Recentemente alcuni giornali hanno riportato una notizia: qualcuno pensa di aver trovato la prova che l'universo non è sferico. Ma che cosa vuol dire un universo non sferico?
Forse é più facile rispondere alla domanda contraria: cosa vuol dire un universo sferico. Se ci pensiamo un attimo ci rendiamo conto che un universo sferico non puó essere come un enorme pallone con noi e tutto il resto dentro, e fuori il nulla. Perchè allora anche quel nulla apparterrebbe all'universo. Giá Lucrezio prima del 50 a.C., e altri meno noti prima di lui, aveva intuito che l'universo non poteva avere un limite. Egli fece notare che se uno si ponesse vicino all'ipotetico confine e lanciasse una freccia o questa prosegue, e quindi non c'è questo confine, o viene ostacolata, ma quindi, anche in questo caso, ci dev'essere qualcosa oltre l'ostacolo.
Purtroppo le cose non sono così semplici. Cè un'altra possibilità: che l'universo sia finito ma non limitato. Questo egli non era in grado di prevedere, e noi per capirla dobbiamo fare un piccolo sforzo di immaginazione.
Incominciamo per piccoli passi. Prendiamo un trenino elettrico per esempio. Se con le rotaie formiamo un che si possa formare un circuito chiuso, un cerchio, un ovale o qualche altra forma, non si avrà nessun elemento che sia l'inizio o la fine e in teoria non c'è limite a quanti giri può fare una piccola locomotrice questi binari: un viaggio potrebbe essere infinito (illimitato) pur sempre tornando al punto di partenza (chiuso). Un trenino costretto a viaggiare su una rotaia rettilinea ed infinita farebbe pocha differenza, sarebbe sempre un viaggio illimitato (poichè infinito), ma non passerebbe mai uno stesso punto (quindi diciamo che è aperto).
Se noi immaginiamo delle rotaie molto piccole ci rendiamo conto che stiamo effetivamente trattando di rette e curve. Rendiamo ora le cose un pizzico più complicate e immaginiamo una lastra sottilissima che si estende all'infinito in tutte le direzioni (sul piano).
Ora immaginiamo delle piccolissime creature piatte che vivono in questo mezzo, magari evolute e intelligenti. Non possono uscirne fuori, ed il mezzo è troppo sottile per permettere il benchè minimo movimento perpendicolare ad essa. Anzi questa lastra è l'universo, non c'è niente al di fuori di questa lastra. Quando due creature si incontrano si possono scansare solo muovendosi lateralmente. Per quanto sottile l'avete immaginata, dev'essere ancora più sottile, tanto sottile che per queste creature non c'è alcun modo di concepire un movimento al di fuori di questa infinita lastra. Quindi queste creature non riescono che immaginare un universo di solo due dimensioni.
Poniamo a loro un quesito molto simile al nostro. Il loro universo è infinito o no?
Un loro Lucrezio direbbe che la lastra o è un piano infinito o deve per forza avere un bordo oltre il quale bisogna pur spiegare cosa c'è. Loro non si pongono il problema di cosa ci sia sotto o sopra perche per loro queste direzioni non esistono, poichè, dobbiamo aggiungere, tutti i fenomeni fisici avvengono solo in questa lastra, perfino la luce ne rimane intrappolata. (Loro in ogni caso ignorerebbero fenomeni che non percorrono la lastra perché non avrebbero senso.)
Quello che a loro sfugge è che potrebbe non essere affatto piatto, ma potrebbe essere una enorme bolla, una sfera gigantesca. Per le creature della lastra, ora la superficie di una bolla, la sua curvatura non è comprensibile perchè la curva è in direzione non solo proibita ma proprio inimaginabile.
Un loro scienziato annuncia che se una creatura si dovesse mettere in viaggio arriverebbe di nuovo al punto di partenza, almeno in teoria. Il viaggio sarebbe troppo lungo per una loro breve vita. A noi la cosa appare ovvia, dopotutto vivono sulla (più precisamente nella) superficie di una sfera, ma per loro questo è un grande mistero. Possiamo immaginare come alcuni di loro stiano leggendo un articolo in cui si spega cosa vuol dire un universo che si piega nella terza dimensione proprio come qui stiamo cercando di capire un universo di tre dimensioni (il nostro) che si ``piega'' in una direzione per noi inimaginabile: la famosa quarta dimensione. Qui va detto che non stiamo parlando del tempo come quarta dimensione, ma di una vera e propria dimensione aggiunta. Ecco la chiave del mistero di un universo illimitato ma chiuso.
Cercando indizi di come sia fatto il nostro universo si hanno molti riscontri con un universo ``sferico'', e qui va inteso in senso analogo alla sfera delle nostre creature nella lastra. Quindi torniamo al loro universo per capire meglio questi indizi e cosa vogliono dire. I loro astronomi osserverebbero una cosa curiosa, più lontani sono gli oggetti nella loro bolla (ricordiamoci che è solo nella pellicola della bolla che esiste e avviene tutto) più velocemente sembrano allontanarsi da loro. Un altro fatto è che l'universo ha una certa temperatura (anche se minima) e non è di zero gradi come ci si aspetterebbe. Queste due cose hanno una spiegazione molto semplice se noi supponiamo che il loro universo si sia formato come una gigantesca palla di vetro. All'inizio era una massa informe e rovente, poi è diventata via via più grande ma anche più fredda e trasparente. La sua temperatura è il residuo di quel calore originale. Tutte le impurità della bolla non rimangono appicicate l'una all'altra, ma si allontanano man mano che la bolla cresce. Quindi non sono gli oggetti che si allontanano per via di un moto proprio, ma si allontanano perchè la bolla (cioè l'universo) si sta espandendo. Queste loro osservazioni sono esattamente analoghe ad osservazioni fatte dai nostri astrofisici.
Bisogna ora affrontare un'altro ragionamento. Immaginiamo di essere in uno scafo sottomarino in mezzo all'oceano, dopo i primi momenti di disorientamento, ci si accorgerebbe che guardando in sù il colore è più chiaro che in giù. Con sollievo quindi ci rendiamo conto che per un attimo non avevamo un sistema per determinare le direzioni appropriate, ora invece possiamo parlare di un asse almeno per quanto riguarda una direzione: verso l'alto. Ora immaginamo di trovarci lontani dalla terra, dal sole, anzi dalla galassia, in una delle zone più vuote dell'universo. Sarebbe sorprendente trovare che il cosmo fosse più chiaro in una direzione che dall'altra, o che più radiazioni provengano più da una particolare direzione. Sorprenderebbe perchè non sembra esserci motivo che l'universo sia diverso a secondo di dove si guarda. Questa omogeneità ci sembra ragionevole in assenza di prove contrarie. Infatti in molte teorie cosmologiche si assume che l'universo sia omogeneo. Si creano dei modelli, detti appunto ``modelli cosmologici'', e si calcola un loro sviluppo ipotetico per vedere se hanno riscontro con le osservazioni astrofisiche. Per esempio i modelli devono prevedere se ci sia una temperatura residua o meno, quale tipo di materia dovrebbe essere la più comune, e in che proporzioni si dovrebbero trovare gli elementi e come si sono formati. Un modello cosmologico deve anche spiegare perche ci sono enormi aggregazioni di materia, come le galassie, o addiritura gli ammassi di galassie.
Torniamo brevemente dalle nostre creature nella superficie della bolla. Se la bolla non si fosse formata in modo uniforme, ma, diciamo, una parte si fosse espansa (e quindi raffreddata) prima, e solo in seguito il resto, allora le nostre creature misurerebbero delle temperature diverse a secondo di che direzione guardano altrimenti la temperatura rilevata dovrebbe essere molto simile in qualunque direzione si osservi.
Una cosa analoga è stata fatta da noi. Con il satellite COBE (COsmic Background Explorer) si è misurato la temperatura del fondo cosmico, cioè il residuo del Big Bang. Dopo dovute correzioni per il movimento della terra, e del sole (e noi con esso) e della galassia, si è osservato che la temperatura è molto omogenea. Anzi fin troppo, perchè non si riesce ancora a capir bene come escono fuori le galassie (e quindi le stelle) da un inizio così indifferenziato. Però delle risposte stanno venendo fuori dalla fisica quantistica, cioè dalle proprietà subatomiche. È bello che lo studio dell'immenso trova risposte nello studio del più piccolo che conosciamo. Questa è una parte molto complessa, ma in un certo senso si può dire che come era fatto l'universo quando era circa grande quanto un atomo ha determinato come si sia distribuita la materia e quindi come siamo fatti noi oggi.
Ma certe osservazioni sembravano dimostrare che non fosse così omogeneo dopotutto. Avete mai notato con gli occhiali da sole polarizzati (non una lente scura qualsiasi) come la luce riflessa diminuisce e aumenta a secondo di come ruotate gli occhiali? Questo perchè l'oscillazione della luce, quando viene riflessa, assume un ``allineamento'' (come scoperto da Malus all'inizio del 1800) che si chiama, appunto, polarizzazione e può passare un filtro polarizzato solo se l'allineamento della é la stessa del filtro.
Recentemente si è osservato che alcuni segnali sono polarizzati a secondo della direzione in cui si rilevano. Potrebbe essere dovuto a motivi relativamente vicini, per esempio un campo magnetico regolare legato alla nostra galassia (o all'ammasso di galassie di cui fa parte). Se si verifica l'ipotesi che questa polarizzazione fosse di origine cosmica allora si aprirebbero una serie di ipotesi, alcuni delle quali comporterebbero enormi modifiche alle attuali idee sull'origine dell'universo.
Difficilmente ci si accorge delle grandi innovazioni scientifiche quando avvengono, specialmente per chi non è al corrente. Mentre era vivo Galileo non saranno stati molti a capire la portata delle sue osservazioni di fisica, lo stesso vale per Newon e gli altri grandi della fisica. Speriamo che oggi, con l'avvento delle nuove tecnologie e mezzi di comunicazione, quando vi sono nuove scoperte anche chi non è un esperto possa almeno sapere del dibattito scientifico che c'è in corso, e se non partecipare, almeno capirne la portata. Dopotutto, almeno in questo caso, si tratta dell'esistenza stessa dell'universo.
Per chi volesse approfondire un pò gli argomenti senza bisogno di particolari preparazioni tecniche, consiglierei il libro di Asimov, ``L'Universo'', oppure ``il Cosmo'', di Carl Sagan. Più difficile ``La breve storia del tempo'' di Stephen Hawking o il classico ``La Cosmologia'' di Sciama ma pur sempre abbordabile dagli appassionati. Per chi ha una certa preparazione, il più completo attualmente è ``Principles of Physical Cosmology'' di Peebles.
Last Update: February 6, 1999