È una buona regola generale il fatto che nella scienza,
le domande più semplici sono spesso le più difficili a cui rispondere.
Domande del tipo: "Com'è nato l'Universo?"
Fino a relativamente poco tempo fa, la scienza non aveva gli strumenti
per tentare di rispondere a domande sull'origine dell'Universo.
Ma negli ultimi cento anni, una serie di scoperte fondamentali
sono state fatte da uomini e donne
che, attraverso l'osservazione, la determinazione e anche pura fortuna,
sono riusciti a risolvere questo epico mistero cosmico.
Questo era il vero oro astronomico.
Ricreerò le loro scoperte più famose
e svolgerò i loro esperimenti più grandi.
Trentamila chilometri al secondo.
Esperimenti che ci portano dai più grandi oggetti nell'Universo,
a quelli incredibilmente piccoli.
Fino ai limiti della nostra conoscenza, viaggiando indietro nel tempo,
per ricreare la nascita dell'Universo.
Esattamente un milionesimo di secondo dopo che l'Universo è nato.
È un momento prima che la materia stessa
si sia formata in alcuna forma in cui potremmo riconoscerla.
È quanto più vicino possiamo arrivare alla creazione,
all'inizio dei tempi,
all'inizio dell'Universo stesso.
È straordinario che la scienza abbia impiegato centinaia di anni
per trovare una teoria che spieghi le origini dell'Universo.
Ed è ancora più sorprendente,
considerando che si tratta di una domanda semplice e fondamentale.
C'è qualcosa di profondamente umano nel porsi la domanda:
"Da dove viene tutto questo?"
Forse perché si tratta di una versione più profonda, più fondamentale di:
"Da dove vengo io?"
Eppure, per buona parte della storia umana,
le risposte a una domanda così apparentemente semplice
poteva tentare di darle solo la religione.
Solo nella metà del 20° secolo,
la scienza ha formato una storia della creazione coerente e persuasiva.
Era una storia basata su teoria, previsioni e osservazione.
La storia che finalmente riusciva a spiegare
cos'è successo all'inizio dei tempi,
all'inizio dell'Universo stesso.
Poco più di cento anni fa,
se gli scienziati pensavano alla vita dell'Universo,
la consideravano eterna, infinita e stabile.
Senza inizio e senza fine.
Quindi, mettere a fuoco la domanda
circa le origini dell'Universo non era possibile,
ma all'inizio del 20° secolo, le cose sono iniziate a cambiare.
Nuove scoperte hanno scosso le vecchie certezze,
e spianato la strada a domande sulla provenienza dell'Universo.
Un'osservazione ha trasformato la nostra idea della vera portata dell'Universo.
È iniziato con un mistero nel cielo.
Nella prima parte del 20° secolo,
era ben noto che il nostro sistema solare giacesse all'interno di una galassia,
la Via Lattea.
Ogni singola stella che vediamo in cielo ad occhio nudo
è all'interno della nostra galassia.
E fino agli anni '20, tutte quelle stelle,
questa singola galassia, erano l'intera estensione di tutto l'Universo.
Oltre, c'era solo il vuoto.
Ma c'erano anche oggetti enigmatici lassù,
appena distinguibili ad occhio nudo,
che sembravano diversi.
E uno dei più notevoli è Andromeda.
Potete trovare Andromeda se sapete dove guardare.
Quindi, partendo da Cassiopea,
quelle cinque stelle a forma di lettera M di traverso,
muovendovi attraverso i punti, dalle punte della M
e un po' più su, dovreste trovarla lì.
Ora, userò il mio binocolo per aiutarmi.
Nel primo esempio...
E se...
Zooma, ecco, eccolo qui.
Si capisce che non è una stella.
Voglio dire, è praticamente una macchia tenue,
situata in mezzo a due stelle.
È proprio lassù.
Quella è M31, la grande nebulosa di Andromeda.
Si chiamavano nebulose
perché avevano questa natura tenue, un po' sottile, come una nuvola.
Infatti, la parola nebulosa viene dalla parola latina per nuvola.
Questi oggetti indistinti sono stati trovati sparsi
per tutto il cielo notturno.
I telescopi hanno rivelato che molte di queste nebulose,
erano ben più complesse delle semplici nuvole di gas interstellare.
Sembrano essere vaste raccolte di stelle,
e questo ha sollevato due possibilità intriganti.
Erano degli asili stellari, luoghi in cui nascevano le stelle
e che quindi risiedevano all'interno della nostra galassia?
O andando molto più in profondità,
questi oggetti belli ed enigmatici erano galassie di per sé,
situate al di fuori della Via Lattea?
Le implicazioni di questa seconda possibilità erano enormi.
Se così fosse, trasformerebbe del tutto e istantaneamente la nostra idea
sulla dimensione dell'Universo.
Era un'opportunità
per un astronomo ambizioso
di farsi realmente un nome,
magari qualcuno con un telescopio davvero grande.
Si fece avanti quest'uomo.
Edwin Hubble, un uomo dal Missouri.
Ma se l'aveste incontrato, non l'avreste mai pensato,
perché aveva sviluppato questo personaggio strano, fumava la pipa, beveva tè,
con un marcato accento inglese da aristocratico.
Hubble è probabilmente il più famoso astronomo di tutti i tempi,
non solo per le sue grandi doti di autopromozione,
ma anche per le incredibili misurazioni che era solito fare.
Ai tempi di Hubble, quando si trattava di osservazioni
e nuove scoperte, le dimensioni contavano.
Oggi, questo è il telescopio ottico più potente al mondo.
Il GTC,
con uno specchio primario di oltre 10 metri,
o 400 pollici, di diametro.
Ben più grande di ciò che aveva Hubble.
Nel settembre del 1923,
Hubble lavorava con quello che allora era il più grande telescopio al mondo.
Il telescopio Hooker da 2,5 metri all'Osservatorio di Monte Wilson,
sulla cima delle alte montagne della Sierra
che sovrastano Los Angeles e la California.
Utilizzava il telescopio
per studiare una delle nebulose principali nel cielo,
la nebulosa Andromeda.
La stessa nebulosa che guardavo poco fa.
E mentre l'osservava,
quella stella speciale ha attirato l'attenzione di Hubble,
quella che poteva rivelare la vera natura di Andromeda.
Ora userò questo telescopio per guardarla.
Questa è la sala di controllo dello GTC,
e stanotte hanno rivolto i telescopi verso Andromeda
e la fotograferanno.
Ci vuole circa un minuto per l'esposizione per ottenere un'immagine chiara?
- Esatto, ci vuole un minuto, sì. - Ok.
Ora che l'immagine è conclusa, l'apriamo.
Ok, quindi questa è Andromeda.
È Andromeda, esatto.
E questa è la lastra originale di Hubble.
- Già. - Bene, la stella di Hubble
è laggiù nell'angolo.
Riesci a trovarla nella tua immagine?
Sì, se prendi l'immagine e la confronti,
noterai che non la vedi, ma vedi il margine della galassia,
quindi andiamo...
Bisogna allontanarsi un po'.
Capisco, quindi... tutto questo è solo il margine?
Quello è il margine.
Pensavo fosse il centro della galassia.
No.
Questo dimostra quanta più risoluzione
- può avere il tuo telescopio. - Vero.
Ok, quindi possiamo vedere quella stella in particolare?
Sì, per trovare quella stella lì, visto che è così tenue,
dobbiamo cercare riferimenti più luminosi
e in questo caso, vedrai quattro stelle qui,
che sono queste quattro stelle,
e la stella che Hubble ha trovato sarà questa qui.
- È quella, è di Hubble... - Quella stellina
è quella trovata da Hubble.
È incredibile.
E sei in grado di calcolare la magnitudine di quella stella?
Sì, dobbiamo lavorare un po' sull'immagine,
- ma possiamo ottenerla. - Ok.
Hubble ha trovato questa stella.
Sapeva fosse speciale perché paragonò la sua lastra
con altre delle notti precedenti
e ha notato che questa stella aveva una luminosità variabile.
Certe notti brillava di più, altre notti era più tenue.
Aveva capito che era una stella variabile
e ne aveva colto l'importanza.
Capì che questo era davvero oro astronomico.
La sua stella era una variabile Cefeide.
Nel campionario stellare, le Variabili Cefeidi
occupano un posto molto speciale.
Questo perché, studiando le variazioni della loro luminosità,
gli astronomi riescono a calcolare quanto sono distanti.
La Cefeide di Hubble era la prima ad essere scoperta in una nebulosa,
quindi lui sapeva che, se fosse riuscito a misurarne il periodo,
sarebbe stato in grado di ricavarne la distanza da noi.
Così Hubble ha iniziato a misurare meticolosamente
come la luminosità della sua stella variasse.
Non è difficile immaginare quanto dev'essere stato emozionante per lui.
Aveva di fronte a sé l'opportunità
di risolvere un quesito fondamentale, anche se semplice.
Quella nebulosa era nella Via Lattea o oltre di essa?
La risposta avrebbe rimodellato la nostra conoscenza dell'Universo.
Hubble misurò la luminosità e la brillanza
per molte notti, e annotò questa curva qui.
Quando l'abbiamo misurata stanotte aveva un valore di 18,6.
E lo so perché l'hanno misurata la scorsa notte ed era più tenue,
e ricade su questo lato della curva,
Ma più importante è il periodo,
il tempo in giorni, che va da un apice di luminosità all'altro.
Hubble stimò che si trattasse di 31,415 giorni.
Questa è la misurazione critica.
Con questi dati e la sua luminosità apparente,
Hubble calcolò la distanza dalla nebulosa Andromeda.
Apparve subito chiaro che questa stella è molto lontana,
ma quando Hubble fece il calcolo,
capì che si trovava a 900.000 anni luce di distanza,
il che rendeva quella stella l'oggetto più remoto mai registrato.
Poteva voler dire solo una cosa:
non solo Andromeda è una galassia a pieno titolo,
ma è situata ben oltre la nostra Via Lattea.
E la miriade di altre nebulose ellittiche e a spirale
erano anch'esse delle lontane galassie individuali.
Fu un momento nella coscienza umana,
in cui l'Universo divenne improvvisamente e decisamente
molto più grande.
Con questa osservazione,
Hubble ridisegnò l'Universo osservabile.
Può non aver messo in discussione direttamente l'idea di un Universo stabile
ma distrusse supposizioni portate avanti per anni
e introdusse la possibilità di altri segreti più grandi,
come l'origine dell'Universo.
In questo cosmo profondamente espanso,
avanzò qualcuno che, senza rendersene conto,
avrebbe fornito gli strumenti per schiudere quel segreto.
Quest'uomo.
Una storia così grande che spiega le origini dell'Universo
non sembrerebbe del tutto giusta senza il coinvolgimento di uno scienziato
così brillante come Albert Einstein,
e quindi, lo coinvolge,
perché fu Einstein a fornire le fondamenta teoriche necessarie
per studiare l'Universo
e ad inventare effettivamente la scienza della cosmologia.
Cent'anni fa, ha proposto la sua teoria generale della relatività.
Rivoluzionò la fisica
e ci donò una comprensione del mondo totalmente nuova.
Propose che la gravità
era causata dalla deformazione o dalla curvatura dello spazio-tempo,
da elementi enormi come pianeti e stelle.
Le sue teorie erano rivoluzionarie.
Einstein era un anticonformista che ignorava le convenzioni
per seguire i suoi notevoli istinti.
Uno dei suoi docenti una volta gli disse:
"Sei un giovane in gamba, Einstein, un giovane davvero in gamba.
Ma hai un grande difetto,
non lasci che nessuno ti dica nulla".
Di certo fu proprio questa caratteristica a permettergli
di cambiare il mondo della fisica
e ovviamente, a renderlo uno dei maggiori pensatori
del 20° secolo.
Nel 1917 prese la sua teoria generale della relatività
e l'applicò all'intero Universo.
Seguendo la logica della sua teoria, arrivò a qualcosa di sconvolgente:
l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'Universo
avvicinerebbe tutti gli elementi nel cosmo,
iniziando ad accelerare lentamente, ma in modo graduale,
finché...
...la gravità alla fine, inevitabilmente,
porterà al collasso dell'Universo stesso.
Ma Einstein credeva, come praticamente chiunque altro,
che l'Universo fosse eterno e statico
e di certo non instabile o che rischiasse di collassare su se stesso.
Ma le sue equazioni sembrano dimostrare il contrario.
Per prevenire la fine dell'Universo
e tenere tutto in equilibrio,
aggiunge alla sua equazione questo, il lambda o la Costante Cosmologica.
È una sorta di forza di antigravità inventata,
che agisce contro la normale gravità.
Non aveva prove di ciò,
ma servì ad assicurarsi che le equazioni descrivessero un Universo stabile.
Aveva alla sua portata il segreto delle origini dell'Universo,
eppure Einstein non riuscì o non volle accettare
le implicazioni delle sue stesse equazioni.
Col senno di poi, sembra notevole che Einstein abbia fatto ciò.
Intendo dire, era un uomo che aveva rivoluzionato la scienza
respingendo la saggezza convenzionale,
eppure non riuscì a fidarsi della sua stessa teoria.
Si sentì costretto ad alterare l'equazione per adattarsi alla visione radicata.
Ammise addirittura che la Costante Cosmologica era necessaria
al solo scopo di una distribuzione quasi statica della materia,
praticamente per mantenere le cose così com'erano.
Qualsiasi fossero le sue ragioni,
questo piccolo elemento, Lambda,
sarebbe tornato a perseguitarlo.
Perché mentre impedì ad Einstein di cogliere le implicazioni,
le sue idee spianarono la via a qualcun altro, che propose
una teoria per l'origine dell'Universo.
Era un giovane docente universitario part time
di fisica teoretica.
Le sue idee erano così radicali, da sconvolgere il mondo della fisica
e dividere in due la comunità scientifica.
Iniziò un dibattito che non si risolse per metà secolo.
Si chiamava Georges Lemaître.
Gli osservatori più attenti noteranno il collare bianco.
Di fatto, era sia un fisico, sia un sacerdote ordinato.
Di questo doppio ruolo apparentemente curioso,
Lemaître disse: "C'erano due modi per inseguire la verità,
io ho deciso di seguirli entrambi".
Tramite la relatività di Einstein, sviluppò i suoi modelli cosmologici.
Il modello di Lemaître descriveva un Universo che, tutt'altro che statico,
in realtà si spandeva con galassie che sfrecciavano una lontana dall'altra.
Inoltre, Lemaître colse le implicazioni di tutto ciò.
Andando a ritroso nel tempo,
dedusse che ci dovesse esser stato un momento
in cui l'intero Universo si restrinse in un volume minuscolo,
qualcosa che soprannominò l'atomo primigenio.
Era essenzialmente la prima descrizione
di ciò che sarebbe divenuta nota come la teoria del Big Bang,
il momento della creazione dell'Universo.
Si trattava di idee rivoluzionarie, quindi le pubblicò
negli Annales de la Société Scientifique de Bruxelles,
dove vennero immediatamente ignorate dalla comunità scientifica.
Quindi si recò a Bruxelles per cercare sostegno per la sua idea.
Il Congresso Solvay del 1927, che si è tenuto qui a Bruxelles,
fu probabilmente l'incontro di menti più famoso e grandioso
mai riunito.
Ma per la nostra storia, l'incontro più significativo
non fu questo,
non era pianificato ed è accaduto lontano dalla conferenza.
È accaduto qui.
BRUXELLES
In questo parco, lo sconosciuto Lemaître si avvicinò allo scienziato più famoso
e più rispettato al mondo, Albert Einstein.
Era giunta la sua chance di spiegare la sua idea riguardo l'Universo in espansione
proprio alla persona dalla cui teoria aveva avuto inizio.
Potete solo immaginare la trepidazione di Lemaître nell'avvicinarsi a lui.
Se Einstein avesse sostenuto la sua idea, allora di certo sarebbe stata accettata.
Di certo questa mente brillante, questo titano della fisica,
questo pensatore profondamente originale avrebbe visto i meriti della sua teoria.
Ma dopo una breve discussione, Einstein respinse ben presto la sua idea.
Secondo Lemaître, disse: "Vos calculs sont corrects,
mais votre physique est abominable".
Secondo Einstein, i suoi calcoli matematici potevano esser corretti,
ma la sua comprensione di come il mondo reale funzionasse
era, beh, abominevole.
Ancora una volta, Einstein scartò l'idea di un Universo dinamico.
Il foglio di Lemaître avrebbe dovuto incendiare la scienza,
ma senza il sostegno di una figura enorme ed influente come Einstein,
la sua idea rivoluzionaria era destinata ad essere silenziosamente dimenticata,
a meno che non fosse venuta fuori qualche osservazione o prova a sostegno
di un Universo in espansione.
Edwin Hubble era sulla cresta dell'onda dopo la sua scoperta
che dimostrava la presenza di galassie all'infuori della nostra.
Era osannato dalle star di Hollywood, un ospite d'onore agli Oscar,
e avendo accesso al telescopio più potente al mondo,
era pronto per la prossima sfida.
Aveva sentito parlare di alcune strane osservazioni
in cui molte galassie sembravano allontanarsi da noi.
Nessuno riusciva a capirne il perché.
Così, nel 1928, l'astronomo più famoso al mondo
rivolse la sua attenzione a questo nuovo mistero cosmico
e iniziò a misurare la velocità
a cui si muovevano queste galassie rispetto alla Terra.
Per misurare la velocità a cui una galassia si allontanava da noi,
Hubble utilizzò una cosa chiamata redshift.
Ora, non è un'analogia perfetta,
ma l'effetto è simile a uno che ci è noto per quanto riguarda il suono,
il rumore del motore di un'auto mentre si avvicina a noi
è più alto perché le onde sonore sono compresse,
ma il rumore diventa più basso quando la macchina si allontana
perché le onde sonore si allungano.
L'effetto è simile con le onde luminose. Quando la fonte di luce si avvicina,
la lunghezza d'onda osservata è compressa
verso la parte viola o blu dello spettro.
Ma se la fonte si allontana da noi, la lunghezza d'onda si allunga
verso la parte rossa dello spettro, nell'effetto redshift,
nel modo di dire degli astronomi,
e maggiore è la velocità a cui l'oggetto si allontana,
maggiore è il redshift.
Con il suo assistente, Milton Humason, Hubble passò l'anno seguente
misurando attentamente i redshift delle galassie.
E ho la possibilità di fare la stessa cosa ora,
usando questo telescopio.
Ok, Massimo, mi hai trovato una galassia?
Sì, ho trovato questa galassia.
Quanto è lontana?
Circa 430 mega-parsec di distanza.
Quindi se lo convertiamo in anni luce, 430 per 3,26
allora è circa un miliardo e mezzo di anni luce di distanza.
Già.
Già. Ok.
Hubble doveva misurare la luce media che veniva dalla galassia
per poter ottenere uno spettro e calcolare così il redshift.
Ora, Humason lo ha fatto esponendo una lastra fotografica
e ci è voluta un'intera settimana
per raccogliere abbastanza luce da ottenere lo spettro.
Ma qui, al TNG, il Telescopio Nazionale Galileo,
si usa un chip molto sensibile
che può compiere quest'operazione molto più rapidamente.
Quanto si impiega per ottenere uno spettro?
Circa 10 o 15 minuti, suppongo.
Quindi 10 o 15 minuti paragonati alla settimana
ai tempi di Hubble.
Ben più potente di qualsiasi cosa avessero a quei tempi.
- Ora è fatta. - Lo spettro è piuttosto buono,
è lì...
Ok, quindi questo è lo spettro grezzo, che è...
- Già. - È stato preso.
C'è una particolare linea di emissione che userai
come riferimento per misurare il redshift?
Sì, qui per esempio.
C'è una linea di emissione, ma per ottenere uno spettro reale,
devi pulirlo per ottenere quello finale.
Questa è la versione pulita di quello.
Sì, di quello.
Quindi queste sono le reali linee di emissione dalla galassia.
Linee di emissione. Sì.
E questa qui sotto, penso sia il riferimento.
Il riferimento, giusto, della galassia con redshift zero.
Ok, quindi una che non si allontana, relativamente a noi.
- Sì. - E quindi, è molto chiaro qui,
se paragoni quello sopra con questo,
- ogni picco di emissione è spostato. - Già.
Spostato nel rosso, la linea di riferimento per esempio è H-alfa,
e da queste si può calcolare il redshift di questa galassia.
E da questo puoi ricavare
a quale velocità la galassia si allontana da noi?
Di principio puoi ricavare questi.
Ok, quindi qual è la formula?
La formula è la differenza
tra la lunghezza d'onda del redshift e la lunghezza d'onda osservata,
divisa per la lunghezza d'onda di riferimento e moltiplicata per C,
questo è l'effetto Doppler.
Proviamoci approssimativamente.
- Sì. - Ok.
Quindi questo è circa...
Sette, due, zero, zero, all'incirca.
- Ok. - Meno.
- Meno sei, cinque. - Cinque, sei, tre. Sei, tre.
- Ok. - Riporto.
Sei, cinque, sei, tre.
E questa è la frazione della velocità della luce.
- Sì. - Ok, tanto vale farlo.
Dovrei farlo con la calcolatrice, ma...
Quindi sette, due, zero, zero. Sei, cinque, sei, tre.
Quindi è un sette, tre...
Allora sei...
Ok, ora lo dividiamo per sei,
cinque, sei, tre, ok, quindi all'incirca è...
.1 la velocità della luce.
.1C.
Quindi è circa 30.000 chilometri al secondo, giusto?
- Esatto. - Grazie.
Ok, sono piuttosto felice dei miei calcoli qui,
perché ero sotto pressione...
Quindi questa galassia è
a un miliardo e mezzo di anni luce di distanza
dalla Via Lattea
ed è... dal redshift che abbiamo ricavato,
si sta allontanando da noi a un decimo della velocità della luce,
ovvero si sta allontanando da noi a tre...
Scusate, a 30.000 chilometri al secondo.
Scienza.
Una volta calcolata la velocità della galassia,
Hubble misurò poi quanto era lontana.
Una volta ottenute entrambe le misure, poté iniziare a segnarle
su un grafico di velocità e distanza.
Fece 46 diverse misurazioni
e quando le inserì nel grafico, si accorse che emergeva uno schema.
Poteva tracciare una linea che attraversasse tutti i punti.
Ciascuno di essi è una galassia individuale.
Notò una connessione tra la velocità
e la distanza di una galassia.
Infatti, più lontana era, e più velocemente si allontanava da noi.
In un Universo stabile,
le velocità delle galassie dovrebbero apparire casuali.
Non ci si aspetterebbe una chiara relazione
tra la distanza di una galassia e la sua velocità.
Il grafico di Hubble mostrava che l'Universo si stava espandendo,
il che aveva profonde implicazioni per l'idea
di un inizio dell'Universo.
Ciò vuol dire che non solo
le galassie stanno sfrecciando via da noi e tra di loro,
ma se si potesse portare indietro l'orologio,
ci sarebbe un momento in cui erano tutte compresse insieme
nello stesso luogo.
Questa era finalmente la prima osservazione, la prima prova
che l'idea di Lemaître di un momento di creazione,
di un Universo che si evolve da un Big Bang, potrebbe essere corretta.
Grazie al lavoro di Hubble,
Georges Lemaître, il clerico belga sconosciuto,
il teorico senza credenziali internazionali appropriate,
l'uomo la cui fisica Einstein definì abominevole,
fu giustamente riconosciuto, in ritardo,
per la sua teoria audace.
La cosa più importante fu che
il nome più importante della fisica cambiò idea su questa idea rivoluzionaria.
Nel 1931, durante una visita all'osservatorio di Hubble,
Einstein sostenne il modello dell'Universo in espansione tramite il Big Bang.
"Il redshift di una nebulosa distante
ha schiacciato le mie vecchie convinzioni come una martellata", disse.
Einstein scartò la Costante Cosmologica.
Scrisse anche a Lemaître:
"Da quando ho introdotto il termine,
ho avuto la coscienza sporca.
Non riesco a credere che una cosa talmente brutta
possa essere realizzata in natura".
Dev'essere stata una tale assoluzione, per Lemaître,
che, essendo stato praticamente cacciato nella desolazione scientifica,
adesso si trovava al centro di una rivoluzione cosmologica.
L'idea del Big Bang stava finalmente guadagnando terreno.
Ma nonostante il sigillo di approvazione di Einstein e le osservazioni di Hubble,
il dibattito era tutt'altro che concluso.
C'erano ancora troppe obiezioni
perché l'idea di un Big Bang fosse ampiamente accettata.
Una teoria scientifica della creazione
non riguarda solo la spiegazione dell'espansione dell'Universo.
Ci sono questioni più profonde da risolvere.
Il problema era
che il Big Bang sollevava tante domande quante ne risolveva.
Ad esempio, se l'Universo fosse eruttato da un singolo punto,
da dove è uscita tutta la materia?
Per proseguire, la teoria del Big Bang doveva spiegare
come si era formata la materia stessa.
Beh, prima di poter rispondere,
è necessario sapere di cosa sia fatto realmente l'Universo.
I mattoni di costruzione elementari.
E capire ciò richiese un'incredibile intuizione
da parte di una grande donna,
Cecilia Payne.
Studiò all'Università di Cambridge
ma non le fu concessa una laurea perché, beh, era una donna.
Così, per continuare gli studi,
ebbe bisogno di andare in un luogo più aperto.
Lasciò l'Inghilterra per l'America,
e fu lì che svelò la composizione dell'Universo.
Se chiedeste a qualcuno quali siano gli elementi più comuni,
uno scienziato atmosferico potrebbe rispondere il nitrogeno.
Dopotutto forma più di tre quarti dell'atmosfera.
I geologi potrebbero rispondere il silicio, o il ferro o l'ossigeno,
che sembra tutto molto datato e Terra-centrico
e davvero piuttosto campanilistico.
Quindi, gli astronomi hanno pensato fosse meglio guardare il Sole.
Il che ha senso, visto che buona parte di ciò che vediamo,
quando guardiamo nel cosmo, sono le stelle.
Il primo tentativo di analizzare la composizione del Sole
fu fatto con un'impostazione simile a questa.
Beh, non precisamente così.
Questo è un telescopio solare innovativo del 21° secolo.
Ma l'idea alla base era esattamente questa.
TELESCOPIO SOLARE VACUUM TOWER: TENERIFE
L'idea di base è molto semplice.
La luce del Sole si riflette da questo specchio qui,
in un secondo specchio.
Da qui rimbalza attraverso la cima della torre
tutto in basso verso il fondo, 10 piani in basso,
dove viene focalizzata e divisa in uno spettro
e analizzata.
Questa è la sala di controllo del telescopio solare.
La base del telescopio è laggiù.
E qui, ho un'immagine in diretta del Sole.
E ciò che ho quassù è una sezione zoomata
dello spettro della luce proveniente dal Sole.
Ora, è in bianco e nero,
ma corrisponde in realtà alla parte verde dello spettro.
E queste due spesse linee nere corrispondono all'elemento del ferro.
Ci dicono che c'è ferro nel Sole.
Ho qui lo spettro molto più dettagliato
e queste due linee
corrispondono a questi due cali nello spettro dell'assorbimento
a lunghezze d'onda ben specifiche.
Questo è il ferro.
Se guardo parti diverse dello spettro,
posso vedere anche altri elementi.
Questo grande calo qui è l'idrogeno.
Questi due cali rappresentano l'ossigeno
e questo calo corrisponde all'elemento del magnesio.
Tutti questi cali e linee nello spettro
indicano la presenza di questi elementi nell'atmosfera del Sole.
Essenzialmente, un'impronta della composizione del Sole.
Ad un geologo, questi elementi sono tutti molto familiari.
Appare a un primo sguardo
che il Sole è composto dallo stesso materiale della Terra.
Che il Sole è semplicemente una pietra estremamente calda.
E sarebbe stato tutto,
se non fosse stato per l'intuizione di Cecilia Payne.
Capì che gli spettrografi erano influenzati dai processi
nell'atmosfera del Sole.
Questi processi distorcevano l'apparente abbondanza degli elementi
che costituiscono il Sole.
Allora ricalcolò la relativa abbondanza degli elementi
e scoprì che il Sole era composto quasi interamente da solo due elementi,
idrogeno ed elio.
Tutti gli altri elementi, carbonio, ossigeno, sodio, ferro,
che rendevano il Sole così simile alla Terra,
formavano solo una minuscola frazione della sua composizione.
Inizialmente, quando presentò questo risultato,
fu considerato impossibile.
Infatti, quando scrisse il suo lavoro,
fu convinta ad aggiungere che:
"Queste abbondanze calcolate di idrogeno ed elio
quasi certamente non erano vere".
L'idea fu accettata solo circa quattro anni dopo,
quando il direttore di un prestigioso osservatorio
arrivò esattamente alla stessa conclusione attraverso mezzi diversi.
Per ironia della sorte, quel direttore era lo stesso uomo
che inizialmente aveva giudicato il lavoro della Payne chiaramente impossibile.
La rivelazione della Payne sulla quantità di idrogeno ed elio
si scoprì essere notevolmente costante per quasi ogni stella nella galassia.
Questo portò a una grande conclusione.
L'Universo è dominato da soli due elementi.
Gli elementi più semplici e leggeri,
idrogeno ed elio.
Insieme formano più del 98% della materia nell'Universo.
Tutti gli altri elementi così importanti per noi,
come carbonio, ossigeno, ferro, formano meno del 2%.
Quindi, ora la sfida per i sostenitori della teoria del Big Bang
era molto chiara e semplice.
La teoria del Big Bang poteva spiegare
la creazione e le proporzioni di idrogeno ed elio trovati nelle stelle?
Ma per rispondere a ciò,
servirebbe uno spostamento fondamentale di enfasi.
Piuttosto che considerare la quasi infinita vastità dell'Universo,
era necessario considerare
l'incredibilmente piccolo mondo dell'atomo
e per questo non serviva un astronomo,
ma un fisico di tutt'altro tipo.
George Gamow era un fisico nucleare russo,
e un sostenitore entusiasta dell'idea del Big Bang.
Spostò la sua attenzione ai primissimi momenti dell'Universo.
Qui sentiva che era racchiusa la risposta alla composizione dell'Universo.
Era qui che pensava che l'idrogeno e l'elio si fossero formati,
e suggeriva che fosse accaduto
subito dopo la nascita dell'Universo.
Iniziò a costruire un modello matematico delle primissime fasi dell'Universo.
Pensava all'Universo in termini di secondi e di minuti,
piuttosto che di miliardi di anni.
E reclutò un giovane,
questo ragazzo, Ralph Alpher, ad aiutarlo.
Dopo anni di duro lavoro, di cui alcuni, secondo Alpher,
assistiti da grandi bevute in un bar,
presentarono la loro idea.
Riportando indietro l'Universo,
era 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.
Gli diedero il nome "Ylem", da una parola inglese antica che vuol dire "materia".
Poi arrivò il momento cruciale.
Un tempo in cui le condizioni erano giuste
per la creazione dei nuclei dei primi elementi.
In un breve lasso di tempo,
che stimarono essere di meno di 50 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.
Annunciarono i loro risultati in un documento pubblicato nel 1948.
Tuttavia, Gamow aggiunse un altro autore al documento.
Il famoso fisico nucleare Hans Bethe, che non aveva nulla a che fare con il lavoro.
Gamow lo aggiunse per farsi una risata.
Pensava fosse un bel gioco di parole
leggere gli autori del documento: Alpher, Bethe e Gamow.
Il giovane Alpher, tuttavia,
non era contento di condividere meriti con qualcuno che non aveva fatto alcunché.
In segno di riconciliazione, si racconta,
Gamow prese una bottiglia di Cointreau per Alpher
ma con l'etichetta modificata, che riportava "Ylem".
L'abilità di fare calcoli
che spiegassero l'origine della materia nei primi minuti dopo un Big Bang,
era notevole di per sé.
Ma c'era un'importante previsione
che emerse dal loro lavoro.
Una previsione che potenzialmente poteva fornire la prova
che l'Universo iniziò con un Big Bang.
Alpher continuò a studiare il primo Universo in evoluzione,
concentrandosi su cosa accadde dopo.
Paragonò l'Universo in questa fase ad una nube ribollente
di elettroni liberi e nuclei atomici.
Poi scese ad una temperatura critica.
Una temperatura tanto fredda che gli elettroni
poterono legarsi ai nuclei di idrogeno ed elio.
In questo preciso momento, fu sprigionata la luce che viaggiò libera nell'Universo.
La prima luce della creazione.
Questa sarebbe potuta rimanere niente più che una semplice curiosità accademica,
se non fosse stato per l'intuizione di Alpher.
Vedete, 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.
Calcolò 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.
Dunque, trovando questa antica firma spettrale a microonde,
si sarebbe provata non solo la teoria della prima evoluzione dell'Universo,
ma l'intera teoria del Big Bang stessa.
Semplice.
Il problema è che era la fine degli anni '40
e nessuno aveva modo di rilevare un segnale così debole.
Il test sugli acidi fu silenziosamente dimenticato.
I sostenitori del Big Bang ora avevano la previsione e l'osservazione
di un Universo in espansione.
E una teoria su come gli elementi si siano formati nei primi minuti
successivi al Big Bang.
Ma senza prove definitive di ciò,
il dibattito riguardante la correttezza della teoria del Big Bang
proseguì.
Gli oppositori del Big Bang
distorcevano e adattavano di continuo le loro teorie
per far sì che la loro idea di un Universo eterno e infinito
si adeguasse alle nuove osservazioni.
La comunità scientifica era ancora divisa in due fazioni.
La prova conclusiva della teoria del Big Bang
sarebbe emersa soltanto 15 anni dopo.
Sarebbe stata rivelata in maniera piuttosto inaspettata
da due giovani ingegneri radio.
Nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson,
ecco Penzias lì sulla destra,
scoprirono qualcosa di così epocale da vincere il Premio Nobel.
Questo telescopio è dedicato allo studio della loro scoperta fortuita.
Nel 1964, Penzias e Wilson lavoravano ai Laboratori Bell negli USA,
dove gli venne dato questo,
un kit strano e obsoleto con cui giocare.
Al resto del mondo sembra un enorme cornetto acustico.
Ma quando accesero il loro telescopio,
notarono che il cielo era saturo di radiazioni a microonde.
Tutti i corpi caldi emettono radiazioni a microonde,
che vengano dall'atmosfera o dallo strumento stesso,
e ovviamente, la comunicazione mobile di oggi ne inonda il cielo.
Perciò, prima di poter fare delle misurazioni utili,
calibrarono la loro antenna a tromba per cercare di ridurre questo rumore.
Anche tenendo in conto l'atmosfera e la strumentazione,
ovviamente allora non c'erano cellulari di cui preoccuparsi,
rimaneva comunque questo rumore di sottofondo persistente ed irritante.
Fu registrato sul loro strumento come
una radiazione con temperatura costante di tre gradi sopra lo zero assoluto,
un sibilo a microonde
di cui non riuscivano a liberarsi, nonostante i tentativi.
Ancora più fastidioso per loro,
era il fatto che sembrava essere ovunque
loro puntassero il loro cornetto acustico celeste.
Stavano per rinunciare, quando Penzias partecipò a un incontro
nel quale menzionò casualmente quel rumore irritante ad un collega.
Alcune settimane dopo, quello stesso collega lo chiamò
e gli disse che sapeva di alcuni ricercatori a Princeton
che stavano cercando proprio un tale segnale.
Senza volerlo, Penzias e Wilson si erano imbattuti in quella radiazione prevista,
il lampo di luce di Alpher dalla prima evoluzione dell'Universo.
Ecco finalmente la prova della teoria del Big Bang.
È davvero straordinario pensare che 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.
Come disse Penzias stesso, quando esci all'aperto
ricevi una minuscola quantità di calore dal Big Bang sulla tua cute
e sì, io forse lo sento un po' più degli altri.
Quasi 40 anni dopo che Lemaître la ipotizzò,
l'idea del Big Bang
era finalmente entrata nella corrente scientifica dominante.
Ma la scoperta di questa radiazione cosmica a microonde di fondo,
detta CMB, e la prova della teoria del Big Bang stesso
non è la fine della nostra storia.
Abbiamo indagato sui primi minuti dopo il Big Bang,
ma oltre ciò vi è una nuova frontiera della conoscenza.
Ci sono ancora questioni molto grandi da risolvere
circa l'inizio dell'Universo.
Domande come: "Da dove è uscita tutta la materia stessa
e come si ottiene qualcosa dal nulla?"
Le risposte a queste domande risalgono ad ancora prima,
nascoste dietro il sipario della CMB.
Il loro segreto risiede nell'Universo primordiale,
nei primissimi secondi della sua esistenza.
È qui che si trova al momento il margine della nostra comprensione,
ed è qui che gli scienziati stanno concentrando i loro sforzi,
non cercando nel cielo, ma qui,
al confine tra la Svizzera e la Francia,
più nello specifico, al CERN,
con il più grande acceleratore di particelle al mondo,
il Large Hadron Collider, o LHC.
Ora, potreste chiedervi cos'abbia a che fare un acceleratore di particelle
con il primo Universo,
perché il collegamento fra i due è tutt'altro che scontato.
Bisogna ricordare che quando l'Universo era molto giovane,
era molto più piccolo.
E quindi tutta la materia, tutto ciò che forma le stelle,
le galassie, i buchi neri, tutto doveva essere confinato
in uno spazio molto più piccolo.
In quella fase l'Universo era incredibilmente caldo
e, cosa più importante, la densità della sua energia era molto alta.
Fu allora che iniziò ad esistere la prima materia.
L'LHC non può ancora replicare quel processo,
ma ci permette di studiare le proprietà
di queste particelle fondamentali.
Una volta l'anno, l'LHC ferma le sue normali attività
di collisione tra fasci di protoni
e utilizza, invece, particelle molto più grandi
per creare collisioni con energie più di 80 volte maggiori
di quelle prodotte da due protoni.
Questo viene fatto accelerando gli atomi di piombo,
a cui vengono tolti tutti gli elettroni,
fino a velocità simili a quella della luce, facendoli scontrare,
e questo ci permette di vedere qualcosa di davvero speciale.
Le collisioni sono così intense
che per un attimo, creano qualcosa di unico,
un mondo fatto non di atomi, e nemmeno neutroni e protoni,
ma di quark e gluoni e leptoni,
particelle dai nomi inusuali che si unirono per formare atomi
nel primo milionesimo di secondo dopo il Big Bang
e che sono stati nascosti finora.
Lì sotto, sotto quella schermatura di piombo,
stiamo ricreando uno stadio nell'evoluzione dell'Universo
chiamato plasma di quark e gluoni.
Questo è il momento subito prima che i quark vengano intrappolati dai gluoni
per creare protoni e neutroni,
che a loro volta procedono per formare i nuclei di atomi.
La frase ad effetto che usiamo è: "Il confinamento dei quark".
Per sviluppare l'energia necessaria,
i nuclei di piombo passano attraverso una catena di acceleratori più piccoli,
raccogliendo gradualmente l'energia,
finché non vengono finalmente introdotti nel più grande acceleratore sulla Terra,
l'LHC.
Ora, il massimo di energia che un fascio può raggiungere
è direttamente legata alla dimensione dell'acceleratore,
e l'LHC ha una circonferenza di 27 chilometri.
Questo vuol dire che il fascio
può raggiungere un'energia pari a 1.000 teraelettronvolt.
In realtà è meno di quanto possiate immaginare,
perché è l'equivalente dell'energia con cui una mosca colpisce una vetrata,
ma la differenza essenziale qui, è che l'energia è concentrata.
È la densità dell'energia che conta.
L'LHC può comprimere tutta quell'energia
in uno spazio che è meno di un bilionesimo della dimensione di un singolo atomo.
Questo non può accadere in nessun altro posto nell'Universo conosciuto.
I due fasci di nuclei di piombo viaggiano intorno al cerchio
in direzioni opposte.
Si incontrano giù, al di sotto di questa sala di controllo, al rilevatore.
Possiamo vedere immagini in tempo reale del rilevatore, su quello schermo.
Sotto di noi stanno viaggiando
ad una velocità di 99,9998% della velocità della luce.
Significa che coprono i 27 chilometri della circonferenza del cerchio
più di 11.000 volte al secondo.
Quando i fasci raggiungono l'energia massima
e vediamo lassù la scritta: "Fisica degli ioni: Fasci stabili",
significa che possono essere incrociati,
proprio come in Ghostbusters.
A quel punto, 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
e una densità che equivarrebbe a comprimere
l'intero Monte Bianco alla dimensione di un acino d'uva.
Quella sembra un'immagine fantastica, sapete dirmi cosa stiamo vedendo?
È davvero incredibile, non è vero?
Sono letteralmente decine di migliaia
di particelle e particelle di antimateria che volano via.
- Ha catturato il seguito dell'esplosione. - Già.
Quindi le scie colorate delle particelle qui non sono i quark e i gluoni stessi,
ma la prova del plasma di quark e gluoni creatosi nella collisione.
Dobbiamo dedurre le sue proprietà guardando i detriti che volano via.
È un po' come capire come funziona un aeroplano
guardando i detriti di un incidente aereo,
ma è ciò che vediamo.
Ciò che trovo incredibile è che quello che stiamo facendo qui
è cercare di ricreare quel momento nel primo Universo.
Dove i quark e i gluoni fluttuavano liberi,
perché l'energia era così alta e poi si è raffreddata e si sono uniti.
Qui si fa l'opposto, partiamo dalla materia normale,
facendola scontrare
e tornando a quello stato senza confini, a quel plasma.
Già, mi piace pensarla come una macchina del tempo,
stiamo andando indietro nel tempo
e questo è il solo modo per studiare le proprietà dei quark liberi,
perché sono stati imprigionati nelle particelle come protoni e neutroni
per 13,8 miliardi di anni.
È davvero incredibile, no?
Finalmente, dopo 13,8 miliardi di anni, possiamo liberare questi quark,
per una frazione di secondo.
Sì.
Pur non sapendo ancora come la materia abbia iniziato ad esistere,
studiare queste collisioni ci permette
di fare dei primi passi incerti verso quella scoperta.
Ciò a cui abbiamo appena assistito, sono le primissime fasi dell'Universo
che nessuno, in nessun posto, ha potuto osservare.
È quanto di più vicino siamo arrivati al momento del Big Bang
e, diciamocelo, non è male,
un milionesimo di secondo dopo il Big Bang stesso.
Pur andando così indietro nel tempo,
alla fisica rimangono domande senza risposta.
Oltre questo, alcuni dei misteri più profondi
dell'Universo si celano.
Come le quattro forze fondamentali che uniscono la materia,
gravità, elettromagnetismo e le forze nucleari,
sono 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 subito un'espansione super veloce
in un miliardo, miliardesimo di secondo
per creare la struttura del cosmo.
Al momento non abbiamo modo di osservare nessuno di questi fenomeni.
Siamo nel campo della teoria astratta e delle congetture.
Se replicheremo mai questa prima fase
dell'evoluzione dell'Universo,
dovremo creare energie ben più forti.
Francamente, dovremo costruire un acceleratore più potente
e questo è un problema, non solo di costo,
anche se sarebbe incredibilmente costoso.
No, è più un problema di trovare lo spazio per costruirlo.
Ricordate quando ho detto che
l'energia era legata alla circonferenza dell'acceleratore?
Beh, l'LHC qui sotto di me
ha una circonferenza di 27 chilometri.
Passa sotto i Monti del Giura,
e attraversa sia la Francia che la Svizzera.
Per guardare indietro ed osservare l'Universo nella primissima fase,
beh, dobbiamo costruire un acceleratore
con una circonferenza maggiore dell'orbita di Plutone.
Tradotto Da: Federica Sagone