Il secolo scorso è stato testimone di una eccezionale rivoluzione della scienza che va dalla scoperta dei segreti del mondo delle cose più piccole che l’uomo possa immaginare, il mondo subatomico, alla determinazione dei segreti del mondo delle cose più grandi che l’uomo possa immaginare, le galassie, gli ammassi di galassie fino alle origini dell’intero Universo. Determinanti sono stati alcuni scienziati e scienziate per le loro idee e le loro scoperte. Cerchiamo di raccontarne la storia.
Ore 8:15 del 6 agosto 1945 viene sganciata la bomba atomica su Hiroshima: il mondo intero assiste al potere della fisica. L’esplosione crea un’onda d’urto che spazza via la città. Scatena una tempesta di fuoco che ricopre ogni creatura vivente di radiazioni mortali. Più di 60.000 persone muoiono all’istante. La bomba atomica sconvolge il mondo intero liberando una forza distruttiva senza precedenti. È un colpo al cuore per lo scienziato più famoso al mondo. L’uomo che nel 1905 ha avviato la rivoluzione della fisica del XX secolo con la pubblicazione della teoria della relatività speciale. Albert Einstein è devastato da Hiroshima perché, pur non avendo mai lavorato al progetto Manhattan che condusse alla costruzione della bomba, sente di aver contribuito allo sviluppo della bomba con la sua famosa equazione E = mc2. Questa equazione, che ha cambiato il mondo, dice che l’energia che può sviluppare una massa è pari a quella massa stessa per la velocità della luce al quadrato. Essendo la velocità della luce pari a 300.000 km/s ed essendo il suo quadrato un numero ancor più enorme basta una minuscola quantità di massa per ottenere l’energia sviluppata dalla bomba esplosa su Hiroshima.
Con questa semplice e meravigliosa equazione Einstein, appena ventenne, riscrive le leggi della fisica, ma inconsciamente fornisce al mondo la chiave della bomba atomica. Un risultato che non poteva prevedere quando ha pubblicato i suoi studi nei primi del ‘900. A quell’epoca lavorava nell’anonimato in un ufficio brevetti a Berna in Svizzera, ma mostrava un certo interesse per la luce, lo spazio e il tempo. Per essi elaborava esperimenti mentali per rispondere a domande semplici ma profonde. Si chiedeva: “Se viaggio su un treno il tempo trascorre diversamente per me rispetto alle persone ferme sul binario”? E anche: “Se mi allontano da una torre dell’orologio cavalcando un raggio di luce, l’orologio che ho al polso segna la stessa ora degli orologi dei cittadini che sono sotto la torre”? Einstein parte dalle cose che non tornano o quelle danno spiegazioni diverse un po’ forzate per uno stesso fenomeno. Ecco, lì lui si concentra per poter eliminare ogni imprecisione e apportare un po’ di chiarezza alla fisica. E questo suo metodo, sviluppato con esperimenti mentali e elucubrazioni che richiedono la massima concentrazione, lo porterà prima alla teoria della relatività speciale e poi a quella della relatività generale. Teorie che gettarono le fondamenta della fisica moderna e spiegano l’origine dell’Universo.
La relatività speciale rivoluziona i concetti di spazio e di tempo in maniera sconvolgente per il senso comune. Lo spazio e il tempo fino ad allora avevano vissuto un’epoca d’oro in cui i concetti newtoniani di spazio assoluto e tempo assoluto erano condivisi da scienziati, filosofi, come Kant, e gente comune. Concetti che per circa tre secoli a nessuno era venuto in mente di mettere in discussione. Ancora oggi per il senso comune il tempo è dettato da un orologio cosmico che batte uguale per tutti. Ma Einstein lo mette in discussione. E lo fa partendo dal fatto che le leggi delle onde elettromagnetiche sviluppate da Faraday, Hertz e Maxwell dicevano che nulla nell’Universo può superare la velocità della luce. Che la velocità della luce è una costante dell’Universo. La velocità, è spazio diviso tempo (v = s/t), e se è costante vuol dire che lo spazio e il tempo devono modificarsi. Ecco che lo spazio e il tempo diventano delle sostanze materiali modificabili. Spazio e tempo nell’equazione v = s/t sono uniti, ma deformabili e inseparabili. Non sono più due concetti, ma è un’unica materia deformabile che dobbiamo unire anche nella parola e dire: spaziotempo. Oggi lo sappiamo quando pensiamo alle onde gravitazionali che sono simili alle onde che provoca un sasso gettato nello stagno. Come si propagano le onde nello stagno così si propagano le onde gravitazionali nello spaziotempo. E se lo stagno è una sostanza materiale lo è anche lo spaziotempo. Certo per creare le onde nello spaziotempo non basta un sasso ma lo scontro di due buchi neri aventi ognuno masse di decine di volte quella del Sole. Con la relatività speciale l’epoca d’oro dello spazio e del tempo assoluti e divisi svanisce miseramente: nessuno dei due è assoluto ma variano contemporaneamente, quindi sono indivisibili, in relazione al movimento relativo degli oggetti e degli osservatori. E quindi alle domande iniziali Einstein rispose che il tempo di chi viaggia sul treno è diverso dal tempo misurato da colui che è rimasto sul binario. E che il tempo di chi viaggia su un raggio di luce è nullo rispetto al tempo misurato da colui che è rimasto sotto la torre. Cioè l’orologio al polso del viaggiatore sul raggio di luce sta fermo per l’osservatore sotto la torre. Queste idee sono alla base dell’equazione E = mc2. Queste idee hanno sconvolto il senso comune.
La relatività generale del 1915 rivoluziona il concetto di forza di gravità. La gravità non è più quella forza proporzionale a due masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, come diceva Newton, ma è una proprietà della curvatura dello spaziotempo. Cioè le due masse stanno seguendo un percorso del tutto naturale perché in quella zona lo spaziotempo è deformato e loro non fanno altro che seguire la deformazione dello spaziotempo. Pensate a una pallina lanciata a grande velocità in un enorme imbuto. Essa segue una traiettoria circolare spiraleggiante imposta dalla superficie “deformata” dell’imbuto. Altrimenti andrebbe diritta. La prova che un raggio luminoso percorre una linea “storta” seguendo la deformazione dello spaziotempo la si ebbe durante l’eclissi del maggio 1919. Gli scienziati fotografarono le stelle nel momento dell’eclissi e verificarono che erano stelle che stavano dietro al Sole. E come era possibile ricevere luce da stelle che, secondo l’astronomia, stavano dietro al Sole? Era possibile perché i raggi di quelle stelle erano stati deviati dalla deformazione dello spaziotempo provocato dalla massa del Sole. Da quel momento Einstein giunse alla fama mondiale che conosciamo. Quindi è dimostrato quello che diceva Einstein: che lo spaziotempo viene deformato da una massa. Infatti il fisico americano John Archibald Wheeler riassume la teoria della relatività generale così: “La massa dice allo spaziotempo come deformarsi e lo spaziotempo dice alla massa come muoversi”.
È opportuno ricordare che entrambe le teorie sono il frutto di elucubrazioni mentali, di vivida immaginazione e di creatività di una mente eccezionale. E sono teorie che hanno stravolto il senso comune ed hanno consentito di sviluppare la teoria del Big Bang. Infatti lavorando sulle equazioni della relatività generale il prete e astronomo belga George Lemaître si accorse che le equazioni di Einstein dipendono dal tempo e che quindi andando indietro nel tempo l’Universo diventa sempre più piccolo fino al tempo zero in cui l’Universo non esisteva. Lemaître mostra i suoi calcoli al “maestro”. Albert Einstein dopo aver esaminato i calcoli di Lemaître li bollò con la famosa frase: “I suoi calcoli sono corretti ma la sua fisica è abominevole”. Einstein, la mente più brillante del XX secolo, aveva ancora radicata nella sua mente la concezione aristotelica dell’Universo eterno e immutabile e pertanto non accettò le conclusioni a cui giungevano le sue stesse equazioni. Tanto che le modificò aggiungendo, a mano, la costante cosmologica che aveva lo scopo di far sì che l’Universo rimanesse fisso ed eterno. Un errore che riconobbe più tardi, quando l’astronomo americano Edwin Hubble dimostrò che l’Universo è in espansione quindi non è immutabile, come il più grande abbaglio della sua vita. E scrisse a Lemaître: “Da quando ho introdotto questo termine ho avuto la coscienza sporca. Non riesco a credere che una cosa così brutta si realizzi in natura”. Per Lemaître fu una vera assoluzione. Dopo essere stato ignorato dalla scienza, perché i suoi calcoli furono rifiutati da Einstein, ora viene riconosciuta la correttezza della sua teoria.
Ma nemmeno gli astrofisici inglesi Fred Hoyle, Hermann Bondi e Thomas Gold credevano alla teoria di Lemaître. Essi credevano in un Universo stazionario, secondo il Principio Cosmologico Perfetto per il quale l’Universo può essere in espansione però è sempre uguale a sé stesso. L’Universo apparirebbe uguale a sé stesso indipendentemente dalla posizione in cui ti trovi – è omogeneo –, dalla direzione che guardi – è isotropo –, ma anche dal tempo in cui lo osservi. Quindi non c’è questo Universo che diventa piccolo. L’Universo è sempre così e lo sarà sempre. Fred Hoyle è quello che ha inventato il termine Big Bang. In una trasmissione della BBC, rispondendo a una domanda del giornalista disse: “Si adesso mi stai dicendo che l’Universo è cominciato con un grande botto? Ha fatto il botto l’Universo? Ma che stupidaggine mi stai dicendo? L’Universo sarà eterno e infinito come voleva Newton”. Ecco da dove nasce il nome Big Bang la cui traduzione significa Grande Botto. Da allora per indicare la teoria di Lemaître si è sempre detto la teoria del Big Bang. La teoria poi nei decenni ha avuto numerosissime conferme dalle osservazioni astrofisiche sempre più precise e potenti.
Attenzione. La scienza avanza per gradi e quando viene dimostrato, con osservazioni ed esperimenti, che ciò a cui credevamo non è giusto viene buttato via. Tolomeo teorizzò un Universo con a centro la Terra, che è durato 1400 anni. Anche Newton costruì un Universo che è durato 300 anni. Sulle equazioni di Einstein gli scienziati hanno costruito un Universo che ha soppiantato quello precedente, ma non sappiamo dire quanto durerà.
