Da dove viene il mondo? Da dove veniamo noi?
È stato Albert Einstein a fornirci le basi per indagare l’origine dell’universo (oltre ad inventare la scienza della cosmologia). Con la teoria generale della relatività ha rivoluzionato la fisica e ci ha dato un approccio per la comprensione del mondo totalmente nuovo. La gravità, secondo Einstein, è causata dalla deformazione e dalla curvatura dello spazio-tempo dovuta a elementi enormi come i pianeti e le stelle.
Nel 1917 Einstein prese la sua teoria della relatività e la applicò all’intero universo. L’attrazione gravitazionale di tutta la materia nell’universo avvicinava, secondo Einstein, tutti gli elementi nel cosmo accelerando lentamente , in modo graduale, finché, alla fine, inevitabilmente, avrebbe portato al collasso dell’universo. A questo ragionamento, per non andare contro le teorie dell’epoca e tenere “stabile” l’universo, aggiunse alla sua equazione una sorta di forza di antigravità inventata , cosiddetta lambda o costante cosmologica , che agiva contro la normale gravità . Einstein non ne aveva le prove ma gli servì ad assicurarsi che le equazioni descrivessero un universo stabile. Per asseverare e fare coincidere in qualche modo la sua teoria con quella tradizionale , per mantenere le cose così come erano , introdusse il concetto della costante cosmologica- lambda – che lo avrebbe perseguitato tutta la vita.
La teoria di Einstein spianò la strada al fisico teoretico George Lemaitre , che era oltre che uno scienziato anche un prete che sosteneva: “c’erano due modi per inseguire la verità, io ho deciso di seguirli entrambi”. Lemaitre teorizzò un universo affatto statico ma che si espandeva con galassie che sfrecciavano una lontana dall’altra . Secondo Lemaitre c’era stato un momento in cui l’intero universo si era ristretto in un volume minuscolo – qualcosa che denominó “l’atomo primigenio” – . Era la descrizione di ciò che sarebbe divenuta nota come la teoria del Big Bang, il momento della creazione dell’universo.
Nel 1927 Lemaitre spiegò ad Einstein la sua idea riguardo l’universo in espansione ma Einstein la rigettò dicendogli che “i suoi calcoli matematici potevano anche essere corretti ma la sua comprensione di come il mondo reale funzionasse era abominevole”. Einstein ancora una volta rifiutó l’idea di un universo dinamico.
Edwin Hubble, che era allora sulla cresta dell’onda dopo avere dimostrato l’esistenza di altre galassie oltre la nostra, con il telescopio cercava ed era alla ricerca di galassie in espansione. Misuró la velocità di allontanamento delle galassie rispetto alla Terra. Scoprì così che queste si allontanavano a 30.000 (trentamila) chilometri al secondo dalla Terra. Una volta calcolata la velocità della galassia, Hubble misurò quanto fosse lontana. Notò che più era lontana da noi, più si allontanava velocemente rispetto alla Terra. Ciò era strano in un universo stabile.
Il grafico di Hubble dimostrò che l’universo si stava espandendo , il che aveva grandi implicazioni sull’inizio dell’universo. Questo fece pensare infatti che non solo le galassie si espandessero allontanandosi una dall’altra ma anche che ci fosse stato un momento, a ritroso, in cui queste erano un tutto concentrato. Questa fu la prima prova che l’idea di Leimatre – di un universo che si evolve da un Big Bang – fosse corretta. Grazie al lavoro di Hubble, Georges Lemaitre fu giustamente riconosciuto, in ritardo.
Il nome più importante della fisica, Albert Einstein, cambiò idea su questa scoperta rivoluzionaria, sostenendo il modello dell’universo in espansione tramite il Big Bang. Einstein scartò così la costante cosmologica, rinnegandola.
Fu una donna scienziata, Cecilia Payne, a svelare la composizione dell’universo. Per farlo dovette trasferirsi dall’Inghilterra, dove non le si permise di laurearsi a Cambridge in quanto donna, negli Stati Uniti.
Payne scoprì che il Sole era composto quasi interamente da due soli elementi: l’idrogeno e l’elio. Tutti gli altri elementi, carbonio, ossigeno, sodio, ferro, che rendevano il Sole simile alla Terra, formavano solo una minuscola frazione della sua composizione. Scoprì che idrogeno ed elio sono costanti in quasi ogni stella nella galassia.
L’universo quindi è dominato da soli due elementi, i più semplici e leggeri, l’idrogeno e l’elio. Insieme formano più del novantotto per cento (98%) della materia dell’universo. Tutti gli altri elementi, così importanti per noi come carbonio, ossigeno, ferro, formano meno del due per cento (2%). George Gamow , fisico nucleare russo, entusiasta sostenitore dell’idea del Big Bang, osservó i primi momenti dell’universo pensando vi fosse racchiusa la risposta alla composizione dell’universo. Iniziò a costruire un modello matematico delle primissime fasi dell’universo . Con Ralph Alpher , riportando indietro l’universo fu chiaro per loro che ci fosse stato un tempo in cui il primo universo era incredibilmente denso e caldo . In questa fase, che calcolarono essere appena tre minuti dopo il Big Bang, l’universo sarebbe stato così caldo che gli atomi stessi non potevano esistere , ma solo le loro parti costituenti. Una sorta di brodo primordiale surriscaldato di protoni , neutroni ed elettroni. Lo chiamarono “Ylem “ da una parola antica inglese che significa “materia”. In meno di cinquanta minuti i protoni dei nuclei di idrogeno si stavano unendo per formare l’elio nel processo della fusione nucleare. Inoltre le proporzioni di idrogeno ed elio previste dal loro modello combaciavano con quelle misurate nelle stelle. Alpher continuò a studiare e sostenne poi che l’universo fosse in origine una nube di elettroni liberi e nuclei atomici , poi scese ad una temperatura critica , tanto fredda che gli elettroni poterono legarsi ai nuclei di idrogeno e di elio . In questo preciso momento fu sprigionata la luce che viaggió libera nell’universo, la prima luce della creazione. Alpher capì che questa luce dall’inizio dell’universo dovrebbe ancora raggiungerci dopo miliardi di anni, molto debole, molto tenue, ma osservabile in tutte le direzioni. Calcoló che l’espansione dell’universo dovrebbe allungare le lunghezze d’onda di questa luce oltre la gamma dello spettro visibile e dovrebbe arrivare ora come radiazione a microonde. Trovando questa radiazione spettrale si sarebbe provata non solo la teoria della prima evoluzione dell’universo ma l’intera teoria del Big Bang stessa. Erano gli anni quaranta del secolo scorso, non si avevano ancora gli strumenti di rilevazione adatti. Solo venti anni dopo, nel 1964, due giovani ingegneri radio Arno Penzias e Robert Wilson presero il premio Nobel scoprendo con il telescopio che il cielo era saturo di radiazioni a microonde. Tutti i corpi caldi emettono radiazioni a microonde – la comunicazione mobile, i nostri telefoni cellulari, ne inondano il cielo – . Si tratta di una temperatura costante di tre gradi sopra lo zero assoluto, un sibilo a microonde . Era la radiazione prevista da Alpher, il lampo di luce dalla prima evoluzione dell’universo. E’ stata finalmente la prova della teoria del Big Bang. Questa radiazione a microonde ha viaggiato attraverso i più lontani meandri dello spazio da 13,8 miliardi di anni fa quando fu rilasciata la prima luce dal Big Bang.
Dopo quaranta anni dalla previsione di Lamaitre , l’idea del Big Bang era finalmente scienza. Questa radiazione cosmica a microonde di fondo – detta CMB – e la prova del Big Bang stesso non esauriscono tuttavia gli interrogativi.
Da dove è uscita tutta la materia stessa, e come si ottiene qualcosa dal nulla? Dietro la radiazione cosmica a microonde si nascondono queste domande, le cui risposte sono nei primissimi secondi dell’universo. All’inizio dell’universo tutto era concentrato – pianeti, stelle, buchi neri – ed ad altissima energia, fu allora che è iniziata ad esistere la prima materia . Al CERN, al confine tra la Svizzera e la Francia , il più grande acceleratore di particelle al mondo – il Large Hadron Collider o LHC – non può ancora replicare quel processo ma ci permette di studiare le proprietà delle particelle fondamentali. Accelerando gli atomi di piombo a cui vengono tolti tutti gli elettroni , si fanno scontrare e collidere fasci di protoni con energie più di ottanta volte maggiori di quelle prodotte da due protoni fino a velocità simili a quella della luce . Le collisioni sono così intense che per un attimo creano qualcosa di unico: un mondo fatto non di atomi, e nemmeno di neutroni e protoni ma di quark e gluoni e leptoni , particelle che si sono unite per formare atomi nel primo milionesimo di secondo dopo il Big Bang.
È stato ricreato lo stadio nell’evoluzione dell’universo chiamato “plasma di quark e gluoni” subito prima cioè che i quark siano intrappolati – cosiddetto “confinanento dei quark” – dai gluoni per creare protoni e neutroni, che a loro volta procedono per formare i nuclei di atomi .
Per sviluppare l’energia necessaria , i nuclei di piombo passano attraverso una catena di acceleratori più piccoli raccogliendo gradualmente l’energia finché non vengono introdotti nel più grande acceleratore sulla Terra , l’LHC. Il massimo di energia che un fascio può raggiungere è direttamente legato alla dimensione dell’ acceleratore e l’LHC ha una circonferenza di ventisette chilometri . Il che vuole dire che il fascio può raggiungere un’energia pari a mille teraelettronvolt. E’ meno di quanto si immagini perché è l’equivalente dell’energia con cui una mosca colpisce una vetrata. Ma la differenza è data dal fatto che al CERN l’energia è concentrata , è la densità dell’energia ciò che conta. L’LHC può comprimere tutta quella energia in uno spazio che è meno di un bilionesimo della dimensione di un singolo atomo. Cosa che non può accadere in nessun altro posto dell’universo conosciuto. I due fasci di nuclei di piombo viaggiano intorno al cerchio in direzioni opposte. E viaggiano ad una velocità di 99,9998 per cento della velocità della luce. Ciò significa che coprono i ventisette chilometri della circonferenza del cerchio più di undicimila (11.000) volte al secondo . Quando i fasci raggiungono la velocità massima , una minuscola frazione dei nuclei di piombo colliderà creando una sfera di fuoco super calda e super densa con una temperatura 400.000 volte più calda di quella al centro del Sole ed una densità che equivarrebbe a comprimere l’intero Monte Bianco alla dimensione di un acino d’uva . Pur non sapendo ancora come la materia abbia iniziato ad esistere , studiare queste collisioni ci permette di fare i primi passi verso quella scoperta. Sono le primissime fasi dell’universo , il momento più vicino al Big Bang , precisamente un milionesimo di secondo dopo il Big Bang stesso. Dietro questo ci sono le risposte che cerchiamo da sempre , cioè come le quattro forze fondamentali che uniscono la materia – gravità, elettromagnetismo e le forze nucleari – siano connesse l’una all’altra. Come le particelle che formano la materia si sono condensate in una nebbia di energia , come la massa si è generata dalla forza che unisce protoni e neutroni , e come l’universo stesso ha subìto un’espansione super veloce in un miliardo, miliardesimo di secondo per creare la struttura del cosmo.
Per replicare le primissima fase dell’universo dobbiamo creare energie ben più forti, costruire un acceleratore più potente, ci vorrebbe e vorrà un acceleratore del diametro dell’intera orbita di Plutone .

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