Orologi perfetti? Solo fiction!

Può il tempo essere misurato in maniera estremamente precisa, sempre e in qualsiasi luogo? La risposta potrebbe sorprendere persino gli orologiai. Oggi, un gruppo di fisici delle università di Varsavia e Nottingham ha dimostrato che quando abbiamo a che a fare con accelerazioni molto grandi, nessun orologio sarà mai in grado di indicare la vera misura del tempo, un concetto noto in fisica come “moto proprio”.

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Il tour della relatività: celebrando i 100 anni della teoria di Einstein

Il 2015 segna un anniversario importante nella storia della fisica: stiamo parlando dei 100 anni della teoria della relatività generale di Albert Einstein (pubblicata il 25 Novembre 1915) che permise di ridefinire nuovi concetti di spazio, tempo e gravità.

Holometer, un esperimento per studiare la natura dell’Universo

Se vedete in dettaglio lo schermo del vostro televisore noterete dei pixel, piccoli punti di dati che formano una immagine senza soluzione di continuità se ci allontaniamo. Gli scienziati ritengono che l’informazione contenuta nell’Universo sia contenuta allo stesso modo in una specie di “pixel spaziali” la cui dimensione naturale è 10 trilioni di trilioni di volte più piccola di un atomo, una distanza a cui i fisici si riferiscono in termini di scala di Planck.

Un Universo emerso dal nulla

Agli inizi del 1916, Albert Einstein aveva appena completato il lavoro più importante della sua vita, durato circa dieci anni, una intensa battaglia intellettuale che terminò nella formulazione di una nuova teoria della gravità e che egli denominò in seguito teoria generale della relatività. Non si trattò solamente di una teoria della gravità perché allo stesso tempo essa includeva nuovi concetti di spazio e di tempo. Inoltre, il lavoro di Einstein fu senza dubbio la prima teoria scientifica che fu in grado di spiegare non solo come si muovono gli oggetti nello spazio ma come evolve l’intero Universo. Comunque sia, la teoria conteneva un problema. Applicando le equazioni della relatività all’intero Universo, Einstein si rese conto che la sua descrizione matematica non era in grado di descrivere la realtà fisica. Nel 1917, la comunità scientifica discuteva sul fatto che l’Universo fosse statico ed eterno, costituito da una singola galassia, la Via Lattea, circondata da uno spazio vuoto, scuro ed infinito e a quel tempo non c’era alcun motivo di ritenere il contrario. Nella teoria di Einstein, così come nella teoria di Newton formulata circa tre secoli prima, la gravità è una forza puramente attrattiva che si esercita tra due corpi dotati di grande massa. Ciò vuol dire che è impossibile trovare un insieme di corpi celesti in quiete nello spazio per sempre poiché la loro reciproca attrazione gravitazionale determinerà alla fine un collasso gravitazionale verso il centro, cosa che era in contrasto con l’idea di un Universo apparentemente statico. Ora, l’idea che la teoria di Einstein fosse inconsistente con questa descrizione dell’Universo fu una sorta di colpo basso. Nonostante si dice che Einstein lavorasse in isolamento, rinchiuso nella propria casa per anni, utilizzando solo il suo pensiero e la sua ragione, in realtà egli fu sempre guidato profondamente da esperimenti e da osservazioni. Mentre eseguiva i suoi “esperimenti mentali”, Einstein studiava intensamente la matematica al punto da produrre una teoria alquanto elegante. L’apparente disaccordo tra la sua teoria e le osservazioni in relazione alla staticità dell’Universo durò poco al punto che Einstein dovette introdurre una modifica all’equazioni che successivamente definirà l’errore più grande della sua vita. La scoperta che l’Universo non è statico piuttosto in espansione ebbe delle implicazioni importanti, sia di natura filosofica ma anche religiosa, perché suggeriva che l’Universo doveva aver avuto una origine, una nascita, insomma una creazione. Quasi come ironia della sorte, la prima persona che propose l’idea della creazione dell’Universo fu proprio un prete e fisico belga di nome Georges Lemaitre. Nel 1927, Lemaitre trovò alcune soluzioni delle equazioni della relatività generale dimostrando che la teoria prevede non solo un Universo non statico ma che lo spazio stesso si espande. I risultati ottenuti sembrarono così fuori luogo che lo stesso Einstein rispose al prete belga in maniera ironica affermando: “la Vostra matematica è corretta ma la Vostra fisica è abominevole”. Ma Lemaitre andò oltre e nel 1930 egli propose che l’Universo si fosse originato da un punto infinitesimale, che egli chiamò l’atomo primordiale, e che questo inizio rappresentasse, forse in analogia alla Genesi biblica, una sorta di “giorno senza ieri”. Insomma il Big Bang, sostenuto anche da Papa Pio XII, fu proposto inizialmente da un prete il quale se fosse o meno accaduto realmente si trattava comunque di una argomentazione scientifica e non teologica. Tuttavia, né Lemaitre né Pio XII convinsero la comunità scientifica che l’Universo fosse in espansione. Piuttosto, l’evidenza arrivò dalle attente osservazioni che furono realizzate da Edwin Hubble verso la fine degli anni ’20 grazie alle notti trascorse presso il telescopio di Monte Palomar, il più grande dell’epoca. Ciò che ne seguirà fa parte della storia della cosmologia (vedasi Idee sull’Universo).

Nel libro che mi piace segnalare oggi, A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing edito da Free Press, il fisico teorico Lawrence Krauss offre una serie di risposte provocatorie su dove e come ha avuto origine l’Universo, su cosa c’era prima, su quale sarà il suo destino finale e come mai dal nulla si è originato tutto ciò che vediamo attorno a noi. Krauss descrive gli approcci scientifici più moderni che tentano di spiegare come mai esiste l’Universo anzichè il nulla e i risultati che vengono presentati sono sorprendenti ed affascinanti: il risultato è che non solo può originarsi qualcosa dal nulla ma qualcosa avrà sempre origine dal nulla.

Cosa accadde prima del Big Bang?

Illustrazione del modello del Big Bounce.
Credit: Scientific American

Nonostante il Big Bang rimanga il più profondo degli enigmi della moderna cosmologia, gli scienziati vogliono spingersi oltre al punto da sviluppare un approccio matematico che potrebbe essere in grado di spiegare ciò che accadde prima del Big Bang.

Secondo la teoria generale della relatività, lo spazio è continuo e può essere suddiviso all’infinito in tante regioni sempre più piccole. L’idea che sta alla base della meccanica quantistica è che determinate quantità fisiche esistono sottoforma di pacchetti discreti (quanti) piuttosto che in un continuo. Inoltre, questi quanti e i fenomeni fisici ad essi associati possono esistere solo su una scala estremamente piccola, la scala di Planck. Finora, la meccanica quantistica non è stata in grado di proporre un modello della ‘gravità quantizzata’. La teoria detta loop quantum gravity (LQG) è, di fatto, un tentativo di formulare la descrizione della gravità su scale quantistiche. Essa rappresenta lo spazio come una sorta di rete composta da tanti campi gravitazionali eccitati a forma di inviluppi che si intersecano. Questo insieme viene chiamato spin network e la sua evoluzione nel tempo viene chiamata spin foam. La teoria LQG non solo fornisce un quadro matematico ben preciso dello spazio e del tempo ma ci permette di avere soluzioni matematiche ad una serie di problemi legati ai buchi neri e alla singolarità del Big Bang. Sorprendentemente, la LQG ci dice che il Big Bang è stato in realtà un Big Bounce, cioè non una singolarità ma un continuo dove il collasso gravitazionale di un universo precedente causò la comparsa del nostro Universo. Di recente, un gruppo di ricercatori europei ha dato il via ad un progetto noto come Effective Field Theory For Loop Quantum Gravity (EFTFORLQG) per sviluppare una teoria che possa, in qualche modo, riconciliare i concetti classici della relatività generale con quelli della meccanica quantistica. I risultati ottenuti finora sono andati ben oltre le aspettative al punto che la LQG si presenta oggi come uno dei modelli più competitivi per descrivere la struttura quantistica dello spazio e del tempo compatibile con i concetti della relatività generale. Le implicazioni sono estremamente importanti perchè permettono potenzialmente di risolvere tutta una serie di enigmi del nostro Universo.

Maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso