11 Aprile Apr 2019 1050 11 aprile 2019

Così Einstein ci ha regalato i buchi neri (prima che riuscissimo a fotografarli)

Immaginate un luogo dove le nozioni normali di spazio e di tempo non hanno valore: l’universo, all'inizio, era così, come il centro di un buco nero. La tecnologia ci dà sempre nuovi indizi sulle caratteristiche di questo universo delle origini. Quello che ci occorre, ora, è solo un nuovo Einstein

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Albert Einstein è una delle figure più emblematiche del nostro tempo. Dopo più di cinquant’anni dalla sua scomparsa, le sue scoperte vengono considerate da molti la più audace avventura intrapresa dall’uomo con le sole risorse dell’intelligenza. Il ritratto che prende forma nelle pagine di Bernstein è estremamente vivido, mentre il grande scienziato si rivela ai nostri occhi anche come uomo: timido e trasognato, ma anche risoluto nella convinzione della validità delle proprie scoperte.

Jeremy Bernstein è professore di fisica presso la Rockefeller University e responsabile dell’Aspen Center for Physics. Collaboratore della prestigiosa rivista New Yorker, è autore di numerose pubblicazioni di divulgazione scientifica.

Pubblichiamo il capitolo ottavo di L’uomo senza frontiere. Vita e scoperte di Albert Einstein (Il Saggiatore)

Nell’aprile del 1955, quando Einstein morì, tutto il mondo avvertì la perdita. Il suo nome era inestricabilmente legato ai grandi eventi del xx secolo, ai suoi trionfi scientifici ma anche alle sue tragedie, come la bomba atomica e il massacro dei suoi fratelli, gli ebrei europei. A molti il suo volto riusciva ormai familiare come quelli dei parenti più stretti, e da un certo punto di vista questo è un fatto molto strano, dato che le persone in grado di capire i suoi scritti erano veramente poche. Tutti sapevano che dovevano essere straordinariamente difficili e che avevano in qualche modo a che fare con la bomba atomica, ma se si chiedeva a qualcuno che cos’era la relativit. quasi sempre l’interrogato faceva scena muta. Perfino la maggior parte dei fisici vedeva Einstein come un monumento storico, non come una persona che avesse a che fare con gli sviluppi pi. recenti della loro disciplina. D’altronde, a differenza di quasi tutti gli altri fisici della sua generazione, Einstein, una volta arrivato negli Stati Uniti, non si fece vedere quasi mai ai congressi di fisica. Ogni tanto teneva qualche conferenza a Princeton e frequentava quei pochi seminari che gli interessavano, ma riesce difficile anche immaginarlo tenere un corso regolare, o parlare a un congresso di fisici come relatore.

Fu un isolamento autoimposto. A parte il fatto (comune a tutti i profughi europei rifugiatisi negli Stati Uniti) che l’inglese non era la sua madrelingua, sembra che si considerasse "vecchio" fin dai suoi primi anni americani, e già negli anni trenta, quando si stava avvicinando alla sessantina, cioè non era ancora vecchio secondo i criteri di oggi, sembrava che sentisse di appartenere a un’altra generazione. Questo valeva anche per la sua fisica. Le ultime novità non gli interessavano granché, e quando un fisico mio amico cercò di parlargli delle nuove particelle che si stavano scoprendo proprio allora, lui gli chiese come si potesse pretendere di incominciare a capirle quando ancora non si capiva l’elettrone (oggi la maggior parte dei fisici crede che l’elettrone si possa capire solo nel contesto di uno schema più ampio che tenga conto anche delle altre particelle). Pur avendo inventato gran parte di quella che è poi diventata la fisica moderna, in realtà Einstein è stato l’ultimo dei grandi fisici classici. Aveva compiuto i suoi studi nel xix secolo, e probabilmente è per questo che certe sue preoccupazioni sembrano così singolari a un fisico contemporaneo che accetta la meccanica quantistica, con tutti i suoi aspetti probabilistici e le sue indeterminazioni, quasi come un dato primitivo. Un altro fisico mio amico gli scrisse una volta presentandogli la "soluzione" di quello che considerava un problema concettuale di teoria dei quanti, ed Einstein rispose che, non riuscendo a capire quale fosse il problema, non capiva nemmeno la soluzione.

Ma probabilmente la maggior parte dei fisici direbbe lo stesso degli interessi di Einstein negli ultimi decenni della sua vita: poiché non si capiva quale fosse il suo problema, era difficile anche capire quanto fosse vicino o lontano dalla soluzione. Ciononostante, quando gettiamo uno sguardo d’insieme sulla fisica contemporanea ritroviamo l’eredità di Einstein un po’ dappertutto, anche se espressa in termini che probabilmente non avrebbe approvato. Recentemente tra i fisici è tornato "di moda" riesaminare i fondamenti della meccanica quantistica; la svolta è arrivata nei primi anni ottanta, quando il fisico John Bell, di origini irlandesi, ha messo in luce che, di fatto, l’idea einsteiniana di sostituire la meccanica quantistica con una costruzione concettuale più fondamentale, capace di fare a meno di probabilità e indeterminazione, poteva essere messa concretamente alla prova in laboratorio; questo è accaduto ormai in diversi laboratori, ed è grazie a questo lavoro che oggi la maggior parte dei fisici ritiene che Einstein avesse puramente e semplicemente torto. Se mai potremo assistere al crollo della meccanica quantistica, questo non avrà luogo in un dominio accessibile agli attuali laboratori; la teoria potrebbe crollare in condizioni estreme che oggi possiamo solo immaginare, e sulle quali però possiamo ragionare.

Probabilmente il "laboratorio" in cui la meccanica quantistica crolla è l’universo dei primissimi istanti. In tale laboratorio la forza più potente è la gravità, e in questo senso l’universo iniziale è come il centro di un buco nero, dove le nozioni normali di spazio e di tempo perdono ogni valore

Ma questo ci porta al tema della gravitazione e della cosmologia, cioè a concetti la cui forma moderna, come abbiamo visto, è un’altra delle creazioni di Einstein. Nel 1965 Arnold Penzias e Robert Wilson, che lavoravano ai Bell Telephone Laboratories, scoprirono per puro caso la radiazione residuale del Big Bang, situata prevalentemente nella regione delle microonde, cioè delle lunghezze d’onda dell’ordine dei centimetri; quelle, per intenderci, usate dai radar. Questa radiazione "fossile" corrisponde a quella di un corpo nero con una temperatura di 2,74 gradi sopra lo zero assoluto. La teoria generalmente accettata oggi sulla sua origine è la seguente: circa quindici miliardi di anni fa l’universo era incredibilmente denso e caldo; poi questa "singolarità" esplose – il Big Bang, appunto – e l’universo cominciò a espandersi e raffreddarsi. Anche la radiazione prodotta dall’esplosione si raffreddò finché, circa trecentomila anni dopo il Big Bang, prese una configurazione di corpo nero, ma con una temperatura di circa 10 000 gradi, non certo con quella attuale, raggiunta dopo altri quindici miliardi di anni di ulteriore raffreddamento. Quelli osservati da Penzias e Wilson erano dunque i discendenti dei fotoni originari.

Una curiosità: nel 1978, quando i due vinsero il premio Nobel per la loro scoperta, lo scrittore di romanzi e racconti I.B. Singer, che aveva vinto il Nobel per la letteratura in quello stesso anno, chiese loro se per caso si potesse sentire il "rumore" del Big Bang. In effetti, in un certo senso ciò è possibile. Quando il radiotelescopio usato per osservarli viene collegato a un altoparlante, i quanti irraggiati dall’esplosione (ce ne sono circa 400 in ogni centimetro cubo dell’universo) emettono una specie di sibilo. Abbiamo già visto che sono le equazioni gravitazionali di Einstein, modificate da Friedmann, a descrivere la dinamica dell’espansione. Anche se non visse abbastanza a lungo da conoscere l’esistenza della "radiazione cosmica di fondo" – è questo il nome del rumore fossile del Big Bang – Einstein accettava la equazione di Friedmann, che considerava una buona descrizione approssimata dell’espansione dell’universo. Ma che cosa succede se impieghiamo queste equazioni per risalire a ritroso nel tempo? Se capovolgiamo il meccanismo, facendolo camminare all’incontrario, arriviamo a uno stato iniziale che non è soltanto caldo e denso ma lo è in misura infinita: arriviamo cioè a una vera singolarità (I fisici chiamano singolarità uno stato in cui un parametro (temperatura, forza gravitazionale o altro) assume un valore infinito. [N.d.T.]). In fisica capita, ogni tanto, di imbattersi in situazioni in cui sembra che le equazioni producano singolarità; era quello che accadeva, per esempio, nella teoria classica, preplanckiana, della radiazione di corpo nero, la quale prevedeva che in una cavità funzionante da corpo nero la radiazione avesse un’energia infinita. Era la cosiddetta "catastrofe dell’ultravioletto", un risultato insensato al quale pose rimedio l’introduzione dei quanti da parte di Planck. Qui la situazione appare analoga: se prendiamo le equazioni di Friedmann e le facciamo andare all’indietro, fino all’inizio del tempo, alla fine ci troviamo con uno stato di energia infinita. Che fare di questo risultato? Secondo la maggior parte dei fisici il suo significato è che la teoria usata per operare questa estrapolazione non può essere sviluppata ulteriormente. Ha toccato il limite. Ma la teoria in questione è una mescolanza di relatività generale e meccanica quantistica, e per molti fisici non è sorprendente che una simile mescolanza ci abbia messo, perlomeno apparentemente, nei guai. Relatività e meccanica quantistica sono uscite da due stampi completamente diversi. La relatività generale, così come l’ha formulata Einstein, è una teoria classica; in tutti gli scritti di Einstein su questo argomento non c’è una sola parola sui quanti; e la teoria è edificata su nozioni di spazio e tempo a cui un fisico classico si può facilmente adattare, tanto è vero che scienziati come Planck e Lorentz ci si trovarono a proprio agio. La meccanica quantistica impone invece dei limiti all’applicazione di queste nozioni classiche di tempo e di spazio, e per conciliare le due teorie o questi limiti devono diventare parte integrante della relatività generale, oppure potrebbe esservi bisogno di una nuova teoria della gravitazione in cui essi siano presenti fin dall’inizio. Per dirla in breve: probabilmente il "laboratorio" in cui la meccanica quantistica crolla è l’universo dei primissimi istanti. In tale laboratorio la forza più potente è la gravità, e in questo senso l’universo iniziale è come il centro di un buco nero, dove le nozioni normali di spazio e di tempo perdono ogni valore. In ogni caso, abbiamo la fortuna di vivere in un’epoca in cui strumenti sempre nuovi (come satelliti e sonde spaziali) continuano a fornirci nuovi indizi sulle possibili caratteristiche di questo universo delle origini; quello di cui abbiamo bisogno è un nuovo Einstein che unifichi tutti questi indizi in una grande sintesi. E chissà, forse l’artefice di questa sintesi sarà una delle lettrici o uno dei lettori di questo libro.

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