Il problema dell'origine dell'universo

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I problemi dell'inizio
- L'Edda Prosastica
- La Bibbia cattolica
La ricerca delle origini
Il modello standard
Modello standard, Edda Prosastica e Antico Testamento: ci sono differenze?

Termini da conoscere

Annichilazione, Antimateria, Atomo, Fotone, Galassia, Gravità, Massa, Materia, Materia oscura, Neutrino, Neutrone, Nucleo, Positrone, Protone, Radiazione cosmica di fondo

I problemi dell'inizio

Prima della cosmologia moderna, esistevano tentativi di risposta alla fatidica domanda riguardante l'origine dell'universo.

L'EDDA PROSASTICA
Ogni teoria, tuttavia, per essere completa doveva partire da condizioni iniziali inaccettabili. Un esempio è dato dall'Edda prosastica norvegese, datata 1220 e scritta da Snorri Sturluson (in realtà sembra sia stata soltanto riportata in prosa da Sturluson, mentre erano già presenti versi frammentari). Secondo questa "teoria", all'inizio non c'era assolutamente nulla se non un abisso chiamato Ginnungagap: né cielo né terra. A nord ed a sud di questo nulla c'erano regioni di ghiaccio e di fuoco battezzate Niflheim (Casa della Nebbia) e Muspelheim (Casa dei Distruttori). Il calore del fuoco fuse una parte del ghiaccio, e dallo scioglimento nacque Ymir, un gigante. Questo gigante, dal quale originano per partenogenesi gli altri giganti, si cibava di quanto prodotto da una vacca, Audumla, ma anche questa vacca doveva mangiare. Mangiava la brina sulle rocce. Dalla brina un giorno spuntarono fili d'erba, che in realtà erano capelli di un uomo, il primo uomo, di nome Buri. Buri si accoppiò (non si sa con chi) generando Bor, che a sua voltà sposò una gigantessa generando tre figli: Odino, Vili e Ve. I tre uccisero Ymir con un colpo alla testa, dalla quale uscì tanto sangue da annegare tutta la progenie dei Giganti ad eccezione di Bergelmir, che si salvò su di un'arca. Il cadavere di Ymir servì a creare tutto: la carne formò la terra, le ossa le rocce, il sangue le distese d'acqua. E gli astri? I tre figli di Bor presero il fuoco di Muspellheim e le sue faville e li lanciarono in cielo a formare il Sole, la Luna e le stelle, alcune delle quali fisse ed altre in moto rispetto alle prime.

Allora un problema appare evidente: se c'era il nulla, come potevano esistere ghiaccio e fuoco? E da dove viene la vacca? E l'erba che mangia? Con chi si è accoppiato Buri?
La storia sembra essere quindi insoddisfacente a raccontare l'inizio dell'universo. Prima dell'inizio, infatti, non dovrebbe esserci proprio nulla, ma nulla vuol dire nulla, senza eccezioni. Nessun filo d'erba che nasce senza un perché, nessun gigante che nasce per partenogenesi.

LA BIBBIA CATTOLICA
Il Testo Sacro dei cattolici, nell'Antico Testamento, recita un altro tipo di inizio, a noi più familiare e quindi più "intoccabile" nel comune modo di pensare. Ovviamente non si vuole offendere la sensibilità religiosa dei cattolici, tuttavia sembra fuori di dubbio che quanto recitato dalla Bibbia non sia una origine credibile, al pari di quanto recitato dall'Edda Prosastica.

La "Creazione di Adamo" di Michelangelo Buonarroti, nella Cappella Sistina ai Musei Vaticani, Città del Vaticano, Roma.
Un altro modo di vedere l'origine della vita e, prima ancora, dell'universo.

LA GENESI SECONDO LA BIBBIA

In principio Dio creò il cielo e la terra.
Ora la terra era informe e deserta e le tenebre ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque.
Dio disse: "Sia la luce!". E la luce fu. Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte. E fu sera e fu mattina: primo giorno.
Dio disse: "Sia il firmamento in mezzo alle acque per separare le acque dalle acque". Dio fece il firmamento e separò le acque, che sono sotto il firmamento, dalle acque, che son sopra il firmamento. E così avvenne. Dio chiamò il firmamento cielo. E fu sera e fu mattina: secondo giorno.
Dio disse: "Le acque che sono sotto il cielo, si raccolgano in un solo luogo e appaia l'asciutto". E così avvenne. Dio chiamò l'asciutto terra e la massa delle acque mare. E Dio vide che era cosa buona. E Dio disse: "La terra produca germogli, erbe che producono seme e alberi da frutto, che facciano sulla terra frutto con il seme, ciascuno secondo la sua specie". E così avvenne: la terra produsse germogli, erbe che producono seme, ciascuna secondo la propria specie e alberi che fanno ciascuno frutto con il seme, secondo la propria specie. Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: terzo giorno.
Dio disse: "Ci siano luci nel firmamento del cielo, per distinguere il giorno dalla notte; servano da segni per le stagioni, per i giorni e per gli anni e servano da luci nel firmamento del cielo per illuminare la terra". E così avvenne: Dio fece le due luci grandi, la luce maggiore per regolare il giorno e la luce minore per regolare la notte, e le stelle. Dio le pose nel firmamento del cielo per illuminare la terra e per regolare giorno e notte e per separare la luce dalle tenebre. E Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: quarto giorno.
Dio disse: "Le acque brulichino di esseri viventi e uccelli volino sopra la terra, davanti al firmamento del cielo". Dio creò i grandi mostri marini e tutti gli esseri viventi che guizzano e brulicano nelle acque, secondo la loro specie, e tutti gli uccelli alati secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona. Dio li benedisse: "Siate fecondi e moltiplicatevi e riempite le acque dei mari; gli uccelli si moltiplichino sulla terra". E fu sera e fu mattina: quinto giorno.
Dio disse: "La terra produca esseri viventi secondo la loro specie: bestiame, rettili e bestie selvatiche secondo la loro specie". E così avvenne: Dio fece le bestie selvatiche secondo la loro specie e il bestiame secondo la propria specie e tutti i rettili del suolo secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona. E Dio disse: "Facciamo l'uomo a nostra immagine, a nostra somiglianza, e domini sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo, sul bestiame, su tutte le bestie selvatiche e su tutti i rettili che strisciano sulla terra".
Dio creò l'uomo a sua immagine;
a immagine di Dio lo creò;
maschio e femmina li creò.
Dio li benedisse e disse loro: "Siate fecondi e moltiplicatevi, riempite la terra; soggiogatela e dominate sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo e su ogni essere vivente, che striscia sulla terra". Poi Dio disse: "Ecco, io vi do ogni erba che produce seme e che è su tutta la terra e ogni albero in cui è il frutto, che produce seme: saranno il vostro cibo. A tutte le bestie selvatiche, a tutti gli uccelli del cielo e a tutti gli esseri che strisciano sulla terra e nei quali è alito di vita, io do in cibo ogni erba verde". E così avvenne. Dio vide quanto aveva fatto, ed ecco, era cosa molto buona. E fu sera e fu mattina: sesto giorno. Così furono portati a compimento il cielo e la terra e tutte le loro schiere.
Allora Dio, nel settimo giorno portò a termine il lavoro che aveva fatto e cessò nel settimo giorno da ogni suo lavoro. Dio benedisse il settimo giorno e lo consacrò, perché in esso aveva cessato da ogni lavoro che egli creando aveva fatto.

C'è da dire, a vantaggio dell'Antico Testamento rispetto all'Edda, che le condizioni iniziali del modello cattolico rispecchiano più fedelmente il concetto di "inizio": niente è spuntato per caso, esisteva un solo dio che ha creato tutto per mezzo dei poteri divini di cui era dotato.

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La ricerca delle origini

Edda ed Antico Testamento sono soltanto due esempi di una cosa che, comunque, ha sempre attratto il genere umano fin dall'inizio della scienza moderna, nel Cinquecento: l'origine dell'universo.
In realtà le ricerche in tal senso non erano viste di buon occhio fino ad un decennio fa, o poco più. Il motivo è semplice: non si riusciva proprio a cavare un ragno dal buco, visto che non era presente una base osservativa né una teoria di base sulla quale poter costruire una storia dell'universo bambino.
Negli ultimi quindici anni le cose sono drasticamente cambiate, tanto che uno dei modelli proposti è giunto ad acquisire talmente tanti sostenitori da meritare lo status di modello standard.

Il modello standard non è, come si ritiene, qualcosa che si limita alla teoria del Big Bang

ma va ben oltre, attingendo fondamentalmente alla fisica delle particelle elementari, i mattoncini che si trovano alla base della materia (almeno quella visibile).

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Il modello standard: generalità e overview

Una esplosione come noi la interpretiamo, rappresentazione del Big Bang

Tutto ha inizio con una esplosione, ma non del tipo che conosciamo.
Una esplosione, al giorno d'oggi, è definita come un evento che si verifica in un certo momento in un certo luogo e che poi si espande inghiottendo l'aria circostante. Al momento dell'esplosione teorizzata dal modello standard non esisteva un luogo né un tempo, visto che si sta parlando dell'esplosione che ha dato via a tutto.
Si trattò di una esplosione, quindi, che si verificò simultaneamente ovunque, riempiendo fin da subito tutto lo spazio, e nella quale ciascuna particella iniziò ad allontanarsi da tutte le altre.

Il momento dal quale possiamo iniziare a raccontare sulla base di dati e quindi con una certa sicurezza è il centesimo di secondo dopo questa esplosione. L'esplosione stessa, quindi, è una supposizione, una ipotesi di partenza. Dopo un centesimo di secondo dall'esplosione la temperatura era di cento miliardi di gradi centigradi: a questa temperatura fonde tutto e neanche i nuclei atomici riescono a restare uniti. Quello che era presente, quindi, era dato dalle sole particelle elementari.
Per la precisione, in questa situazione erano presenti elettroni (le particelle che scorrono nei fili elettrici), positroni e neutrini.

Gli elettroni sono particelle fondamentali dell'atomo, con carica negativa pari a -1,602*10¹⁹ coulomb e massa 1.800 volte inferiore alla massa di un protone o di un neutrone. Ogni elettrone occupa uno spazio definito intorno al nucleo dell'atomo, del quale rappresenta l'involucro esterno.

I positroni sono particelle elementari dell'antimateria corrispondenti all'elettrone della materia ordinaria. Emessi durante la fusione dell'idrogeno, i positroni hanno la stessa massa degli elettroni mentre la carica elettrica è opposta: uguale in valore assoluto ma con segno positivo.

I neutrini sono particelle di carica elettrica nulla e di massa piccolissima. Ne esistono diverse specie.

Nell'universo attuale i positroni esistono soltanto nei laboratori per lo studio delle alte densità di energia, in altuni tipi di radioattività ed in violenti fenomeni astronomici (raggi cosmici

e supernovae

), ma all'epoca erano in misura pari a quella degli elettroni.
Oltre a tutto questo, c'erano i fotoni, ovvero la luce. La luce non va interpretata come quel fascio che vediamo sgorgare da una lampada, ma come insieme di singole particelle. In una lampadina, quando un atomo del filamento passa da uno stato di energia superiore ad uno stato inferiore emette un fotone, e ne vengono emessi talmente tanti da sembrare dar vita ad un fascio continuo di luce, ma in realtà si tratta di particelle singole.

I fotoni sono oggetti quantici specifici della luce, particelle elementari di massa zero e carica elettrica zero, veicolo delle interazioni elettromagnetiche. Un'onda luminosa monocromatica di frequenza v è formata da un insieme di fotoni, ciascuno con un'energia bv, dove b è la costante di Planck.

Il numero di fotoni presenti all'epoca era più o meno pari al numero di elettroni (o di positroni o di neutrini).

Da dove venivano queste particelle?
Dall'energia pura generata dall'esplosione: si creavano e si annichilavano continuamente. Il numero di particelle, quindi, dipendeva dai processi di creazione e annichilazione

L'annichilazione è il processo nel quale si combinano una particella e la sua anti-particella. Come risultato si ha la sparizione di entrambe con liberazione di una quantità di energia equivalente secondo la relazione di Einstein E = mc2

Dal numero di questi elementi si può inferire che la densità del miscuglio di particelle a cento miliardi di gradi centigradi era quattro miliardi di volte quella dell'acqua.
Il miscuglio era impuro, con qualche protone e neutrone (particelle più pesanti) nella misura di un protone ed un neutrone ogni miliardo di elettroni o positroni o neutrini o fotoni.

Questo è il principio cardine del modello standard, l'ipotesi di partenza più forte: protoni e neutroni erano presenti in misura di uno ogni miliardo di particelle più leggere.

Con il procedere del tempo l'universo andò raffreddandosi fino a che, dopo circa 14 secondi, la temperatura di circa 3 miliardi di gradi non consentì ad elettroni e positroni di annichilarsi ad un ritmo maggiore di quello con il quale potevano essere ricreati da fotoni e neutrini. L'energia liberata dall'annichilazione rallentò temporaneamente il raffreddamento dell'universo (continuò a raffreddarsi, ma più lentamente) che comunque giunse a 1 miliardo di gradi alla fine dei primi tre minuti. Proprio in queste condizioni si svilupparono i primi nuclei complessi, a partire da quello dell'idrogeno pesante (deuterio) formato da un protone ed un neutrone.
Dopo tre minuti, quindi, l'universo era composto essenzialmente di luce, neutrini e antineutrini, con piccole percentuali di materiali nucleari (73% di idrogeno e 27% di elio), più elettroni residui sopravvissuti alle annichilazioni.
La temperatura continuò a calare, ma solo dopo centinaia di migliaia di anni calò al punto da consentire agli elettroni di unirsi ai nuclei formando i primi atomi di idrogeno ed elio.
Queste particelle, seppur piccole, iniziarono ad attrarre gravitazionalmente altre particelle formando nuclei di addensamento che, dopo miliardi di anni, si sarebbero tramutati in galassie.

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Modello standard, edda prosastica o antico testamento?

Un giorno, forse, le genti future leggeranno quanto appena esposto dal modello standard e inizieranno a sorridere come noi sorridiamo oggi dell'Edda prosastica.
Anche il modello standard, in effetti, parte da un assunto principale che è la misura di protoni e neutroni rispetto al numero di particelle più leggere. E' una supposizione, una ipotesi di partenza senza la quale il modello non si sviluppa nel modo in cui rispecchia le osservazioni. Al posto di vacche e giganti spuntano materia ed antimateria, ma sarà davvero così?
Ci sono teorie più semplici da spiegare e che non si basano su assunti così forti: il modello dello stato stazionario (steady state), avanzato da Herman Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle, narra di un universo che ci appare così perché è sempre stato così. Si espande, è vero, ma questo si tramuta in nuova materia che viene creata continuamente per riempire i vuoti che si aprono tra le galassie nel reciproco allontanamento. Non c'è bisogno di chiedersi come ha avuto origine l'universo: è sempre stato così!

Se questa teoria è più facilmente accettabile, perché il modello standard è un altro? L'apprezzamento della collettività scientifica verso il modello standard, dal Big Bang

all'inflazione, non è stato dettato dalla moda del momento ma da osservazioni che in effetti sembrano avvalorare la teoria. L'osservazione dell'espansione dell'universo e di una debole radiazione cosmica hanno segnato un profondo solco tra il modello standard e tutte le altre teorie.
Anche se un domani i riscontri empirici ci faranno deviare dal modello standard, non c'è dubbio che questo ha posto le basi per gli studi, per i metodi e per le conoscenze.
La differenza tra il modello standard, l'Antico Testamento e l'Edda Prosastica, quindi, sta tutta qui: finora i dati empirici avallano le ipotesi del modello.

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