Diario

19 febbraio 2008

PER UNA COSMOLOGIA DELLA CREAZIONE

La crisi del pensiero scientifico che si produsse a cavallo degli inizi del secolo di cui noi stiamo vivendo gli estremi scorci rappresentò, nell'evoluzione moderna delle scienze positive - ma non solo in quelle, potremmo aggiungere - un rivolgimento di coscienza da potersi solo confrontare con la tremenda bufera che insanguinò la storia degli uomini e dei loro idealismi, all'epoca della rivoluzione francese, esattamente un secolo prima. Può darsi che, in futuro, vorremo occuparci su queste pagine del maestoso travaglio attraverso il quale la scienza laica e deterministica - nata dalla ferrea logica di un genio della teoria, Isacco Newton, e dalla intraprendente lucidità di un consumato sperimentatore, Galileo Galilei - ebbe a partorire, a sua volta, i propri numerosi e recalcitranti rampolli: la Relatività speciale, la Meccanica Quantistica, la Relatività Generale, il Principio d'Indeterminazione (1). Per ora, intendiamo limitarci a portare il discorso su quella che, in fondo, nel campo astronomico, può ben venir considerata la più imbarazzante implicazione. Contro la ferma convinzione di aver sempre vanificato lo spauracchio del dogma riguardante ogni indimostrato atto creativo per l'Universo, ecco infatti che, Con la caduta irrimediabile dei Concetti di assolutezza e di autonomia dello spazio e del tempo, e sotto l'inesorabile spinta delle prove sperimentali e del calcolo, la scienza è stata costretta a prender di nuovo atto dell'esigenza di limitare l'eternità apponendole un istante iniziale, sì che il tremendo compito di dover in qualche modo «spiegare» la creazione del Cosmo si è oggi affermato Con tale irriducibile evidenza da esser giunto a costituire, forse, il principale - se non unico - banco di prova sul quale hanno agio di confrontarsi le più promettenti teorie di fisica interdisciplinare. Quello che fu, molto presumibilmente, lo scenario offerto dall'Universo nel corso delle sue ère più remote; la circostanza indiscussa per la quale, risalendo fin alle primissime epoche cosmiche, la materia e la radiazione dovettero presentarsi in una correlazione reciproca ben diversa da quella che noi oggi riscontriamo fra di esse; l'inevitabile conseguenza che, alle sempre più ridotte dimensioni della propria scala metrica, l'Universo sia andato pervadendosi di energie progressivamente crescenti fino al raggiungimento del supremo limite rappresentato dall'indistinta miscela di fotoni, quarks, neutrini, elettroni, con la quale le attuali teorie ritengono di descrivere le componenti elementari della realtà fisica; tutto questo è stato da noi stessi accennato in un precedente servizio nel quale, altresì, veniva adombrato un assai peculiare modo di intendere il comportamento fisico assunto dalla natura in relazione alla presenza stessa dell'uomo (2). Nel suddetto articolo, le vicende che si ritiene abbiano accompagnato il verificarsi del big-bang cosmico furono tratteggiate nelle loro linee essenziali. Il lettore che lo desideri, vi troverà comunque uno scenario che, ormai, può definirsi «classico. a tutti gli effetti, in quanto le condizioni che esso esprime sono soltanto quelle deducibili dalla rigorosa applicazione della Relatività Generale e della Elettrodinamica Quantistica alle interazioni fra particelle. L'adeguatezza di codeste teorie, andando a ritroso nel tempo, non si estende però al di là dei primi 10^-35 secondi, allorché l'Universo non aveva presumibilmente raggiunto le dimensioni di un nucleone (3), e la sua densità d'energia si aggirava intorno ai 1019 milioni di elettron per Volt per centimetro cubo: è a questo punto che si comincia a parlare di singolarità fisica dell'istante iniziale, e che si pone il grave quesito della «creazione». Tuttavia, i fisici ritengono che, se si pensa all'Universo come ad un complesso autonomo ed autoconsistente - il cronotopo - nel quale la comune metrica dello spazio e del tempo debba apparire fisicamente interconnessa, allora l'adozione di un'adeguata teoria microscopica dovrebbe finir col far svanire il problema dell'inizio del tempo (e dello spazio) riducendolo in tutto ad un «falso» problema.

Sotto questo punto di vista, diviene possibile che la pretesa singolarità dell'inizio cosmico non vada considerata come qualcosa di più «singolare» - ad esempio - dei poli della Terra ove, appunto, le coordinate geografiche svaniscono senza che, per questo, la perfetta equivalenza di quei punti a tutti gli altri ne venga minimamente inficiata. In altri termini, appare più razionale scorgere in ogni singolarità fisica altrettanti elementi di debolezza della teoria applicata, piuttosto che una reale, strana proprietà della natura. E perciò, parlare di un atto creativo per l'Universo - nella comune accezione del termine - è cosa legittima solo se la si pensa riferita ad una ben separata individualità spaziale e temporale, giacche - nel nostro mondo sperimentale - sappiamo ben distinguere fra queste due componenti del cronotopo.

Ma allorché, nei primissimi istanti, la realtà cosmica fu rappresentata da condizioni fisiche eccezionali e peculiarissime, diviene plausibile supporre che la differenziazione dei ruoli fra lo spazio e il tempo non fosse ancora un fatto acquisito, almeno in modo stabile. Di conseguenza, il voler estendere a quelle condizioni le leggi relativistiche della gravitazione può essere un non senso; come un non senso diviene il significato di tempo cronologico, avanti che tale ente fosse emerso dall'indistinto crogiolo del cosmo.

Non si può pretendere di trovare qualcosa «più a nord del polo nord» ma bisogna, piuttosto, abolire il concetto convenzionale di polo nord.

Nondimeno esistono - oltre a quella inerente la singolarità iniziale - numerose altre problematiche che la cosmo- logia classica del big-bang non si è dimostrata in grado di giustificare. Una di esse - e, forse, la più grave - è connessa all'aspetto perfettamente uniforme, isotropo e omogeneo che, su grandissima scala, l'Universo oggi esibisce. È vero che il fluido cosmico, oltre che in materia diffusa e radiazione di fondo, appare oggi aggregato in ammassi di stelle, in galassie e, anche, in ammassi e superammassi di galassie; però nel complesso la distribuzione della materia e della radiazione, nello spazio in espansione, obbedisce - entro qualche parte su diecimila - ad una rigorosa parvenza di omogeneità che deve pur aver avuto una qualche remota motivazione.

Tutti i cosmologi sono concordi nel far risalire i meccanismi germinativi delle galassie, e delle loro associazioni, all'evoluzione di indispensabili inomogeneità iniziali presenti nel fluido cosmologico. Quello che non si comprende bene è come sia stato possibile, in uno spazio in espansione decelerata, che i processi accompagnanti la condensazione delle galassie possano essersi svolti con le stesse, identiche modalità e risultati in ogni angolo dell'Universo.

Di sicuro, ad una determinata epoca del passato, l'espansione procedette ad un tasso talmente alto da imprimere alle diverse parti del cronotopo recessioni reciproche più rapide della velocità stessa della luce. Poiché nessuna relazione materiale, o radiativa, può intercorrere fra osservatori posti in moto relativo superluminale, ne viene di conseguenza che qualunque siano stati i meccanismi che hanno agito sulle inomogeneità cosmologiche delle prime età - radiazione fotonica o, come meglio si ritiene, radiazione neutrinica (4) - essi non ebbero facoltà di agire simultaneamente su tutto il fluido cosmologico, ma avrebbero bensì potuto agire entro «orizzonti. circoscritti di spazio». Il problema dell'orizzonte è, per l'appunto, una seconda assillante difficoltà concettuale che, nella visione cosmologica classica, va ad affiancare quella della singolarità iniziale.

Un terzo motivo di perplessità i cosmologi lo ritrovano nella circostanza che, a dispetto dei più accaniti e rigorosi sondaggi in profondità nello spazio, non è possibile dedurre se le galassie vanno addensandosi, in numero, seguendo leggi prospettiche diverse da quelle imposte dalla geometria euclidea la quale, com' è noto, è atta a descrivere quello che convenzionalmente viene definito «spazio piatto»O «a curvatura nulla».

È anche noto che - nell'interpretazione relativistica della Gravità - c'è da supporre che la geometria generale dell'Universo sia strettamente condizionata dall'entità del complesso ponderale e radiativo del fluido cosmologico. Pertanto, la geometria generale del continuo spazio-temporale risulterà «aperta» o «chiusa» a seconda che il contenuto del Cosmo eserciti una minore o maggiore azione gravitazionale, col risultato di frenare nel tempo, e con efficacia proporzionale, lo stesso tasso di espansione (5).

Il futuro che ci attende - espansione illimitata, o raggiungimento di una massima dilatazione di scala seguita poi da una fase di collasso progressivo - è legato, dunque, all'entità del contenuto cosmico; purtroppo, finora nessuno ha potuto dedurre per via sperimentale qualcosa di certo - in un senso o nell'altro - poiché tutte le apparenze suggeriscono che il cronotopo sia da considerarsi pressoché piatto, e posto in dilatazione alla medesima, identica velocità di fuga stabilita dall'intensità del campo gravitazionale complessivo.

In questa singolare coincidenza, fra l'altro, rintracciammo un elemento a favore del Principio Antropico; e in effetti è indubbio che una curvatura zero da attribuire alla geometria dell'Universo debba rappresentare un buon rompicapo per i cosmologi i quali lo considerano oggi un problema molto serio, che è appunto definito il problema della curvatura. E c'è di più.

Maneggiando le loro equazioni, agli studiosi è stato giocoforza constatare che il bilancio dell'energia presumibilmente dissipata nel passato dall'Universo non torna con quella che oggi è possibile constatare. L 'Universo, in qualità di sistema fisico autonomo in evoluzione - in ossequio alla 3a legge della termodinamica - stimola il proprio contenuto energetico potenziale a trasformarsi in forme non ulteriormente degradabili (ad esempio, producendo calore, o radiazione); tuttavia i dati sperimentali hanno accertato che, sotto tali forme, esiste una quantità d'energia considerevolmente più alta di quanta sarebbe lecito aspettarsi dai processi di spianamento delle disomogeneità cosmologiche originarie (6).

Anche sotto questa particolare angolazione, la teoria «classica» del big-bang non sembra in grado di offrire le necessarie garanzie quantitative.

Esiste dunque, - e il lettore se ne sarà ben persuaso - più di una motivazione per ritenere che la situazione, all'atto della grande esplosione iniziale, non fosse esattamente quella che è prevedibile adottando in modo esclusivo i criteri della Relatività Generale.

Gli studiosi sono oggi orientati ad ottenere gli avalli concettuali indispensabili ad una descrizione completa ed affidabile degli istanti che presiedettero all' emersione del Cosmo andandoli a ricercare nel- l'ambito della moderna fisica delle altissime energie, e nelle più promettenti teorie unificatrici. oDio non gioca ai dadi» era l'aforisma prediletto da Einstein per affermare il proprio scetticismo nei confronti delle teorie indeterministiche, allora emergenti. D'altra parte, concetti come quelli evidenziati dall'Heisenberg sul fatto che ogni operazione sperimentale perturba lo sperimentabile, impedendone di necessità la rigorosa determinazione delle proprietà dinamiche e topologiche, si sono manifestati fondamentali nell'analisi dei fenomeni microscopici.

L 'antico sogno di Einstein di riuscire a giungere ed una trattazione unificata della forza di gravità -la più debole, ma a raggio d'azione illimitato - con tutte le altre si basava su di una tattica estensiva dell'interpretazione geometrica del cronotopo, simile concettualmente a quella che aveva dato i fruttuosissimi risultati della Relatività Generale. Lo scienziato di Ulm intendeva, in sostanza, ricondurre le forze alla Gravità, prescindendo peraltro da qualsiasi considerazione energetica.

La gravità viene, in tal modo, assorbita dalla teoria unificatrice, e non viceversa; essa finisce col perdere i propri connotati peculiari cosicché la teoria stessa porta il nome di Supersimmetria e, anche, di Supergravità.

La trattazione matematica si è dimostrata, da parte sua, elegante e convincente nel suggerire che la migliore validità della Supersimmetria la si ritrova inquadrandola in uno spazio ausiliario dotato di 11 dimensioni, fra le quali, naturalmente, vi è la coordinata temporale. Le implicazioni, per la parte cosmologica, di un simile modo di vedere, sono veramente cospicue: se ci fu un'epoca nella quale la densità d'energia dell'Universo fu abbastanza alta da raggiungere i 1019 GeV per cmc, allora si verificò di certo uno stato di perfetta supersimmetria cosmica richiedente uno spazio 11-dimensionale, nel quale la forza di gravità, come interazione tipica, scomparve e il tempo perse il proprio ruolo distintivo nei confronti delle altre dimensioni.

In assenza dì gravità, l'Universo del momento rappresentò qualcosa di profondamente diverso dallo scenario che è descrivibile con la Relatività Generale poiché in esso, fra l'altro, qualsiasi proprietà ponderale non aveva ancora assunto significato. Prima dei 10-35 secondi dì età, pare che il Cosmo fosse esclusivamente pervaso di energia. Energia resa oltremodo addensata, a causa dell' estrema limitatezza della scala dimensionale che si aggirava intorno a quella (10-23 cm!) per la quale - a norma di alcune dimostrazioni dovute, a suo tempo, al Planck - si deve ammettere che le influenze indeterministiche divengono nettamente prevalenti (10).

In sostanza, lo scenario dell'affioramento del cosmo, offre la visione di uno spazio pluridimensionale pervaso da onde di probabilità occultanti le superparticelle delle teorie di unificazione. Quest'ultime non possono dirsi ancora reali, dato che è privo di senso assegnar loro una qualsiasi individualità duratura tranne quella, peraltro effimera, che potrebbe conseguire dalle istantanee presenze della coordinata temporale nel continuo rimescolamento dei ruoli dimensionali provocato dalle fluttuazioni quantistiche dell'iperspazio.

Il Cosmo, prima dell'evento drammatico che lo avrebbe reso manifesto nel tempo e nello spazio a noi familiare, costituì dunque una «concentrazione di energia probabilistica» governata in modo esclusivo dalle leggi di indeterminazione. Non esisteva materia pesante nel senso comune del termine e, di conseguenza, l'iperspazio era da considerarsi «vuoto» .

Ma - e il lettore lo comprenderà benissimo - si trattava, per la verità, di un vuoto assai strano giacché l'energia contenuta lo rendeva altamente instabile e, alla stregua di qualsiasi sistema fisico autonomo, il Cosmo, prima della «creazione», tendeva in modo irresistibile a raggiungere i più bassi livelli energetici possibili.

È ormai una decina d'anni che fra gli astrofisici circola una nuova teoria cosmologica la cui sistematizzazione definitiva è dovuta allo statunitense Alan Guth: si tratta della cosiddetta Teoria Inflazionaria (11), Nella sostanza, la teoria afferma che il decremento energetico dell'Universo ebbe luogo, ad un determinato momento, grazie all'inevitabile rottura della supersimmetria fisica preesistente.

Fu un evento esplosivo, apocalittico, in un certo senso affine al congelamento istantaneo di un grande lago superraffreddato. Il decadere della perfetta equivalenza dei ruoli provocò l'istantanea separazione del tempo dalle coordinate spaziali, e ciò fu motivo sufficiente per rendere duratura I 'Influenza delle superparticelle le quali, da virtuali, si tramutarono in particelle reali dotate di inconfondibili proprietà ponderali.

Da quell'istante, la forza gravitazionale acquistò significato e l'Universo cessò di essere governato dalle leggi indeterministiche.

 La Teoria Inflazionaria si è ripromessa di analizzare in dettaglio codesto singolare meccanismo di trasformazione. Essa fa vedere che il solo modo possibile per ridurre l'energia di natura indeterministica che lo permeava, l'Universo lo conseguì attraverso l'inflazione ovvero la dilatazione imponente delle proprie dimensioni che, in maniera pressoché istantanea, si trovarono accresciute di almeno 50 ordini di grandezza!

Ma la mostruosa enfiagione del corpo cosmico non poteva venir condivisa integralmente dalla molteplicità dimensionale della metrica, in quanto la teoria afferma che, requisito essenziale per la realizzazione di uno stato supersimmetrico è che le previste 11 dimensioni (compreso il tempo) si comportino in modo reciprocamente identico. La differenziazione delle proprietà precipue della coordinata temporale da quelle spaziali fu dunque una delle conseguenze ineluttabile della perdita della supersimmetria. L' evento comportò la nascita del tempo e rappresentò il vero atto della «creazione» nel senso che comunemente siamo soliti intendere. Ma non basta.

Il nostro mondo ci si mostra mediante solo tre dimensioni spaziali. E le altre? Esistono al- cune opinioni in proposito per dimostrare l'impossibilità che le metriche supplementari abbiano potuto condividere, nel cronotopo, l'impressionante dilatazione di scala subita dalle altre quattro. La perdita subitanea della supersimmetria coinvolse necessariamente anche la rottura di equivalenza con le restanti dimensioni spaziali poiché, in caso contrario, la forza di gravità - che agisce sulle masse - non si sarebbe differenziata dal complesso delle altre forze, che agiscono sulle cariche.

Di conseguenza, come una corda la quale - se si prescinde dallo spessore - ci appare un ente monodimensionale lineare, è possibile che noi viviamo in una realtà nella quale la presenza delle altre dimensioni ci sfugge grazie all'estrema esiguità della loro scala, rimasta immersa - è da supporre - nelle fluttuazioni indeterministiche della fase preinflattiva. Dunque, l'èra adronica, leptonica, fotonica e barionica dell'Universo, debbono considerarsi precedute, tutte, da due altre ere di genere particolarissimo, assegnate dalle più recenti teorie: l'era dello stato supersimmelrico e l'èra inflattiva (12).

Le stesse teorie fanno poi vedere che, a causa delle fluttuazioni originarie dell'iperspazio 11-dimensionale, la perdita della simmetria non procedette in modo rigorosamente simultaneo. Al contrario, è presumibile che - a somiglianza del processo di congelamento progressivo di un liquido il quale lascia intravedere grumi di cristallazione avviata in seno al liquido ancora sopraffuso - si sia creata un molteplicità di cronotopi a simmetria spezzata che finirono poi per evolvere, ciascuno in modo autonomo.

C'è da riconoscere che la Teoria Inflattiva si presta in modo sorprendente alla soluzione dei diversi problemi cosmologici che angustiano la concezione «classica» del big-bang. In primo luogo, con l'attribuire un processo di dilatazione molto spinta alla metrica del cronotopo si rende comprensibile il fatto che la curvatura geometrica di quest'ultimo possa, ora, risulta- re inapprezzabile, allo stesso modo che la superficie di un pallone si appiattisce al crescere della dilatazione del suo volume.

In secondo luogo, l'imbarazzante quesito consistente nella notevole quantità d'energia dissipata dall'Universo trova anch'esso la propria giustificazione, giacche tale energia non fu fornita, come si presumeva, dai processi che avviarono, a loro tempo, la condensazione delle galassie, ma piuttosto ebbe origine attraverso l'imponente liberazione dell'energia quantistica dello stato preinflazionario.

Terza, e ultima considerazione: la prospettiva che il cronotopo che identifica il nostro universo sia solo uno dei tanti domini distaccatisi all'atto della rottura delle simmetrie originarie, elimina il problema dell'«orizzonte», in altre parole, elimina la necessità di ricercare pretese connessioni fisiche di causa-effetto fra domini, dato che ciascuno di essi può venir riguardato alla stregua di un «buco-nero», privo definitivamente di qualsiasi attinenza con gli altri (13).

Da questa considerazione emerge la possibilità di imporre un limite superiore alle dimensioni del nostro universo particolare: affinché esso si sia mantenuto causalmente connesso durante tutta la propria esistenza è necessario che la radiazione luminosa l'abbia costantemente pervaso. Perciò la sua estensione non può risultare maggiore di 20 miliardi di anni luce, che rappresenta all'incirca lo spazio entro il quale i Cotoni della luce hanno potuto diffondersi, a partire dal termine della fase inflattiva. Tale spazio viene a rappresentare perciò anche il campo di validità delle nostre leggi fisiche: per gli altri domini spazio-temporali le cose non andrebbero necessariamente allo stesso modo, mancando per essi, come si è detto, qualsiasi connessione causale reciproca col nostro.

E, a questo proposito, è opportuno evidenziare la specifica qualità della Teoria Inflattiva nel ridefinire il Principio Antropico dell'universo. Se il Principio Antropico - considerata l'inammissibilità di ricercar cause efficienti al di fuori dell'Universo - si ripromette, nella sostanza, una giustificazione «a posteriori» delle leggi che reggono la fisica, invocando - a spiegarne la razionalità - una sorta di effetto di retroazione temporale da addebitare agli stessi risultati dell' evoluzione cosmica, la teoria del Guth, dal canto suo, si presta ad interpretare nel modo più semplice il quesito «perché l'Universo ci appare razionale?».

La risposta potremmo rinvenirla nel fatto che noi - organismi intellettivi - non siamo, in fondo, che il prodotto evolutivo di un dominio spazio-temporale «giusto»; il risultato, cioè, di una selezione probabilistica che potrebbe aver disseminato un numero sterminato di «universi paralleli» dotati di leggi di governo assai dissimili e, pertanto, non intelligibili alla nostra razionalità.

Giunti all' epilogo di questa nostra dissertazione, vale la pena di riconoscere che le risorse umane destinate al necessario cimento dei numerosi quesiti che le teorie correnti si stanno ponendo, sono tutt'altro che adeguate alla bisogna. Esse, con ogni verosimiglianza, non lo saranno nemmeno in futuro, considerati gli scarsi livelli energetici raggiunti dagli attuali acceleratori di particelle, le armi più valide che consentano al ricercatore di demolir la materia onde esaminarne l'intima struttura (14).

Alla fin fine, va riconosciuto che lo stato Cosmologico di super densità, a livelli energetici incredibilmente alti, ed a dimensioni infinitamente piccole - quello stato che, in altri termini e sotto altre concezioni, veniva considerato un'indesiderata singolarità fisica, in quanto non suscettibile di descrizione da parte delle «normali» leggi di natura - si presenta, in fondo, al cosmologo d'oggi, sotto il lusinghiero apparato di un insieme di condizioni assai significanti che la forza delle teorie a disposizione può dimostrarsi in grado di interpretare.

E con ciò, si spera esorcizzato una volta per tutte il qualunque senso d'inquietudine riesca ancora ad emanare dal discorso intorno all'attimo famigerato in cui l'Universo emerse col proprio tempo e con il proprio spazio.

Vincenzo   Croce

pubblicato per la prima volta in "Abstracta" n° 30, Ottobre 1988

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permalink | inviato da houseofMaedhros il 19/2/2008 alle 8:35 | commenti (8) |