di Luca Basta
L’Accademia svedese delle scienze ha assegnato il Nobel per la fisica 2020 per metà a Roger Penrose “per la scoperta che la formazione dei buchi neri è una solida previsione della teoria generale della relatività” e per l’altra metà, congiuntamente, a Reinhard Genzel e Andrea Ghez “per la scoperta di un oggetto compatto supermassivo al centro della nostra galassia“.
Per capire quale sia stato il contributo di Penrose, dobbiamo prima comprendere il punto in cui si trovava la ricerca sui buchi neri all’inizio degli anni ’60.
Einstein, agli inizi del 1900, pubblicò la sua sorprendente teoria della relatività. Questa, sintetizzando in modo estremo, spiega come la gravità nasca dalla distorsione dello spazio tempo, una varietà quadri-dimensionale che combina le tre dimensioni spaziali con la dimensione temporale. Possiamo immaginarci lo spazio tempo come un lenzuolo sospeso e gli oggetti cosmologici (stelle e pianeti) come dei pesi su questo lenzuolo: ogni oggetto stiracchia il lenzuolo verso il basso, deformandolo. Esplorando le equazioni di Einstein, nel 1916 Schwarzschild teorizzò che in presenza di un oggetto abbastanza massivo, questo riesca a fare un buco nel lenzuolo dello spazio tempo (sarebbe più corretto dire che stirerebbe il lenzuolo talmente in basso da sembrare che ci sia effettivamente un buco..)! In queste regioni la gravità è talmente intensa da deformare lo spazio-tempo in modo tale che nulla, neppure la luce, può scapparne: da qui il nome (John Archibald Wheeler, in un’intervista del 1968: “se l’oggetto si trovasse a passare davanti allo sfondo pieno di stelle della nostra galassia, l’osservatore sulla Terra non potrebbe vedere l’astro, ma vedrebbe nella sua posizione un BUCO NERO rispetto allo sfondo luminoso”). Le equazioni di Einstein furono rivoluzionarie e la comunità scientifica cominciò a studiarle a fondo. Ma la convinzione generale, e quella dello stesso Einstein, era che questi buchi neri fossero degli escamotage teorici e non delle entità reali. La formazione di un buco nero era stata descritta solamente introducendo parametri ideali, per lo più irrealistici (simmetrie perfette, ad esempio..). Come se per sapere esattamente quante mucche possano entrare in una stalla le dovessimo approssimare dando loro una perfetta forma sferica e metterle sotto vuoto..! Qualcosa che in realtà si fa spesso, per avvicinarci ad una migliore comprensione di un sistema, ma che ovviamente non ci assicura che la descrizione prevista sia poi effettivamente corrispondente alla realtà…
In quegli anni, Roger Penrose si stava laureando e dottorando in matematica a Cambridge. Il suo ambito di ricerca era la topologia, quella branca della matematica che descrive le proprietà degli oggetti geometrici e come possono essere deformati, compressi o stiracchiati. Negli anni ’50, insieme a suo padre (uno psichiatra), concepì e rese famoso il “triangolo di Penrose”, che molto probabilmente avete visto come esempio di illusione ottica (nonostante fosse già stato ideato dall’artista svedese Oskar Reutersvärd circa vent’anni prima). Penrose lo definì “l’impossibilità nella sua forma più pura”, e lo troviamo spesso nelle opere dell’artista Escher. Si interessò alla astrofisica grazie al suo amico Dennis Sciama, un cosmologo anche lui a Cambridge al tempo. Cominciò a pensare alla “geometria interna di un buco nero, a come i raggi luminosi si comportano, a come si concentrano, e cose del genere..” (come lui stesso racconta). E così sviluppò un’idea innovativa, che poi definì “superfici intrappolate”, per descrivere il “collasso gravitazionale di un oggetto estremamente massivo che raggiunge il punto di non ritorno e che non dipende da alcuna simmetria o parametri simili”. Nel 1965, Roger Penrose fu il primo a dimostrare matematicamente che i buchi neri fossero una conseguenza naturale della teoria della relatività e non soltanto fantascienza. Nello specifico, Penrose dimostrò che se un oggetto come una stella morente collassa, ad un certo punto non c’è nulla che possa impedire alla gravità di diventare talmente intensa da generare una singolarità: un punto a densità di massa infinita in cui le leggi della fisica che conosciamo smettono di esistere.
Il suo lavoro diede una nuova spinta allo studio teorico e sperimentale sui buchi neri.
Veniamo ora ad Andrea Ghez e Reinhard Genzel. Qualche anno prima, nel 1931, Karl Jansky, uno dei padri della radio astronomia, aveva scoperto un segnale radio proveniente dal centro della Via Lattea (la galassia a cui appartiene il nostro sistema solare), nella direzione della costellazione del Sagittario. Successivamente si scoprì che la sorgente di questo segnale radio era in realtà la sovrapposizione di più componenti e nel 1974 ne venne identificata una particolarmente intensa e compatta: Sagittarius A*. E’ purtroppo impossibile osservare nello spettro del visibile il centro della nostra galassia, ovvero con i classici telescopi che possiamo facilmente comprare per studiare la luna, o le lune intorno a Giove. Questo perché la polvere e il gas interstellare che sono nel mezzo, assorbono e disperdono la radiazione elettromagnetica (e quindi anche la luce visibile). Un fenomeno detto estinzione. Al tempo stesso, la turbolenza della nostra atmosfera deforma in maniera casuale il cammino della radiazione elettromagnetica, distorcendolo.
Per limitare il più possibile questi problemi, nel 1995 fu costruito il telescopio Keck. A 4200 m di altitudine, sul vulcano dormiente Mauna Kea, alle Hawaii dove l’atmosfera è più sottile e l’inquinamento è minore. Il suo specchio iperbolico è composto da 36 segmenti, per un totale di 10 metri di diametro e un peso di 270 tonnellate. Per ridurre gli effetti della turbolenza atmosferica, un potente computer muove singolarmente ogni segmento dello specchio (ogni mezzo secondo), creando così un’ottica adattiva dalla precisione inimmaginabile (un milionesimo di mm). Osservando Sagittarius A* nell’infrarosso inoltre, invece che nel visibile, il fenomeno dell’estinzione si riduce notevolmente, permettendo così di seguire circa 30 stelle nelle loro rotazioni intorno al centro della galassia. Analizzando i dati raccolti nei primi venti anni di osservazioni, Andrea Ghez e il suo gruppo di ricerca hanno dimostrato che l’oggetto al centro delle orbite (ovviamente ellittiche) delle 30 stelle che furono seguite ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del sole (massa solare) ed è limitato in una regione spaziale di 45 unità astronomiche (45 volte la distanza tra il Sole e la Terra, circa 7 miliardi di chilometri). Parallelamente Reinhard Genzel, con i suoi collaboratori, contribuiva in modo decisivo allo sviluppo dell’imaging astronomico ad alta definizione, in particolare nell’infrarosso. Con i suoi progressi e grazie al Very Large Telescope in Cile, riuscì a misurare il periodo di rotazione di una stella in particolare, nel centro della nostra galassia, che corrispondeva all’incredibile velocità di 5000 km/s su un’orbita grande come il nostro sistema solare, intorno ad un oggetto supermassivo (in confronto la Terra ha una velocità orbitale media di 30 km/s, mentre Nettuno orbita a 5 km/s).
L’unico oggetto che può avere queste caratteristiche è un buco nero.
Come abbiamo appena visto, negli ultimi anni la scienza ci ha condotti in un viaggio colmo non soltanto di sorprese, ma anche di mistero. La cosmologia su scala infinitamente grande, insieme alla fisica delle particelle su scala infinitamente piccola, ci hanno gradualmente dischiuso la struttura spettacolare e meravigliosa dell’universo nel quale viviamo. La domanda allora sorge spontanea: cosa siamo noi esseri umani in tutto ciò? Siamo semplicemente dei minuscoli esseri transitori nati per caso, oppure l’universo stesso ci fornisce qualche indizio per poter ritenere che noi esseri umani abbiamo qualche importanza?
Parlando di scienza non possiamo non riconoscere come il fondamento del metodo scientifico stesso affondi nell’intellegibilità razionale dell’universo. A questo proposito Einstein commentò: “La cosa più incomprensibile dell’universo è che esso sia comprensibile. […] A priori ci si aspetterebbe un mondo caotico, che in nessun modo possa essere compreso dall’intelletto […]; il genere di ordine creato dalla teoria della gravitazione di Newton, per esempio, è del tutto differente. Il successo delle teorie scientifiche presuppone un elevato grado di ordinamento del mondo oggettivo, e questo non può essere previsto a priori”.
Perché siamo capaci di descrivere l’universo in termini matematici? E’ estremamente sorprendente come i concetti matematici più astratti, che sembrano essere delle pure invenzioni della mente umana, possano rivelarsi di fondamentale importanza per alcune branche della scienza, con una vasta gamma di applicazioni pratiche. Lo stesso Roger Penrose afferma: “Deve esserci qualche ragione profonda per l’accordo tra matematica e fisica. È difficile per me credere che simili teorie eccezionali possano essere nate puramente mediante una qualche selezione naturale casuale”.
L’unica valida risposta, io credo, è che l’intellegibilità dell’universo sia fondata sulla natura della razionalità intima di Dio: tanto il mondo reale quanto la matematica sono riconducibili alla Mente di Dio che creò sia l’universo che la mente umana. Pertanto non è sorprendente che le teorie matematiche elaborate da menti umane create ad immagine della Mente di Dio trovino delle applicazioni in un universo il cui architetto fu quella stessa Mente creativa.
Ma, facendo un passo indietro, cosa possiamo dire sull’esistenza stessa dell’universo?
Arno Penzias, premio Nobel per la fisica nel 1978 per la scoperta della radiazione cosmica di fondo, afferma: “L’astronomia ci conduce verso un evento unico, un universo creato dal nulla, con quell’equilibrio assai delicato necessario per offrire esattamente le giuste condizioni richieste per consentire la vita, e con un progetto sottostante (si potrebbe dire soprannaturale)”. Il quadro straordinario che emerge dalla cosmologia (come dal resto della fisica) moderna è quello di un universo le cui forze fondamentali risultano essere, in maniera sbalorditiva, equilibrate o “finemente regolate” affinché l’universo possa consentire la vita (si parla di “fine-tuning”).
Prendiamo la densità di massa dell’universo ad esempio. Se fosse solo leggermente maggiore di quello che è, il deuterio (un isotopo dell’atomo di idrogeno, con un neutrone in più) sarebbe troppo abbondante, le stelle brucerebbero troppo rapidamente e non avremmo vita nell’universo. Se fosse solo leggermente minore, non ci sarebbe abbastanza elio nell’universo, e questo porterebbe ad una carenza degli elementi più pesanti (C, O, Fe, …). Paragoniamo l’universo ad una flotta di 1 000 miliardi di navi portaerei, ognuna lunga 330 m e pesante 100 000 tonnellate. Se questa flotta fosse calibrata con la stessa precisione della densità di massa dell’universo, sottraendo un miliardesimo della massa di un singolo elettrone, causeremmo l’affondamento dell’intera flotta!
Consideriamo la costante cosmologica, che regola come una forza repulsiva contrasti la gravità portando all’espansione dell’universo. Una variazione nell’ordine di 10120 (1 seguito da 120 zeri) e l’universo non potrebbe sostenere la vita. Pensate che la probabilità di centrare una monetina dall’altra parte dell’universo, distante 20 miliardi di anni luce da noi, è circa 1060 (1 seguito da 60 zeri). Ora aggiungete altri 60 zeri…una probabilità decisamente piccola.
Infine, consideriamo l’intero universo come lo conosciamo (con tutte le stelle, i pianeti, le galassie, i buchi neri..) e condensiamolo in un minuscolo puntino (della dimensione della lunghezza di Planck, la più piccola distanza possibile: 10-34m). Così compresso deve essere necessariamente più ordinato, e quindi meno caotico e con una entropia molto minore dell’universo attuale. Penrose stesso ha calcolato la probabilità che un universo in tale stato di bassissima entropia possa apparire dal nulla, per caso: 1010^123. “Anche se potessimo scrivere uno zero su ogni singola particella dell’universo (elettroni, protoni, neutroni, ecc..) non avremmo zeri a sufficienza. La precisione necessaria per indirizzare l’universo è […] straordinaria”.
Allan Sandage, uno dei padri della moderna astronomia, scopritore dei quasar e vincitore del premio Crafoord (l’equivalente del Nobel per l’astronomia), afferma: “Trovo assai improbabile che un simile ordine sia emerso dal caos. Deve esserci un principio organizzatore. Dio per me è un mistero, ma è la spiegazione del miracolo dell’esistenza: perché vi è qualcosa anziché il nulla”.
Anche Stephen Hawking, probabilmente il più famoso cosmologo e ateo convinto, riconosce “degno di nota che i valori delle costanti della fisica sembrino essere state finemente regolate per rendere possibile lo sviluppo della vita”.
Infine, Charles Townes, premio Nobel per la fisica nel 1964 (per la scoperta del maser, il precursore del laser) scrive: “A mio parere, la questione dell’origine sembra rimanere senza risposta se la esaminiamo dal punto di vista scientifico. […] Io credo nel concetto di Dio e nella sua esistenza”.
Personalmente credo che tutti questi siano indizi inequivocabili dell’esistenza di un Creatore, un Architetto dietro l’universo e la vita che conosciamo e investighiamo. Einstein afferma: “Questo [l’esistenza di un disegno, di un progetto] è il “miracolo” che viene continuamente rafforzato a mano a mano che le nostre conoscenze si espandono”.
Qual è questo progetto? Perché un Architetto avrebbe voluto creare un universo su misura per noi, tale sia da sostenere la nostra esistenza, che da permetterci di studiarlo e comprenderlo? Vi invitiamo a leggere la Bibbia e seguirci o contattarci per andare più a fondo ed esplorare la risposta a questa domanda.
Fonti:
- Ragioni per Dio – Tim Keller
- Dio e la Scienza – John C. Lennox
- nature.com
- astrobites.com
- ox.ac.uk
- bbc.com
Luca Basta è laureato in Fisica della Materia presso l’Università di Pisa. Ora sta completando il suo Perfezionamento (Dottorato di ricerca) in Nanoscienze presso la Scuola Normale Superiore; è anche uno dei coordinatori GBU di Pisa.
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