La Fisica è Poesia. Intervista a Paolo Bartalini

Ho conosciuto Paolo Bartalini a Quercianella, in Toscana, durante la full immersion estiva organizzata da una scuola di scrittura creativa. Mi ha raccontato qualcosa del suo lavoro e subito abbiamo legato, parlando di fisica e metafisica. 

Da oltre vent’anni Paolo conduce le proprie ricerche nei laboratori di fisica delle particelle, segnatamente all’Organizzazione Europea per le Ricerche Nucleari (CERN) di Meyrin (Ginevra, Svizzera). È stato a lungo attivo nell’esperimento Central Muon Solenoid (CMS), una delle due collaborazioni scientifiche del Large Hadron Collider (LHC) che hanno riportato la scoperta del Bosone di Higgs. Sempre nel contesto di LHC, dal 2013 collabora all’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment), attivo nello studio del Quark Gluon Plasma.

Attualmente è uno dei manager che coordina la fisica di ALICE. Nella sua carriera si è occupato prevalentemente di studi sperimentali di Cromodinamica Quantistica (QCD), tanto da diventare uno dei principali contatti per tale disciplina nella comunità dei fisici delle alte energie. Allo stato delle conoscenze attuali la teoria QCD spiega la forza “forte”, una delle interazioni fondamentali della natura, più precisamente quella responsabile – ad esempio – della stabilità dei nuclei atomici.

Bartalini è co-autore di circa 800 articoli di fisica delle alte energie, è inoltre editor principale o revisore di una decina di pubblicazioni nell’ambito della QCD sperimentale; è relatore su invito a numerose conferenze internazionali del settore nonché membro fondatore di MPI@LHC, il workshop internazionale di fisica delle alte energie la cui decima edizione si è recentemente tenuta a Perugia.

Oltre che per riviste specialistiche, ha scritto per Airone (Cairo editore) e per altre testate divulgative. Ha inoltre all’attivo diverse pubblicazioni non scientifiche, in particolare racconti, nonché una silloge poetica. Oggi gli faccio qualche domanda sull’universo, il mondo, lo spaziotempo e la letteratura.

1 – Come coniughi il tuo lavoro scientifico con la tua passione per la letteratura?

Si tratta di due passioni che si alimentano a vicenda, certamente per le idee, gli spunti, le fascinazioni, i prestiti e le invasioni di campo di cui abbiamo generosi esempi in entrambe le direzioni. Ma soprattutto – e ti stupirà sentirmelo dire – per la condivisione di una certa disciplina metodologica. Per scrivere un articolo è assolutamente indispensabile saper raccontare una storia e per scrivere un racconto è altrettanto essenziale aderire al rigore scientifico, con quella tensione alla precisione che Calvino ha voluto lasciarci in eredità dal millennio precedente. In entrambi gli ambiti è imprescindibile avere la percezione di sé e della propria relazione con il resto della comunità, che si tratti di una linea di ricerca o di una corrente letteraria. E soprattutto bisogna leggere, leggere, leggere, superare la tentazione della prospettiva egotica e ascoltare quello che hanno da dire gli altri.

2 – Perché la fisica quantistica è importante in relazione al genere umano e al mondo che abitiamo?

La nascita della fisica quantistica – all’inizio del secolo scorso – è la storia di una rivoluzione che mette in discussione gli stessi strumenti concettuali del pensiero scientifico. Sorprendentemente, per comprendere il mondo alla scala atomica e sub-atomica, sembra che sia necessario abbandonare convinzioni consolidate, ad esempio quella di poter misurare simultaneamente posizione e la velocità di una particella, assunzione definitivamente soppiantata dal principio di indeterminazione. Nel linguaggio corrente è piuttosto diffusa l’identificazione del fotone come particella di luce, d’altra parte conosciamo la luce soprattutto come onda elettromagnetica. Ecco un esempio del dualismo onda-particella, concetto chiave della fisica quantistica che vede le proprie origini addirittura nelle diatribe del XVII secolo sulla natura della luce, con la teoria corpuscolare di Newton contrapposta a quella ondulatoria di Huygens. Secondo la fisica quantistica, il comportamento di un dato sistema come onda o come particella dipende sostanzialmente dall’esperimento che viene condotto. Al di là delle immense ricadute in termini di conoscenza del nostro mondo, l’importanza della rivoluzione quantistica risiede proprio in questa formidabile capacità del pensiero umano di effettuare un profondissimo cambiamento di paradigma: la misura influenza il sistema misurato o meglio ne determina la transizione in uno stato che è proprio sia della specifica misura che dello stesso sistema.

3 – Quali testi divulgativi consigli di leggere per avvicinarsi alla fisica quantistica?

A quanto pare ci sono fisici che sono anche capaci divulgatori, mi viene in mente Brian Cox della BBC, che prima di diventare divulgatore si occupava di cromodinamica quantistica ai collider, ovvero della stessa linea di ricerca di cui mi occupo io. Ma se dovessi farmi consigliare un testo divulgativo di cromodinamica quantistica non mi rivolgerei di certo a un collega perché possedere una conoscenza specialistica, ai fini della divulgazione e soprattutto nell’ottica della sua valutazione, costituisce spesso un limite. Mi limiterò quindi a citare giusto un paio di testi divulgativi di riferimento che mi è capitato di consultare nonostante la mia formazione. Sono senz’altro scritti da fisici autorevolissimi. Nondimeno, sul risultato del loro intento divulgativo, non so proprio esprimermi.

Fisica quantistica per poeti,  di Leon M. Lederman  e Christopher T. Hill.

QED. La strana teoria della luce e della materia, di Richard P. Feynman

4 – Cos’è lo spazio-tempo e perché non è più possibile disgiungere le due nozioni?

Questa inscindibilità di spazio e tempo, codificata nella metrica di Minkowski propria della relatività speciale, dipende da un’osservazione sperimentale ben consolidata: la velocità della luce – circa trecentomila km al secondo – risulta la stessa in tutti i sistemi di riferimento. In effetti uno strumento straordinario nella comprensione del nostro mondo è quello di cercare di mettersi nei panni degli altri: come descriverà lo stesso fenomeno un altro osservatore? Fintanto che un treno viaggia a velocità ragionevoli – diciamo pure a 300 km/h – dal finestrino si vedranno semplicemente sfrecciare gli alberi a trecento all’ora nella direzione opposta e, una volta arrivati a destinazione, gli orologi ci indicheranno una durata del viaggio identica rispetto a quella misurata a terra. Ma un treno relativistico, ovvero che viaggia a velocità prossime a quelle della luce, osservato da terra risulterebbe assai più corto dello stesso treno a riposo (contrazione delle lunghezze) e anche i viaggiatori vedrebbero accorciarsi il binario, tanto che, raggiunta la destinazione, i loro orologi misurerebbero una durata del viaggio più breve rispetto a quella misurata da terra. All’arrivo sarà quindi necessario ri-sincronizzare gli orologi! Ovviamente non esiste alcun treno di questo tipo ma le trasformazioni della relatività speciale che producono risultati tanto contro-intuitivi, ottengono continuamente ridondanti verifiche sperimentali, ad esempio nell’ambito dello studio delle particelle elementari. La relatività generale fa un passo ulteriore, associando la stessa esistenza e la struttura dello spazio-tempo alla distribuzione di materia nell’universo.

5 – Pensi che ci siano dei punti di contatto tra fisica, religione e filosofia?

Quando i fisici fanno affermazioni sull’universo si inseriscono in una grande e millenaria tradizione filosofica. Inevitabilmente, i fisici sono anche filosofi [Victor Stenger]. 

Alcuni dei principali fisici contemporanei si sono espressi in modo fortemente critico nei confronti della filosofia. Sto parlando di scienziati del calibro di Stephen Hawking, Lawrence Krauss, Neil deGrasse Tyson. Il punto di vista di questi ultimi è che la filosofia abbia gradualmente perso il proprio oggetto di studio, trasformandosi in una disciplina di sterile speculazione proprio là dove le scienze empiriche continuano a mietere successi. E il problema non si pone soltanto per la filosofia della scienza perché il continuo progresso nella comprensione del mondo fisico impone una corrispondente ridefinizione della metafisica. In realtà questo punto di vista estremo corrobora l’evidenza di una sostanziale compenetrazione tra fisica e filosofia. Personalmente ritengo che questi esimi colleghi tendano a dimenticare ciò di cui si parlava innanzi, ovvero che le rivoluzioni della fisica moderna sono sostanzialmente dovute a un progresso del pensiero umano, capace di rifondare le proprie stesse strutture cognitive. Sulla religione la penso invece in modo diametralmente opposto: non vedo come una qualsiasi scoperta scientifica possa mettere in crisi (o avvalorare) un pensiero religioso o viceversa.

6 – Cos’è un quanto?

Siamo abituati all’idea che grandezze come l’energia di un sistema possano assumere un qualsiasi valore. Una delle caratteristiche della fisica quantistica è invece che l’energia di un sistema legato – ad esempio il sistema protone-elettrone nell’ambito dell’atomo d’idrogeno – può assumere soltanto determinati valori discreti, tipicamente il sistema si pone naturalmente nel proprio stato fondamentale (a energia più bassa). Come si fa a far passare l’elettrone dell’atomo d’idrogeno dallo stato fondamentale ad un orbitale caratterizzato da un’energia più grande? L’articolo che è valso il premio Nobel ad Albert Einstein risponde sostanzialmente a questa domanda attraverso lo studio dell’effetto fotoelettrico. Un fotone trasporta un pacchetto di energia E determinato in ragione della relazione E = hn, dove n è la frequenza e h è la costante di Planck, la stessa che compare nel principio di indeterminazione. Per effettuare la transizione tra due orbitali bisogna quindi irraggiare l’atomo con fotoni di frequenza opportuna. Al di sotto di tale frequenza, anche aumentando di molto la potenza del fascio, non si otterrà alcuna transizione! In effetti, nell’interpretazione quantistica, tale transizione corrisponde all’assorbimento di un singolo fotone, ovvero del quanto di energia che trasporta. Abbiamo fatto l’esempio dell’energia ma il passaggio a quantità discrete riguarda diverse altre grandezze, ad esempio il momento angolare. Le particelle sono appunto caratterizzate da numeri quantici discreti che concorrono nella determinazione delle reazioni possibili in ragione delle principali leggi di conservazione.

7 – La struttura dell’universo ricorda per certi versi quella dell’atomo?

Onestamente, se ci riferiamo alla struttura geometrica, direi proprio di no. L’atomo è un oggetto sufficientemente piccolo da obbligare ad utilizzare la meccanica quantistica. Un sistema planetario di certo non lo è, tanto meno una galassia, un cluster di galassie o l’universo intero. Per chiarire questo concetto, possiamo dire che ha assolutamente un significato domandarsi in quale posizione precisa si trovi una stella rispetto ad un’altra mentre non ha assolutamente senso chiedersi in che posizione precisa si trovi un elettrone all’interno del suo atomo; in effetti tale posizione può soltanto esser definita in modo probabilistico, attraverso gli orbitali. 

Tuttavia vi sono senz’altro ambiti in cui per comprendere l’universo è necessario utilizzare delle conoscenze di meccanica quantistica, in primo luogo perché il nostro universo è fatto di particelle sub-atomiche tipicamente organizzate in strutture più complesse grazie alle varie forze in gioco. Nella luce che proviene dalle stelle riconosciamo gli spettri di assorbimento della tavola periodica degli elementi, le cui frequenze corrispondono ai salti di energia quantizzati di cui alla domanda precedente. Una metodologia molto ben consolidata è misurare la velocità di stelle e oggetti affini attraverso l’effetto doppler. Gli oggetti in avvicinamento (pochissimi, tra questi la galassia Andromeda) risultano blue-shifted (spettri atomici con frequenze più alte), quelli in allontanamento (la maggior parte) risultano invece red-shifted (spettri atomici con frequenze più basse), secondo uno schema che – sorprendentemente – già ci è noto dall’esperienza di tutti i  giorni: la modifica della frequenza della sirena di un mezzo di soccorso in avvicinamento o in allontanamento, rispettivamente.

8 – È vero che prima del Big-Bang, non esistendo lo spazio, non esisteva il tempo?

Lo studio delle supernovae ci dice che non soltanto l’universo è attualmente in espansione ma che questa espansione sta addirittura accelerando! Disponiamo ormai di un modello cosmologico molto coerente che, grazie alla relatività generale e alle conoscenze maturate nell’ambito della fisica delle particelle, ci permette di definire l’età attuale dell’universo (circa 14 miliardi di anni) e di descrivere bene l’evoluzione a ritroso fino a un decimiliardesimo di secondo (10^-10 secondi) dopo il Big-Bang. La maggior parte delle questioni ancora aperte attengono a quei primissimi istanti successivi al Big-Bang, durante i quali si sono sperimentate condizioni estreme di curvatura, temperatura e densità che determinano il limite di applicazione delle stesse leggi fisiche e che rendono la descrizione dell’evoluzione molto speculativa, vale a dire scarsamente predittiva in termini di esperimenti realizzabili. Riporterò brevemente la visione maggiormente accreditata. 10^-34 secondi dopo il Big-Bang, le diverse forze dell’universo risultano unificate (Grand Unification Theory), l’emergere delle diverse forze (forte, elettrodebole e gravitazionale) determinerebbe un’espansione esponenziale dell’universo conosciuta come inflazione, l’universo visibile si sarebbe evoluto da una piccolissima frazione del cosmo e sarebbe altresì possibile la presenza di multiversi caratterizzati ognuno da diverse proprietà fisiche. Risalendo ad un tempo equivalente a 10^-43 secondi dopo il Big-Bang si entra nell’evoluzione dell’universo guidata dalla gravità quantistica, disciplina di cui – tra gli altri – si occupa anche il noto fisico italiano Carlo Rovelli. Uno dei risultati più sorprendenti della gravità quantistica è che nelle sue equazioni non compare il tempo! Insomma, un parametro la cui esistenza/presenza diamo sostanzialmente per scontata e che c’ha fin qui guidato per riavvolgere il nastro, a questo punto, in pratica, perderebbe di significato, o meglio il tempo potrebbe essere rivisto come uno dei risultati di questa evoluzione guidata dalla gravità quantistica, da cui emergerebbero appunto le forze in regime di grande unificazione nonché la stessa struttura dello spazio-tempo. Ecco che posso finalmente rispondere alla domanda iniziale: se il tempo davvero nascesse con la gravità quantistica, non avrebbe alcun senso parlare di un “prima”, ma avrebbe senz’altro senso riferirsi a un “dopo”…

9 – Secondo te cosa c’era prima del Big-Bang?

Il “prima” è un concetto a cui siamo abituati ma abbiamo appena detto che nel contesto del Big-Bang  tale concetto perde di significato. Anche senza scomodare la gravità quantistica, l’assenza del “prima” viene motivata dicendo che il Big-Bang rappresenta una singolarità nello spazio-tempo. Personalmente non trovo questa condizione particolarmente sconvolgente e lo spiegherò con un esempio matematico. Proviamo a sostituire il tempo t espresso in secondi con il suo logaritmo in base 10: L = log₁₀ t. Per t = 1 secondo L = 0; per t = 10^-10 secondi L = -10 e per l’età attuale dell’universo L è leggermente inferiore a18. In effetti, per descrivere che cosa accade nelle varie fasi del Big-Bang, è molto più conveniente usare L piuttosto che t. Probabilmente si può risalire soltanto fino a L = -43  ma, anche se – come limite – potessimo risalire fino a L = – ∞ (l’inizio del Big-Bang, vale a dire t = 0 secondi), non toccheremmo mai quei valori di t negativi che corrispondono al “prima”…

Il Big-Bang è senz’altro un modello di evoluzione cosmologica di grande successo ma vi sono anche punti di vista alternativi. Tuttavia, la maggior parte di questi punti di vista alternativi, ad esempio quelli di tipo ad evoluzione ciclica, ricorre comunque al Big-Bang, interpretato come evento in un universo più grande e più vecchio. Personalmente sono molto affascinato dalla visione di un tempo non dato, non assoluto, che scaturisce appunto dal Big-Bang, secondo lo schema discusso nella domanda precedente.

10 – Esiste il vuoto?

Ci sono molte condizioni la cui realizzazione è difficile se non impossibile, non di meno esse costituiscono un utilissimo strumento concettuale: pensiamo al concetto d’infinito utilizzato nella domanda precedente e, per restare in tema, al fatto che possono addirittura esistere vari gradi di infinito: i numeri naturali (1, 2, 3,…) sono infiniti, eppure tutti i numeri che stanno tra 0 e 1 (quelli del tipo 0,xyz…) sono molti di più dei numeri naturali, ovvero non sono numerabili. Il vuoto è intrinsecamente riferito al suo opposto (alla presenza di qualcosa) e quindi ha un diverso significato a seconda del contesto in cui lo si considera. È chiaro che in questa intervista ci interessa il vuoto quantistico, che è un’entità assai diversa da quello pur molto interessante della fisica classica (vuoto spinto, pressioni nulle). In una teoria quantistica il vuoto corrisponde allo stato fondamentale ma soprattutto ci possono essere continue – brevi – fluttuazioni del vuoto agli stati di energia più alta consistenti con la conservazione dei numeri quantici. In pratica, continuamente si crea e si distrugge tutto ciò che è possibile creare in una determinata teoria di campo: abbiamo parlato delle forze conosciute: la forte, l’elettrodebole e la gravitazionale, ciascuna corrispondente a una relativa teoria di campo. Ognuna di queste forze dà luogo a continue fluttuazioni particella-antiparticella che vengono rapidamente riassorbite; ad esempio coppie elettrone-positrone si creano e si riassorbono in continuazione, in modo tale che i numeri quantici associati al vuoto (tutti nulli) vengano conservati durante l’intero processo. La cosa si fa ancora più interessante se pensiamo all’esistenza ulteriori campi che ancora non siamo stati in grado di rilevare, cosa che in effetti è coerente col quadro sperimentale attuale. Ad ognuna di queste fluttuazioni, anche a quelle di campi tutt’ora sconosciuti, è associata un’energia non nulla! 

Di cosa parliamo quando parliamo di espansione dell’universo? Sostanzialmente di creazione di spazio-tempo e di questa struttura quantistica a cui è associata. Se non abbiamo ancora capito tutte le interazioni possibili, purtroppo non possiamo predire quant’è la densità di energia del nostro universo ma possiamo senz’altro misurarla: in effetti il modello standard cosmologico fornisce una valutazione della stessa.

11 – La percezione che abbiamo sulla Terra della materia, dello scorrere del tempo e della spazialità è ingannevole?

Può darsi ma per fortuna siamo capaci di non fermarci alla semplice percezione e di elaborare concetti più profondi che derivano piuttosto dall’applicazione del metodo scientifico. In fondo siamo stati in grado di investigare sia le strutture sub-atomiche che quelle cosmologiche proprio partendo dalle osservazioni terrestri. 

Cerco le qualità che non rendono in questa razza umana che adora gli orologi e non conosce il tempo. 

In effetti la citazione [da “Svegliami” dei CCCP] si applica meglio all’uomo moderno che a quello medievale; quest’ultimo vive in un presente immune dall’idea di progresso, regolato da cicli naturali e riti religiosi sostanzialmente immutabili. Perfino la pittura medievale riflette questo schema in cui tutto convive in una simultaneità a-temporale e che, paradossalmente, è più affine alle idee sviluppate nel contesto della gravità quantistica. Ma, anche senza scomodare il Big-Bang, siamo in grado di superare l’idea di un tempo necessario e assoluto. Il tempo è chiaramente relativo perché definibile soltanto attraverso la reciproca sincronizzazione di eventi periodici: abbiamo costruito gli orologi in modo che la lancetta più corta faccia due giri completi mentre la terra compie una rotazione attorno al proprio asse… Abbiamo appunto definito il secondo come frazione (1/86400) della durata del giorno, successivamente come frazione della durata dell’anno misurata il 31 dicembre 1989 alle ore 12, la definizione attuale ricorre piuttosto alla frequenza di radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133, senz’altro un riferimento che – al contrario di quelli legati ai moti terrestri – è immune da variazioni accidentali  e che potremmo facilmente comunicare ad una eventuale civiltà aliena. Una volta discusso il tempo, aggiungerò due parole sulla percezione terrestre dello spazio e sulle sue relazioni con le concezioni dello spazio che risultano alla luce delle moderne teorie sulla struttura dell’universo: le osservazioni di cui disponiamo, ad esempio quelle sulla radiazione cosmica di fondo, ci indicano chiaramente che nel nostro universo la struttura dello spazio è fondamentalmente Euclidea (curvatura nulla), con l’eccezione delle aree popolate da grandi masse (buchi neri, etc.). Penso che vivere su un pianeta dalla superficie sferica (curvatura positiva), in cui il cammino più breve tra due punti è l’arco di cerchio massimo, ci abbia piuttosto aiutato a porci un problema assolutamente non triviale e anche a risolverlo, alla faccia dei terrapiattisti!

12 – Cos’è un buco nero?

Possiamo rappresentare un buco nero come una massa M concentrata a distanze più piccole del proprio raggio di Schwarzschild r_s = GM/c², dove G è la costante gravitazionale e c è la velocità della luce. Un qualsiasi oggetto che si trovasse a distanze inferiori a r_s  rispetto al buco nero avrebbe una velocità di fuga superiore a quella della luce e non potrebbe pertanto uscirne; questo vale anche per la stessa luce, che, una volta entrata, resta per sempre intrappolata nel buco nero e finisce per contribuire alla sua massa. In realtà la geometria del buco nero deve tener conto anche delle dinamiche rotazionali, si definisce quindi un orizzonte degli eventi che può appunto avere una geometria diversa rispetto a quella sferica ma per cui vale comunque lo stesso concetto: una volta superato l’orizzonte degli eventi non si può più tornare indietro! Però, se ci teniamo sufficientemente lontani dal suo orizzonte degli eventi, il buco nero – in fondo – non ha niente di speciale, eserciterà su di noi un’attrazione gravitazionale in ragione della propria massa M, così come farebbe un qualsiasi altro oggetto dotato della stessa massa.

Secondo la visione attuale, i buchi neri sono strutture piuttosto diffuse nel nostro universo. Ne abbiamo uno molto grande (si parla di super-massive black hole) al centro della nostra galassia, si chiama Sagittarius A*, ha una massa corrispondente a oltre 4 milioni di volte quella del sole e tutti noi – in modo solidale al resto del sistema solare – gli stiamo girando allegramente attorno, con un periodo di rivoluzione di circa 240 milioni di anni. In effetti questi buchi neri super-massicci giocano un ruolo fondamentale nella formazione stessa delle galassie: si pensa appunto che ogni galassia dell’universo ne possieda almeno uno e che esso funga da collante per le strutture galattiche (stelle etc.), allo stesso modo in cui il sole tiene insieme il sistema solare, compresi pianeti (coi rispettivi satelliti), comete, etc. La formazione dei buchi neri super-massicci è tutt’ora oggetto di studio, anche se sembra chiaro il ruolo essenziale svolto delle dinamiche primordiali del Big-Bang.

Vi sono inoltre buchi neri molto più piccoli (da 3 a 30 masse solari) la cui origine è perfettamente conosciuta: risultano infatti dall’evoluzione stellare, tanto più rapida quanto più grande è la massa della stella. Le stelle vivono in un equilibrio dinamico in cui tipicamente la fusione nucleare controbilancia la pressione gravitazionale. Nella fusione nucleare gli elementi chimici più leggeri si trasformano in elementi più pesanti ed è proprio così che si forma la prima parte della tavola periodica (fino al nichel) a partire da pochissimi elementi più leggeri e molto diffusi nell’universo (sostanzialmente idrogeno ed elio); va detto che gli elementi con peso atomico maggiore di quello del nichel non possono che formarsi nell’esplosione di supernovae. Ora, questa fusione non può durare all’infinito e, senza andare nei dettagli, soltanto per stelle di massa piccola esistono altri sistemi (alternativi alla fusione nucleare) per evitare il collasso della materia, per quelle più grandi l’evoluzione in buco nero è sostanzialmente inevitabile.

13 – Il pianeta Terra è destinato a morire? E la nostra galassia?

Il futuro del nostro pianeta è intimamente legato a quello della nostra stella. Dicevamo innanzi che le stelle hanno una propria evoluzione. Il sole ha un’età di circa 5 miliardi di anni, ha consumato circa la metà della sua riserva d’idrogeno ed è destinato a vivere circa altri 5 miliardi di anni, con l’ultimissima fase dell’evoluzione che vedrà la transizione a stella gigante-rossa, caratterizzata da dimensioni radiali da decine a centinaia di volte superiori a quelle attuali. Il sole, quindi, non si è formato nelle fasi iniziali del Big-Bang, ma molto più tardi, considerazione che sostanzialmente vale per la maggior parte delle stelle. Sebbene possa sembrare sorprendente, osservando oggetti sufficientemente lontani siamo perfettamente in grado di guardare indietro nel tempo… e gli oggetti conosciuti risalenti a meno di un miliardo di anni dopo il Big-Bang sono assai diversi dalle stelle: un esempio tra tutti è costituito dai quasar, che rappresentano veri e propri messaggeri primordiali. Niente di strano, comunque, che le condizioni per l’età stellifera si siano stabilite gradualmente, con la formazione delle galassie a partire dai buchi neri supermassicci, formidabili condensatori di materia in ambiti circoscritti.

Veniamo quindi alla nostra galassia, che fa parte di un gruppo (detto locale) di circa settanta galassie. Le più grandi galassie del gruppo locale sono Andromeda, la Via Lattea e quella del Triangolo. Di Andromeda abbiamo già parlato dicendo che è uno dei pochissimi oggetti celesti in avvicinamento (luce blue-shifted) in un universo in espansione, in cui chiaramente la maggior parte dei corpi celesti risultano in allontanamento (luce red-shifted). Questo scenario risulta coerente con l’attrazione gravitazionale esercitata reciprocamente dai due grandi vicini di casa e determinerà una collisione non necessariamente distruttiva in un arco di tempo di circa 4 miliardi di anni. In buona sostanza, su queste scale temporali, la Via Lattea e Andromeda potrebbero semplicemente fondersi in un’unica galassia.

14 – Qual è la differenza tra Universo e Multiverso?

Il multiverso si riferisce a un insieme (eventualmente infinito) di universi che contiene anche l’universo propriamente detto, ovvero quello che abitiamo. La necessità di distinguerlo dall’universo nasce nel momento in cui gli altri universi possono essere caratterizzati da interazioni limitate o del tutto assenti con il nostro. Si tratta di un tema molto caro alla fantascienza e certamente antico in termini di speculazione filosofica: tra i multiversi filosofici più aderenti a quelli che vengono considerati dalla fisica attuale possiamo citare ad esempio quello di Giordano Bruno. In effetti vi sono molte teorie cosmologiche attuali che prevedono la presenza di multiversi. 

Prima di citare un paio di esempi, permettimi una breve digressione, perché senz’altro la tua ultima domanda sfiora il limite tra fisica e metafisica; in generale le teorie cosmologiche sono caratterizzate sia da aspetti predittivi soggetti a verifica sperimentale sia da speculazioni che – allo stato delle conoscenze e delle idee attuali – comportano implicazioni non misurabili. Tuttavia il problema deve essere posto in una prospettiva storica: sappiamo bene che l’immisurabile di oggi potrebbe essere (e di norma sarà) il misurabile di domani, tant’è che moltissime teorie cosmologiche con ambizioni metafisiche sono state superate proprio attraverso l’approccio sperimentale e la disponibilità di nuovi strumenti sviluppati ad hoc: si pensi a cosa ne è stato delle teorie geocentriche… Quindi, sebbene io non ami particolarmente queste speculazioni cosmologiche sui multiversi, penso che abbiano assolutamente motivo di essere, soprattutto in prospettiva di un eventuale futuro programma sperimentale che le riguardi.

Ci siamo già riferiti alla possibile creazione di multiversi nell’ambito della fase del Big-Bang denominata inflazione o, più precisamente, inflazione a bolle, in cui gli altri universi – denominati bolle – possono perfino avere proprietà diverse rispetto al nostro, ad esempio diverse leggi fisiche. Ebbene, per quanto possa sembrare incredibile, le altre bolle potrebbero essere rilevate in quanto capaci di interagire con la nostra lasciando pattern a simmetria radiale – cerchi concentrici, ognuno caratterizzato da temperature leggermente diverse – nella radiazione cosmica di fondo.

Vi sono altre teorie (non necessariamente alternative a quella dell’inflazione) nel contesto delle quali sono previsti multiversi che possono dare segno di sé. Da citare almeno il caso della teoria delle stringhe, che prevede non meno di undici dimensioni tra cui le quattro spazio-temporali di cui abbiamo esperienza quotidiana. C’è da dire che le altre dimensioni potrebbero essere più “piccole” rispetto alle quattro standard: In effetti nessuno obbliga le dimensioni ulteriori ad essere infinite! Rilevare o meno la presenza di una dimensione dipende dal problema specifico: un funambolo apprezzerà principalmente il fatto di muoversi in una dimensione, una formica che percorre la stessa corda potrà perfino compiere rivoluzioni complete rispetto alla stessa e vedrà quindi almeno due dimensioni. Potrebbero quindi co-esistere altri universi – denominati membrane – che condividono le nostre quattro dimensioni ma che sono leggermente “spostati” nelle altre dimensioni. Questo, per quanto possa sembrare assolutamente sorprendente, darebbe luogo a delle conseguenze assolutamente misurabili: ad esempio la materia che risiede in altre membrane potrebbe avere con la nostra interazioni di tipo gravitazionale. Si ritiene che la famosa materia oscura, prevista da varie osservazioni sperimentali tra cui i moti rotazionali delle stelle nel contesto delle proprie galassie, possa appunto risiedere in una membrana diversa rispetto a quella che abitiamo.