L'universo spiegato a mia sorella

Non voglio fare concorrenza alla splendida spiegazione di Amedeo o a quella tecnica di Corrado, ma mia sorella, leggendo il post di pancia scritto nella sera dell'annuncio di BICEP2, ha candidamente confessato di non aver capito cosa era accaduto quel giorno. E allora proviamoci, a raccontarlo.

(da The Cartoon History of the Universe #1 di Larry Gonick)

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C'era una volta un'idea di universo, che era la Terra al centro, quindi il Sole, la Luna e gli altri pianeti e sullo sfondo le stelle fisse, immobili e immutabili, praticamente perfette. Era anche abbastanza ragionevole, questo universo, con solo gli occhi, distratti e nemmeno tanto allenati, a fare da strumento per le osservazioni, spesso lasciate a pazzi, poeti e preti. Poi quest'idea venne sostituita, sul come e sul perché non mi dilungo, con una più corretta, dove al centro c'era il Sole mentre i cieli non erano più così immobili e immutabili: se già alcune osservazioni a occhio nudo suggerivano che i cieli non si comportavano per nulla come credevano gli uomini, fu con l'introduzione del telescopio (in pratica un cannocchiale opportunamente modificato per osservare il cielo) che finalmente si ebbero le prime precise osservazioni che permisero di descrivere correttamente almeno il nostro angolo di universo⁽¹⁾.
Con il procedere dei secoli il telescopio divenne uno strumento sempre più sofisticato, aumentando, almeno quello utilizzato per la ricerca, le sue dimensioni. E con l'aumento delle dimensioni, migliorò anche la precisione delle osservazioni, fino a che, all'inizio del XX secolo non si scoprì che l'universo si stava (e si sta) espandendo⁽²⁾. Le osservazioni erano inequivocabili e una conseguenza di questo fatto, sicuramente la più semplice, era che, riavvolgendo il nastro dell'espansione, l'intero contenuto di massa ed energia dell'universo doveva essere racchiuso in una quantità di spazio piccolissima, praticamente nulla⁽³⁾.
Giunti a questa conclusione le domande successive erano, molto semplicemente, cosa aveva generato l'espansione dell'universo e se era possibile osservare delle prove indirette di questa espansione. La risposta dei teorici era semplice a entrambe le questioni: le fluttuazioni quantistiche avevano avviato l'espansione e guidato i primissimi istanti di vita dell'universo, decidendo anche il suo sviluppo successivo, e soprattutto avevano come conseguenza una radiazione cosmica di fondo che continuava ad attraversare l'universo stesso, viaggiando nelle frequenze delle microonde. Fu l'osservazione di queste ultime che segnò il primo punto a favore della neobattezzata teoria del Big Bang. Il problema che sorse successivamente alla scoperta della radiazione cosmica di fondo fu la non perfetta omogeneità del segnale stesso, che se da una parte poteva essere attesa, poiché l'universo presenta comunque delle zone a grande densità (le galassie), dall'altra però introduceva un nuovo problema: da dove è nata questa densità non uniforme nell'universo? La risposta a questa domanda la fornisce la teoria dell'inflazione cosmica, secondo cui lo spazio tempo primordiale si è espanso a una velocità vertiginosa, superiore alla velocità della luce, generando un universo molto più grande di quello che stiamo osservando. Questa espansione però è uno degli effetti della causa, ovvero le fluttuazioni quantistiche primordiali, che sono alla base dei "grumi" cosmici primordiali e che, come effetto secondario, avrebbero generato le onde gravitazionali primordiali di quel primo universo in espansione. Queste, dunque, diventano l'equivalente della radiazione cosmica di fondo per la teoria del Big Bang: se venissero rilevate, le ipotesi alla base della teoria dell'inflazione cosmica si potrebbero considerare corrette. Ed è ciò che il BICEP2 ha osservato: le onde gravitazionali primordiali.

(da Cosmic Inflation Explained di Jon Kaufman e Jorge Cham)

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(1) Sono le osservazioni in particolare di Galileo con il telescopio a mostrare innanzitutto l'inesattezza dell'idea della "perfezione dei cieli", grazie alla "stella nova" del 1604⁽⁹⁾ e alla scoperta delle lune di Giove.
(2) Tutto inizia nel 1929 quando Edwin Hubble pubblicò i risultati delle sue osservazioni, che implicavano un universo in espansione⁽⁵⁾, così come era già stato rilevato un paio di anni prima da Georges Lemaitre⁽⁴⁾.
Una volta stabilita la correttezza delle osservazioni di Hubble e le sue conseguenze, non era difficile provare a immaginare l'operazione di riavvolgimento del nastro: se oggi l'universo si mostra in espansione, in precedenza le galassie dovevano essere molto più vicine, fino al limite in cui tutta la materia presente nell'universo era contenuta in un volume estremamente piccolo (matematicamente prossimo allo zero). L'idea, proposta da George Gamow e Ralph Alpher, insieme con Robert Herman^{(6, 7, 8)}, e sviluppata a partire dalla teoria dell'atomo primordiale di Lemaitre, venne chiamata teoria del Big Bang, in maniera un po' dispregiativa da Fred Hoyle, forniva anche una ben precisa misura sperimentale che permetteva di testarla: l'universo doveva essere attraversato da una particolare radiazione cosmica con la frequenza delle microonde, che venne effettivamente misurata da Arno Penzias e Robert Wilson nel 1964.
(3) Come abbiamo visto nella nota precedente, fu Lemaitre a proporre per primo l'idea dell'espansione dell'universo, a partire da una sorta di atomo primordiale. A quanto pare, però, già nel XIII secolo ci fu qualcuno che aveva proposto una idea assolutamente identica, con tanto di multiverso:

Quattro secoli prima che Isaac Newton proponesse la gravità e sette secoli prima della teoria del Big Bang, Grosseteste descriveva la nascita dell'Universo in una esplosione e la cristallizazione della materia per formare stelle e pianeti in un insieme di sfere incastonate intorno alla Terra.⁽¹⁰⁾

Nel trattato cui si fa riferimento, il De Luce, Roberto Grossatesta utilizzò, tra l'altro, una sorta di proto-calcolo infinitesimale, ma ancora più importante propone qualcosa di simile ai principi della relatività di Einstein: lo studioso ed eccelesiastico, infatti, suggeriva che

(...) la medesima fisica della luce e della materia che spiega la solidità degli oggetti ordinari può essere applicata al cosmo intero.⁽¹⁰⁾

E sull'inizio dell'universo, ecco che un'esplosione iniziale di una sorta di luce primordiale (...) espande l'universo in una sfera enorme, producendo una diluizione della massa⁽¹⁰⁾.
Un altro aspetto interessante nel lavoro di Grossatesta è la possibile esistenza di altri universi, la cui maggior parte di essi è da considerarsi instabile, e quindi inadatta a ospitare la vita. L'esistenza di un'idea del genere nel Medioevo non deve stupire, ricordano su Nature, visto che la discussione era accesa e venne persino realizzata una bolla papale nel 1277 che la inseriva in una lista di argomenti scientifici scomodi^{(10, 11)}.
(4) Sulla questione relativa alla censura di Hubble dei risultati del collega francese, che è stata molto ben riassunta da Popinga (Le censure di Hubble e In difesa di Hubble), esiste una ricca letteratura (per esempio potete leggere The Curious Case of Lemaitre's Equation No. 24, oppure Edwin Hubble in translation trouble), per cui non è il caso passarci più tempo di così.

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(5) Hubble E. (1929). A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae, Proceedings of the National Academy of Sciences, 15 (3) 168-173. DOI: 10.1073/pnas.15.3.168
(6) Gamow G. (1948). The Evolution of the Universe, Nature, 162 (4122) 680-682. DOI: 10.1038/162680a0
(7) Alpher R.A. & Herman R. (1948). Evolution of the Universe, Nature, 162 (4124) 774-775. DOI: 10.1038/162774b0
(8) Oltre ai due articoli precedenti, c'è ovviamente l'articolo fondativo della teoria, l'articolo detto alpha beta gamma:
Alpher R., Bethe H. & Gamow G. (1948). The Origin of Chemical Elements, Physical Review, 73 (7) 803-804. DOI: 10.1103/PhysRev.73.803 (pdf)
può essere interessante dare un'occhiata a una esposizione divulgativa uscita nel 1994 su Scientific American:
Peebles P.J.E., Schramm D.N., Turner E.L. & Kron R.G. (1994). The Evolution of the Universe, Scientific American, 271 (4) 52-57. DOI: 10.1038/scientificamerican1094-52 (pdf)
(9) Shea, W. (2005). Galileo and the Supernova of 1604. 1604-2004: Supernovae as Cosmological Lighthouses, ASP Conference Series, Vol. 342, Proceedings of the conference held 15-19 June, 2004 in Padua, Italy.
(10) McLeish T.C.B., Bower R.G., Tanner B.K., Smithson H.E., Panti C., Lewis N. & Gasper G.E.M. (2014). History: A medieval multiverse, Nature, 507 (7491) 161-163. DOI: 10.1038/507161a
(11) Richard G. Bower, Tom C. B. McLeish F. R. S., Brian K. Tanner, Hannah E. Smithson, Cecilia Panti, Neil Lewis & Giles E. M. Gasper (2014). A Medieval Multiverse: Mathematical Modelling of the 13th Century Universe of Robert Grosseteste, arXiv: 1403.0769v2