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Ricerca scientifica

Dal Big Bang all’eternità

La galassia Sombrero spiata dal telescopio spaziale della Nasa Spitzer (©Nasa)

A colloquio con Roger Penrose. Il grande matematico anticipa a Left i temi della sua lectio magistralis su nascita ed evoluzione del cosmo, che terrà al Festival della Scienza di Genova sabato 29 ottobre. «In un futuro molto remoto la massa di tutte le particelle scomparirà e quelle “sopravvissute” saranno in prevalenza a massa zero, come i fotoni»

Federico Tulli

Che cosa c’era prima del Big Bang? Professore emerito di matematica all’Università di Oxford, Roger Penrose nel 1988 ha ricevuto, insieme a Stephen Hawking, il Wolf Prize per la Fisica. Autore di numerosi saggi divulgativi, tra cui La natura dello spazio e del tempo (BUR, con Stephen Hawking), lo scienziato esce ora in Italia per Rizzoli con il libro Dal Big Bang all’eternità. I cicli temporali che danno forma all’Universo. Partendo dalla domanda che da anni impegna gli astrofisici, Penrose si interroga sul carattere straordinario dell’evento che ha dato origine all’universo. Sfruttando e rileggendo in modo originale le più grandi scoperte cosmologiche degli ultimi decenni – dalla materia oscura all’energia oscura, dalla radiazione cosmica di fondo ai buchi neri e alla loro evaporazione finale prevista da Hawking – avanza una proposta che raccoglie tutti questi elementi in una spiegazione unitaria, mostrando come il destino ultimo del cosmo, con la sua espansione sempre più accelerata, possa di fatto essere reinterpretato come un nuovo Big Bang. La Cosmologia ciclica conforme (Ccc) ci presenta così la storia dell’universo come una infinita successione di eoni (unità geocronologiche), dove la fase finale dell’uno coincide con l’inizio di quello seguente. E risolve i numerosi problemi lasciati aperti dalle ipotesi precedenti – multiverso, nascita di nuovi universi dai buchi neri, modelli oscillanti tra espansione e collasso – senza sovvertire il quadro generale classico, basato su teorie fisiche e matematiche ampiamente accettate. Il 29 ottobre Penrose è al Festival della Scienza di Genova con una lectio magistralis in cui illustra i temi elaborati nel suo nuovo libro, con Left approfondisce gli aspetti più significativi della sua teoria.

Insieme a Stephen Hawking lei ha delineato la teoria secondo cui il cosmo si è espanso a partire dal Big Bang iniziale e continuerà a farlo all’infinito. Quali sono i punti di contatto tra il vostro lavoro e la scoperta dell’espansione costante dell’universo – avvenuta studiando le supernove – che ha valso il Nobel per la Fisica 2011 a Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess?

La scoperta dell’espansione accelerata dell’universo è stata di fondamentale importanza. L’espressione “energia oscura” è stata coniata per definire la causa “misteriosa” in seguito all’osservazione dell’espansione accelerata dell’universo. Ad ogni modo, io non amo questa terminologia. Nel 1917, Einstein stesso introdusse il concetto con quello che lui definì “la costante cosmologica” (lambda). È pur vero che lo scienziato allora era motivato da ragioni sbagliate (infatti Einstein voleva un modello di universo statico non in espansione, che lambda potrebbe compiere). Ed è anche vero che Einstein tentò di ritrattare il suo pensiero dopo che l’espansione dell’universo era stata dimostrata da Hubble. Nonostante tutto “lambda” sarebbe in seguito entrata tutti i libri sul modello cosmologico standard. Pertanto esisteva una chiara possibilità dell’esistenza di “energia oscura”, ipotizzata da molti cosmologi e studiosi teorici della teoria della relatività generale di Einstein. Inclusi Hawking e me.

Qual è il merito dei tre premi Nobel 2011?

Ciò che Perlmutter, Schmidt e Riess hanno fatto è stato di fornire la prima chiara prova che la “lambda” di Einstein è proprio lì dove si pensava (cioè nel “non-zero”, l’energia oscura). La maggioranza di cosmologi e studiosi della teoria della relatività (me compreso) sono stati propensi a credere che il valore di “lambda” fosse zero, ma c’era sempre la possibilità di una sua presenza non-zero. Per quanto mi riguarda è una possibilità che ho dovuto prendere seriamente in considerazione. E difatti quando sono stato ragionevolmente convinto della veridicità della “costante cosmologica” – in seguito alla prova basata sull’osservazione – è divenuta un punto cruciale della mia teoria sulla Cosmologia ciclica conforme (Ccc). Tema questo, che costituisce l’asse portante del mio nuovo libro.

Cosa risponde ai suoi colleghi che ipotizzano l’esistenza di meccanismi che consentirebbero all’Universo di rinascere ciclicamente? Che ruolo hanno i buchi neri in queste dinamiche e perché è da escludere la possibilità di una nuova contrazione, un Big Crunch preludio di un nuovo Big Bang?

Diversi modelli di un universo ciclico sono stati presentati più volte. Le primissime soluzioni cosmologiche della “Relatività” di Einstein, prodotte da Alexander Friedman nel 1922, contenevano un modello definito “universo oscillante”, che ipotizzava cicli di espansione e contrazione, in cui ogni fase di contrazione terminava in una singolarità spazio-temporale (definito Big Crunch, Grande Collasso) che “rimbalzava” per trasformarsi in un altro Big bang. Uno dei più recenti modelli di questo tipo è il modello ciclico “ekpyrotic” di Steinhardt e Turok. Tuttavia, questi schemi in verità funzionano bene solo quando non si verifichino irregolarità cosmiche nel modello stesso. In caso di irregolarità, la “grumosità” dell’universo aumenta quando questo collassa su se stesso e la materia si congela in buchi neri che si fondono producendo una singolare reazione. Questa singolarità estremamente complicata è assolutamente diversa dall’uniformità che noi abbiamo osservato nei primi istanti di formazione dell’universo dopo il Big Bang.

Possiamo approfondire questo punto?

Secondo il modello cosmologico standard, l’Universo nato da un Big Bang è destinato a espandersi in eterno, a rarefarsi sempre più e a ridursi in uno sterile, gigantesco oceano di radiazione omogenea e indifferenziata. Questo ha indotto alcuni astrofisici a ipotizzare meccanismi che consentirebbero al cosmo di rinascere ciclicamente. Ma nella loro teoria ci sono incongruenze legate alla geometria dello spazio-tempo e all’entropia dell’Universo. Con la Cosmologia ciclica conforme, propongo una soluzione che risolve tali incongruenze e mostra che espansione eterna e Big Bang arrivano a coincidere. In pratica l’universo non collassa mai su se stesso e l’espansione accelerata continua all’infinito. I buchi neri che si formano non si fondono tutti in un grande collasso, ma alla fine spariscono tutti attraverso la “radiazione di Hawking” (secondo cui esiste sempre un raggio di luce capace di sfuggire ai buchi neri). Non ci sono buchi neri quando una fase cosmica termina e ne comincia un’altra. In un futuro molto remoto la massa di tutte le particelle scomparirà, e quelle “sopravvissute” saranno in prevalenza particelle a massa zero come i fotoni. Le particelle a massa zero non possono in alcun modo seguire la misura del tempo o dello spazio, e alla fine l’universo enormemente espanso diventerà indistinguibile da un nuovo Big bang. Così tutto ricomincia da capo.

left 42/2011

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Informazioni su Federico Tulli

Federico Tulli è un giornalista professionista. Collabora con diversi periodici, tra cui “Left”, “MicroMega” e “Critica liberale”. Sul web è condirettore di “Cronache Laiche”, firma un blog su “MicroMega”, ha ideato e dirige il magazine di divulgazione culturale e scientifica “Babylon Post”. Per L'Asino d'oro edizioni ha pubblicato: “Chiesa e pedofilia. Non lasciate che i pargoli vadano a loro” (2010), “Chiesa e pedofilia, il caso italiano” (2014) e “Figli rubati. L'Italia, la Chiesa e i desaparecidos” (2015).

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Figli rubati – In libreria dal 25 settembre 2015

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