura, molte delle quali tirano in ballo la teoria delle stringhe supersimmetrica e derivati (compresa una teoria ai limiti della fantascienza, che comprende la gravitazione di invisibili mondi paralleli, ndObi). La situazione della ricerca è in realtà molto meno anomala di quanto si possa credere: praticamente tutta la fisica sub atomica risulta a conti fatti inosservabile direttamente, e quando qualcuno dice di aver trovato una nuova particella, in realtà vi sta dicendo che ha osservato le prove della sua esistenza. Nessuno ha mai visto un neutrone, un protone o un elettrone direttamente (non avrebbe nemmeno troppo senso affermarlo, visto che le particelle hanno dimensioni molto minori rispetto alla lunghezza d’onda della luce), tuttavia nessuno scienziato degno di questo nome si sognerebbe mai di dirvi che non esistono. L’unica certezza che abbiamo è che, come in molti altri campi, i misteri da risolvere sono ancora moltissimi e che, mai come oggi, the truth is out there!

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