Big Bang e Papa Francesco

Il Big-Bang, che oggi si pone all’origine del mondo, non contraddice l’intervento creatore divino ma lo esige. L’evoluzione nella natura non contrasta con la nozione di Creazione, perché l’evoluzione presuppone la creazione degli esseri che si evolvono.

Dal discorso di Papa Francesco presso la Pontificia Accademia delle scienze (qui il testo completo)

Vista la quantità di sciocchezze scritte a sia favore che contro questo intervento vale la pena di ricordare alcuni fatti. 

• Il Papa non parla mai  di Creazionismo (--> no dinosauri, 4000 anni di età di universo, no evoluzione degli animali) come titolano molti articoli online (ad esempio repubblica  e persino wired, che così rovina l'ottimo articolo di Amedeo Balbi).

• Il concetto di Big Bang fa parte del magistero della Chiesa dagli anni '50: un primo discorso di Pio XII del 1951 cita come prova dell'età dell'universo: 1) Il distanziamento delle nebulose spirali o galassie. 2) L’età della crosta solida della terra, 3) L’età dei meteoriti. 4) La stabilità dei sistemi di stelle doppie e degli ammassi di stelle. In questo testo il Big Bang veniva portato quasi a prova della Creazione divina, cosa che sia Lemaître (il primo a formulare questa ipotesi) che molti teologi ritenevano una forzatura. Infatti nel discorso di Pio XII del 1952 la cosa fu  fortemente sfumata. Il Big Bang è ormai un fatto talmente assodato (e dato per scontato nel breve discorso del papa) che nessuno si sognerebbe di mettere in discussione, a parte appunto i  creazionisti.

• L'idea di una singolarità iniziale all'inizio di tutto si deve ad  un giovane cosmologo e prete gesuita, Lemaître. A partire dagli anni '20 mostrò che solo  un universo in espansione a partire da un punto o singolarità iniziale soddisfaceva le equazioni di Einstein (qui una breve spiegazione). Quest’ultimo – di origini ebraiche ma dichiaratamente ateo – aborriva quello che ai suoi occhi appariva come un tentativo di ritrovare la Creazione biblica nella cosmologia. Di uguale opinione erano altri valenti cosmologi tra cui Bondi ed Hoyle, che – in opposizione alla teoria dell’atomo primitivo di Lemaître proposero quella dell’universo stazionario, battezzando ironicamente 'Big Bang' la teoria di Lemaître. 

• Nessuno al momento sa cosa sia avvenuto nel momento della singolarità iniziale. Anzi, non si sa neanche cosa sia avvenuto nei primi10^-44 secondi (il cosiddetto tempo di Planck), o perché il nostro universo sia dominato dalla materia a discapito dell'antimateria e meno che mai come fare a mettere insieme relatività generale e meccanica quantistica. Tutte queste domande sono probabilmente correlate tra loro, ma in maniera ignota.

• Scienziati di tutto il mondo, siano essi non credenti, o di qualunque credo e religione,  indagano su questi problemi alla stessa maniera: con la matematica dal punto di vista teorico e costruendo apparati sperimentali per raccogliere dati e verificare le ipotesi. 

• Il resto è solo rumore di fondo che oltrettutto alimenta un generale sentimento antiscientifico  che sta facendo molti danni anche in Europa (ed ha distrutto il già traballante sistema scolastico USA). Forzare uno scontro tra scienza e fede sul terreno della fisica fondamentale e della cosmologia (quando il dibattito è già abbastanza acceso su temi di bioetica) è un anacronismo che ci riporta - neanche a volerlo fare apposta -   ai tempi di Galileo.

Niente panico, non è (purtroppo) un monopolo magnetico DOC.

In natura è possibile trovare particelle con carica elettrica positiva (il protone) e negativa (l'elettrone).  L'atomo di idrogeno è costituito da un elettrone che si trova intorno ad un protone. Sfregando tra loro  due panni differenti è possibile  separare le cariche elettriche positive da quelle negative, caricando elettrostaticamente i due oggetti.
Altrettanto non può dirsi per i poli magnetici: infatti le calamite hanno sempre un polo nord e sud e se le spacchiamo in due, i frammenti continueranno ad avere ciascuno un polo nord ed un polo sud.
Questo perché il campo magnetico è generato dalla corrente di miriadi di elettroni che ruotano attorno agli atomi. Tagliando in due il magnete, gli elettroni continuano a girare attorno agli atomi e non cambia niente.
D'altro canto, elettricità e magnetismo non sono altro che due facce della stessa medaglia: infatti se ho una carica elettrica stazionaria sperimento un campo elettrico, se invece mi muovo rispetto alla carica elettrica, per me quella non è altro che una corrente e quindi sperimento un campo magnetico.
L'unificazione del campo elettrico e magnetico in un campo elettromagnetico è stata effettuata alla fine del XIX secolo: è stata compiuta da Maxwell che ha formalizzato in quattro equazioni le leggi che descrivono luce, onde radio, raggi X ed i fenomeni elettrici e magnetici separatamente.
Tuttavia - nonostante il loro fascino e la loro eleganza - le equazioni appaiono stranamente asimmetriche: manca infatti il termine della carica magnetica isolata, ossia del monopolo magnetico.
L'esistenza di anche un solo di essi  avrebbe conseguenze rivoluzionarie per la tutta la fisica moderna, dalla meccanica quantistica alla teoria del Big Bang

I ricercatori autori dell'articolo pubblicato su Nature non hanno osservato un monopolo. hanno creato un sistema che si comporta come se ci fosse un monopolo. Questo traguardo è comunque molto importante, perché consente di studiare sistemi complessi e verificare teorie matematiche che altrimenti potrebbero restare astratte ancora per secoli (un altro esempio sono i difetti e  le correnti topologiche che si comportano come le stringhe della fisica delle particelle).

Un risultato importante, ma lungi dal meritarsi il titolo (errato) di molti giornali tale da indurre in molti un sobbalzo sulla sedia stile Zio Paperone.  Magari bastava leggere non dico l'abstract, ma il solo titolo: Observation of a magnetic monopole in a synthetic magnetic field.

I dati di Planck, il fondo cosmico a microonde ed il Big Bang

A quasi quattro anni dal lancio sono stati resi pubblici i primi dati sul fondo cosmico a microonde della sonda Planck. La precisione delle misure consente di determinare con estrema precisione la quantità di materia ordinaria, oscura, e di energia oscura nel nostro universo.  I primi risultati sono stati raccolti in una trentina di articoli che analizzano in dettaglio i vari risultati della missione. Alcuni dati mostrano piccole ma significative discrepante con i valori attesi, e potrebbero aprire la strada verso teorie più precise sulla nascita ed evoluzione del nostro universo.   

Che cos'è e dove si trova Planck? 

Planck è una sonda costruita dall'Agenzia spaziale Europea,  lanciata nel 2010 e  posta in orbita attorno al secondo punto di Lagrange, sul lato opposto della luna rispetto alla terra.  In questa maniera il calore del nostro pianeta non interferisce con le  le misure.

Che cosa misura?

E' un precisissimo termometro che misura la temperatura dell'universo. Questa è in media pari a 2.75gradi  Kelvin, ossia appena  tre gradi sopra lo zero assoluto.

Ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica a seconda della sua temperatura; 
 intensità e  frequenza della radiazione emessa sono descritte dalla legge di Planck.

Sia la legge che il satellite sono intitolate al fisico tedesco che la propose 
per la prima volta nel 1900. 

La  formula poté essere derivata solo abbandonando la vecchia concezione 
della meccanica classica 

ed introducendo concetti propri della meccanica quantistica: 
storicamente fu uno dei colpi più duri al  meccanicismo dell'ottocento.

Spettro della radiazione elettromagnetica emesso dal sole (6000 gradi Kelvin) e da altri corpi a temperatura più bassa.
Il picco di emissioni è radiazione visibile ad occhio nudo (in realtà l'occhio umano si è evoluto per essere sensibile alle frequenze di maggiore intensità del Sole).

Le braci incandescenti del camino emettono luce tanto più bianca quanto più alta  è la temperatura.

Abbassando la temperatura le emissioni sono per lo più verso il rosso  (il colore dei carboni ardenti).

Anche il sole emette radiazione secondo questa legge, ad una temperatura di 6000 gradi Kelvin (la temperatura della sua superficie).

In tutti i casi viene prodotta anche radiazione infrarossa, che è quella che ci scalda. Anche gli esseri viventi emettono  radiazione, ma avendo  una temperatura di 37 gradi Celsius,  solo nell'infrarosso (ed è per questo che di notte siamo visibili solo con appositi sensori infrarossi).

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Come già accennato, lo spazio intergalattico si trova a 2.75 gradi Kelvin e quindi emette radiazione nelle microonde. Lo spettro - detto anche spettro di corpo nero - è una delle verifiche più accurate della legge di Planck e dell'esistenza del Big Bang.   Questa radiazione è stata emessa 13.78 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 379,000 anni e si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di essere catturati dai protoni, formando per la prima volta gli atomi di idrogeno. La temperatura e le frequenze emesse a quel tempo erano molto più elevate, ma l'espansione dell'universo le ha fatte scendere sino al valore attuale. 

Spettro della radiazione cosmica di fondo misurato dal pioneristico satellite COBE alla fine degli anni '80.

Ma allora che misura Planck?

Gli strumenti  misurano la temperatura e lo spettro della radiazione emessa in tutte le direzioni della volta celeste. La mappa mostra le fluttuazioni (minime, circa una parte su 10000) dal valore aspettato, in rosso sotto la media e in blu sopra la media. 

Analizzando l'ampiezza e le dimensioni delle oscillazioni è possibile risalire allo stato dell'universo nei suoi primi istanti di vita: se e  quanto fosse uniforme, come si sia scatenata l'espansione, quanta materia ordinaria ed oscura è presente in esso e così via.

Mappa di Planck delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (da qui).
I puntini rossi rappresentano le direzioni del cielo dove lo spazio appare
leggermente più caldo, in blu dove è più freddo. La mappa è in coordinate galattiche
per cui la galassia (il cui contributo è stato rimosso) giace  su una riga orizzontale al centro dell'immagine.

I dati  di Planck confermano e raffinano le misure precedenti, mostrando come l'universo si sia espanso improvvisamente per poi proseguire la sua crescita in maniera più graduale, mostrando la presenza di fluttuazioni su grande scala maggiore di quanto previsto dai modelli originali. Lo studio delle implicazioni di queste misure devono ancora venire, ma è auspicabile che - assieme agli studi su LHC - possano aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna: natura della materia oscura, significato dell'energia oscura, asimmetria materia-antimateria. Già fare un passo nella soluzione di uno di questi enigmi potrebbe aprire la strada a nuove teorie sulla natura del mondo. 

La distribuzione di materia ed energia nell'universo prima e dopo le misure attuali (da qui)

Razzismo astrofisico: L'asimmetria materia-antimateria nell'universo.

Particelle ed antiparticelle
del modello standard.
 Immagine da qui

L'apparente universalità delle leggi della fisica  nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha luogo nell'universo e negli acceleratori di particelle.

Questi apparenti paradossi - al momento irrisolti - sono  oggetto di ricerca da svariati decenni sia dal punto di vista teorico che sperimentale, senza che però si sia riusciti a compiere  significativi progressi.  

1. Dov'è finita l'antimateria?

Perché il 4% di materia (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Questa domanda giace dietro il problema della materia oscura, probabilmente costituita da una particella ancora inosservata, ma è plausibilmente distinto da esso. 

Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano infatti una simmetria tra materia ed antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano create materia ed antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevedebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. L'universo appare costituito da sola materia:  infatti se vi fossero zone dominate da antimateria, il loro confine con la nostra regione dovrebbe brillare nei raggi gamma dell'annichilazione. 

Il Big Bang ha avuto una fase
di espansione rapidissima.
Immagine da qui

Pertanto le  le  leggi delle particelle elementari da noi conosciute devono aver iniziato ad esser valide solo dopo un certo tempo dal Big Bang.  Quali leggi più generali e ancora ignote erano valide prima? Come hanno prodotto questa macroscopica asimmetria tra materia ed antimateria? Nesssuno ne ha la più pallida idea. 

Lo scienziato e dissidente sovietico Andrei Sakharov, padre della bomba all’idrogeno sovietica, indicò nel 1967  tre eventi che si devono esser verificati in passato per portare alla asimmetria da noi attualmente osservata. Secondo le tre condizioni di Sakharov è necessario quindi: 

1) che l’universo non sia in equilibrio termico, cioè che si vada progressivamente raffreddando. 

        [verificata]: infatti l’universo nei suoi primi istanti di vita ha subito una fase -  detta di inflazione - in cui l’espansione è stata rapidissima, seguendo una legge esponenziale. Questa fase di inflazione potrebbe aver consentito ad una interazione ancora sconosciuta di creare un eccesso di materia rispetto all’antimateria, ingrandendo l’universo così velocemente da non dare tempo alle particelle appena nate di ricombinarsi secondo il processo inverso.           

Lo scienziato e dissidente sovietico
Andrei Sakharov

2) che non si conservi il numero barionico. De esser quindi possibile  creare in una singola reazione protoni senza creare anche un ugual numero di antiprotoni. 

      [non verificata] Non si conosce nessun fenomeno in natura che violi il numero barionico: conseguenza di questo è ad esempio la stabilità misurata del protone. 

3) che la produzione di materia sia privilegiata rispetto a quella di antimateria, ossia che si violi la legge simmetria di carica e parità (CP). 

   [appena accennata] La forza debole, responsabile del decadimento nucleare beta (che emette elettroni o positroni), può violare la simmetria di CP nel decadimento di alcune particelle. Questa violazione è però di gran lunga  troppo piccola per poter essere  in grado di soddisfare appieno la terza condizione.  

(1) continua in Separati in casa: Meccanica quantistica contro Relatività generale

Questo post partecipa al carnevale della fisica 39, dal tema "Paradossi nella fisica".