Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

La gravità è piena di sorprese.
Nel 1638, nel suo ultimo e più importante lavoro scientifico - «Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze» - Galileo Galilei rivelò l’aspetto più noto: tutti gli oggetti - indipendentemente da massa, forma e composizione - cadono alla stessa velocità. Oggi ogni scolaro impara questa legge fondamentale della natura, dato che la gravità è la forza che domina l’Universo.
Nel corso dei secoli la scoperta di Galileo ha ispirato la legge di gravità di Newton e ha avuto un ruolo fondamentale nell’elaborazione di quella teoria sulla gravità che è nota come la Relatività generale di Albert Einstein.
Ma la gravità racchiude diverse proprietà sorprendenti, che ogni studente dovrebbe sapere, anche se non le conosce (e la mia esperienza mi dice che anche la maggior parte degli scienziati non ne è a conoscenza) Queste proprietà non possono essere facilmente dimostrate in un’aula di scuola. Eppure la storia dell’Universo - passata e futura - dipende proprio da loro.

1. La gravità aumenta o riduce il volume dello spazio.
Secondo la teoria di Newton, la gravità funziona allo stesso modo in tutto l’Universo: un oggetto si sposta sotto l’influenza della gravità e non importa la dimensione, la forma o la composizione. Einstein prese quest’idea e si rese conto che c’era un’interpretazione alternativa: tutti gli oggetti si spostano su percorsi rettilinei, ma la gravità distorce la forma dello spazio e così l’oggetto stesso sembra accelerare o piegarsi, come se si muovesse lungo uno spazio curvo. La gravità, quindi, è un’interazione tra la materia e lo spazio, in cui la massa fa curvare lo spazio, e lo spazio curvo altera i percorsi degli oggetti. Einstein ha poi dimostrato che l’effetto si applica a tutte le forme di energia e non solo alla massa.
Dato che massa ed energia si muovono di continuo, lo spazio è curvo e «molle», come una specie di gelatina. Questa si può ampliare e ridurre. Ogni volta che qualcuno entra o esce da una stanza lo spazio all’interno viene leggermente cambiato. L’effetto è troppo ridotto per essere avvertito in un’aula, anche con i mezzi più sensibili. Tuttavia è stato misurato nel cosmo, in cui gli oggetti più massicci comprendono le galassie. un dato, per esempio, che la concentrazione delle galassie diminuisca nel tempo a causa dell’espansione dello spazio.

2. L’illusione che gli oggetti siano più veloci della luce.
Ogni studente sa che nulla può muoversi più velocemente della luce, ma pochi sanno che la gravità altera questo limite. La regola stabilisce che nulla può viaggiare oltre 300 mila km al secondo. Ma - come ho detto - la gravità può spingere lo spazio a espandersi. In questo caso due osservatori «immobili» sembreranno comunque allontanarsi, perché lo spazio tra loro si allarga. L’aspetto sorprendente è che non c’è alcun limite fisico sulla velocità di questa espansione. Se si allarga con sufficiente rapidità, un fascio di luce inviato da un osservatore verso l’altro non raggiungerà mai l’obiettivo, perché non può viaggiare abbastanza veloce per tenere il passo con l’espansione dello spazio davanti a sé. Quindi, i due osservatori avranno l’illusione di allontanarsi l’uno dall’altro a una velocità che supera quella della luce.
La situazione non è soltanto ipotetica. Accade anche in questo preciso momento. Gli astronomi, infatti, hanno dimostrato che l’espansione dell’Universo sta accelerando. L’espansione avviene così in fretta che gli oggetti più distanti sembrano allontanarsi da noi più velocemente della luce e che non vedremo più le galassie che vediamo oggi. Tra un trilione di anni i miliardi di galassie che si trovano al di là di Andromeda saranno definitivamente sfuggiti alla nostra vista.

3. La violazione della 2ª legge della termodinamica.
Qualunque studente sa che è più facile mettere in disordine la propria camera che rimetterla a posto. Ma, probabilmente, non si rende conto che il fenomeno è legato a una legge fondamentale della fisica, secondo cui l’entropia aumenta sempre. Con l’uso qualsiasi sistema diventa disordinato. L’ordine può essere ristabilito solo con uno sforzo, ma, bruciando energia, si genera calore e questo aumenta il disordine di atomi e molecole.
La seconda legge della termodinamica stabilisce che questo secondo effetto è preponderante rispetto al primo. Così, riordinare la stanza significa, in realtà, renderla ancora più disordinata. (E’ da notare, però, che i genitori si preoccupano degli oggetti grandi e non possono osservare i movimenti di atomi e molecole e, quindi, continueranno a insistere con i bambini sulla pulizia delle loro camerette). La gravità, a volte, sembra infrangere questa legge.
La distribuzione della materia e delle radiazioni nell’Universo primordiale, per esempio, era quasi del tutto casuale. E’ stata l’azione della gravità nel corso di miliardi di anni a causare il raffreddamento e la condensazione della materia, vale a dire in stelle e pianeti, con uno spazio quasi vuoto tra in mezzo. bene che questo sia avvenuto, altrimenti non ci sarebbero i pianeti e le stelle che sono necessari alla vita. Tuttavia la distribuzione della materia è più ordinata oggi di quanto non fosse in origine e il processo sembra contraddire proprio la seconda legge della termodinamica.
La gravità esegue la magia di nascondere la casualità in una forma invisibile: è il campo gravitazionale. Si è scoperto che l’Universo primordiale presentava una distribuzione casuale della materia, ma che allo stesso tempo possedeva un campo gravitazionale pressoché uniforme. Oggi, invece, la materia è maggiormente ordinata, ma il campo gravitazionale è più caotico e questo disordine supera l’ordine della materia stessa. La seconda legge della termodinamica è quindi rispettata, ma la materia si può organizzare in modo da consentire la nostra esistenza.

4. La fonte d’energia.
E’ noto che l’energia è limitata. Petrolio e carbone hanno quantità finite di energia. possibile trasformare una forma di energia in un’altra (la benzina può essere bruciata per produrre elettricità), ma in quantità limitate. Non è così con la gravità: può essere una fonte inesauribile di energia.
Scoprirlo è semplice come far cadere una pietra. La pietra immobile è priva di energia cinetica, ma acquista velocità non appena cade. Da dove viene l’energia? Proprio dalla gravità. La gravità possiede un’energia potenziale: una parte viene convertita in energia cinetica quando si lascia cadere la pietra. E questo appare perfettamente normale. Ma l’aspetto bizzarro dell’energia potenziale è che non ha alcun minimo: in linea di principio può continuamente ridursi.
Quando lanciamo la pietra, non pensiamo alla gravità come a una fonte infinita di energia, perché, prima che voli lontano, la pietra colpisce il terreno e così la conversione di energia gravitazionale in energia cinetica si blocca di colpo. Ma, se la massa della Terra fosse concentrata in un solo punto, allora la pietra potrebbe sfruttare una quantità infinita di energia, secondo la teoria galileo-newtoniana della gravità. E, secondo la teoria della Relatività generale di Einstein, l’energia gravitazionale di tutto l’Universo potrebbe essere utilizzata per creare spazio, materia ed energia. In realtà, secondo l’attuale teoria dell’evoluzione del cosmo, è esattamente ciò che sta accadendo ora: non nella «parte» che osserviamo, ma nelle regioni al di là delle nostre possibilità di osservazione.

5. La creazione dal nulla.
Gli scolari sanno che l’energia si conserva. E allora da dove proviene quella dell’Universo? Se tutte le sue forme fossero positive, i valori dovrebbero essere sempre stati positivi. L’Universo, quindi, non potrebbe aver avuto un «inizio», perché, per definizione, non esiste nulla prima dell’inizio, e questo vale anche per l’energia. Non c’è modo di passare dalla sua assenza a quella positiva senza violare il principio della sua conservazione.
Il processo, però, si spiega sulla base del fatto che l’energia gravitazionale è, di fatto, negativa. E’ possibile concepire un inizio con energia zero e poi passare a un’energia positiva sotto forma di materia e di energia, equilibrata da un’energia gravitazionale negativa. Grazie alla forza di gravità e alla sua peculiare energia, il cosmo può nascere dal nulla senza violare il principio di conservazione dell’energia. l’idea alla base del Big Bang.
Questi 5 punti sono stupefacenti per la maggior parte di noi, ma sono fondamentali per chi vuole capire l’origine e l’evoluzione dell’Universo. Queste 5 idee sono anche i fondamenti di due teorie del passato e del futuro dell’Universo: l’ipotesi del Big Bang e l’alternativa più recente, quella del modello ciclico.

Traduzione di Martina Carnesciali

PAUL J. STEINHARDT