Quanta materia c’è nell’Universo? – parte seconda

Gli oggetti che ci circondano sono fatti da materiali diversi che possono essere naturali (creati dalla natura) o artificiali (creati dall’uomo).

I materiali naturali possono essere di origine vegetale, animale o minerale.

Questo è quello che mi sta spiegando mio figlio Alessandro, e ad otto anni (e mezzo) può essere sufficiente.

Ma per quando crescerà, ed inizierà a farsi (spero) qualche domanda in più, la volta scorsa, qui, ho iniziato a parlare di quanta materia c’è nell’Universo.

Abbiamo visto che in realtà la domanda è posta male, perché non possiamo vedere proprio tutto, e che solo il 5% della materia che compone l’universo osservabile è materia per come noi la conosciamo.

Che però è sufficiente a creare i materiali che mi spiega Ale.

E il 95%? È davvero, come dicevo in chiusura, oscura? E perché?

La volta scorsa spiegavo che l’universo, per come possiamo capire, non è un universo chiuso.

Nel 1998, Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam Riess, sulla base di osservazioni di supernove in galassie lontane, fecero una scoperta interessante.

Fino ad allora, il pensiero prevalente in cosmologia è che l’universo fosse di tipo chiuso: d’altronde, se tutto è fatto di materia, alla fine, come ho spiegato nel miniciclo sui buchi neri, la gravità vince e tutto si contrae.

Se volete un esempio, pensate a quando lanciamo un sasso in aria: prima o poi torna indietro. E se lo lanciassimo così forte da farlo sfuggire alla gravità terrestre, finirebbe per essere attratto da qualche altro oggetto celeste.

Allo stesso modo, se nell’universo ci fosse soltanto materia, l’espansione non dovrebbe accelerare ma dovrebbe decelerare e la gravità esercitata da tutta quanta la materia dovrebbe frenare l’espansione.

Quello che i tre scienziati scoprirono è che l’universo non solo si stava espandendo, ma che l’espansione stava accelerando.

È come se quel sasso che abbiamo lanciato in aria non tornasse mai più giù. Ma per comportarsi in quello strano modo, ci dovrebbe essere qualcosa che gli fornisce una spinta.

Che cosa sta fornendo la spinta all’universo?

Facciamo così, vi do la risposta. In cambio, però, continuate a leggere lo stesso.

La risposta è che non lo sappiamo con certezza. Ma possiamo fare qualche ragionamento.

Albert Einstein, nel 1917, dopo aver ultimato la teoria della relatività generale, provò ad applicarla al problema di descrivere il comportamento complessivo dell’universo, ma si scontrò subito con una difficoltà.

Nella teoria della relatività generale la forza di gravità esercitata da un corpo viene interpretata come una deformazione dello spazio-tempo in cui gli altri corpi si muovono.

Non mi addentro nella matematica di Einstein, perché si tratta di si tratta di un sistema di 16 equazioni differenziali e io stesso ho difficoltà a capirle, ma essendo un seguace di Feynman, provo a semplificarle.

In pratica, veniva stabilita una proporzionalità tra la geometria dello spazio-tempo e il contenuto di materia-energia.

Il senso del ragionamento è che la materia, o l’energia, determinano la struttura e l’evoluzione temporale della geometria dell’Universo e, quindi, anche le traiettorie che le particelle e i corpi possono compiere in esso.

Da qui la rappresentazione, spesso usata (ricordate la sigla di Quark?), dello spazio come superficie che viene deformata dalla massa dei corpi che vi risiedono.

Con un ragionamento del genere, le deformazioni dello spazio tempo, indotte da qualunque forma di materia conosciuta, corrisponderanno sempre a una configurazione in cui i corpi si attraggono.

Ma per Einstein non era sufficiente, e visto che gli serviva, introdusse un termine che chiamò “costante cosmologica”.

Questo fattore, che in teoria può avere segno positivo o negativo, cambia in modo cruciale le possibili soluzioni.

Se consideriamo infatti il caso specifico del nostro Universo, già Einstein si accorse che con le equazioni originali non era possibile ottenere una soluzione di universo statico.

Ma una decina di anni dopo, quando ci si accorse che l’universo era in espansione, Einstein definì la costante cosmologica

“la più grande cantonata della mia vita”.

Ma noi sappiamo che anche quando sbagliava Einstein ci prendeva lo stesso.

Infatti ciò che Perlmutter, Schmidt e Riess fecero fu confermare che la costante cosmologica esiste, ed è proprio la cosa che fa accelerare l’espansione dell’universo.

Cioè è quella cosa che spinge il nostro sasso (se localmente non accade è perché le masse in gioco sono piccole).

L’esigenza è ora di capire quale sia la vera natura fisica della costante cosmologica. Di capire, cioè, quale forma di materia “esotica” o quale effetto fisico si nascondano dietro ad essa.

Proprio per questo si è recentemente introdotto il termine più generale di “energia oscura” per denotare la componente ignota che accelera l’espansione dell’Universo.

Oppure ancora potrebbe trattarsi di qualcosa di più complesso, come la cosiddetta “energia del vuoto”, una forma di energia che permea in modo uniforme tutto lo spazio e che dovrebbe essere possibile calcolare a partire dalla teoria fondamentale delle forze e delle particelle.

Mi spiego: se prendiamo una porzione qualunque di spazio in cui non c’è assolutamente nulla e lo guardiamo da molto vicino, scopriamo che in realtà in quella porzione nascono e muoiono in continuazione particelle elementari.

Il contributo di tutta questo “movimento” fa sì che il vuoto abbia un’energia e l’effetto dell’energia del vuoto su grandi scale è proprio quello immaginato da Einstein con la costante cosmologica: lo spazio si espande in maniera accelerata.

Ovviamente questo non risolve tutti i nostri dubbi, anzi, ne instilla di nuovi.

I valori riscontrati di “energia oscura”, che dovrebbero essere il 70% di tutto quello che c’è nell’Universo, non corrispondono alle osservazioni. Ma potrebbe essere un nostro limite, superabile solo col progresso.

Ricapitolando, l’universo osservabile è composto per il 5% di materia “normale”, come quella che ci circonda. Poi c’è il 70% di “energia oscura”. E il restante 25%?

Gli astrofisici ritengono si tratti di materia, ma non come quella che noi conosciamo, e per quello, e per il fatto che è associata all’energia oscura, l’hanno chiamata “materia oscura”, cioè particelle che non vediamo direttamente e che interagiscono col resto della materia solo attraverso la gravità.

La denominazione nasce dal fatto che essa, a differenza della “materia ordinaria luminosa”, non emette radiazione elettromagnetica in nessuna banda di frequenza: né nel visibile, né nell’infrarosso, né nell’ultravioletto, né nelle radiofrequenze, né nelle microonde.

Tale “materia oscura”, avente attrazione gravitazionale come qualsiasi corpo con massa non nulla, è stata evidenziata su distanze uguali o più grandi delle dimensioni tipiche di galassie attraverso gli effetti gravitazionali che essa esercita sulla “materia ordinaria luminosa”.

Quindi sappiamo che c’è, ma non possiamo vederla, un po’ come quel famoso indovinello (quando c’è non si vede, quando si vede non c’è – soluzione nel prossimo numero).

È una questione di punti di vista, come dico sempre. Ma non intendo le opinioni, parlo proprio di prospettiva.

Se io mi affaccio al balcone, farò fatica ad avere una visione completa della mia città. Se vado dai miei, che sono al sesto piano, avrò già una visione più completa.

Se noi pensassimo che l’Universo contiene solo le cose che possiamo vedere, cioè le stelle, saremmo né più, né meno, come quelli che UN TEMPO pensavano che la Terra è piatta ed è al centro dell’Universo.

Tra 43 anni, quando Alessandro avrà la mia età, magari si sarà arrivati alla soluzione di cosa siano la materia oscura e l’energia oscura, ma per adesso ci dobbiamo accontentare della banale, scontata, fondamentale materia ordinaria.

6 pensieri riguardo “Quanta materia c’è nell’Universo? – parte seconda

  1. “quando c’è non si vede, quando si vede non c’è”

    buio
    cecità

    Chissà quali scoperte verranno fatte nei prossimi secoli (se non ci estinguiamo prima), che magari rivoluzioneranno il sapere odierno, allo stesso modo delle scoperte astronomiche fatte nei secoli scorsi.
    Oltre ogni umana previsione.

    Piace a 1 persona

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