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Indice

  1 SOTTO IL VELO


 19 I. DALLE PARTI DEL CIELO

 21 1. La materia

    La posta in gioco, 21;
    Anni trenta, XX secolo, 22;
    Interludio, 22;
    Anni sessanta, XX secolo, 23;
    Anni settanta, XX secolo, 24;
    Quale natura per la materia oscura?, 25;
    Un'altra forma di materia, 28;
    I neutrini, 30;
    La materia oscura è fatta di neutrini?, 30;
    La fotografia dell'Universo, 36;
    L'era oscura, 39;
    Dalla fotografia alla mappa dell'Universo, 40;
    La misura delle entità oscure, 43;
    E luce fu. Di nuovo, 45;
    E se la materia oscura non esistesse?, 50;
    La galassia senza materia oscura, 51;
    L'Ammasso Proiettile, 53;
    Quo vadis?, 56

 59 2. Il mondo dei quanti

    La partenza, 59;
    Come un gioco di costruzioni, 60;
    Facciamo un esperimento, 64;
    L'elettrone e la sua antiparticella, 65;
    Interferenza: costruzione e distruzione, 72;
    I grafici al cuore della meccanica dei quanti, 76;
    Il bosone scalare, 79;
    Le onde gravitazionali, 84;
    Cosa ci resta?, 88;
    C'è vita nuova oltre il Modello Standard, 89;
    Una battuta d'arresto, 90;
    Oltre le Colonne d'Ercole, 91;
    I nuovi candidati, 91;
    Nuovi neutrini?, 94

 95 3. L'energia

    Pregiudizi antichi, 95;
    La relatività, 96;
    La relatività speciale, 98;
    La relatività generale, 101;
    Cosa manca?, 103;
    La rivoluzione abiurata, 103;
    Un nuovo inizio, 107;
    Una nuova rivoluzione, 107;
    Avanti veloce. XXI secolo, 109


113 II. NELLE PROFONDITÀ DELLA TERRA

115 4. Alla scoperta della materia oscura

    Nuovi rivelatori, 115;
    La rivelazione delle particelle, 117;
    L'occhio, primo rivelatore di particelle, 118;
    Tracce di radioattività naturale, 121;
    Tracce di materia oscura, 123;
    I neutroni e i raggi alfa, 125;
    Mezze stagioni, 129;
    Dunque?, 132;
    Miseria e nobiltà, 134;
    Lo straniero, 136;
    Il pigro, 138;
    I Laboratori nazionali del Gran Sasso, 141

143 5. Sciustré

    Esploratori, 143;
    Un gas speciale, 144;
    Gli Argonauti, 150;
    Gli isotopi, 152;
    Urania, 155;
    Aria, 156;
    La grappa, 157;
    Il filuferru, 161;
    Un progetto impossibile, 164;
    Il lascito di Aria, 168;
    Il ciclo del silicio, 171;
    L'impatto del silicio, 174


177 MONDI LONTANISSIMI


183 Ringraziamenti



 

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Pagina 11

La sorpresa viene da lontano. Molto, molto lontano. Oltre i confini del Sistema solare. Superato il limite della Via Lattea. Oltrepassata la galassia di Andromeda, oltre l'anello dell'Unicorno, dopo i confini del Gruppo locale, attraversando poi i primi ammassi di galassie per inoltrarsi sempre di più nello spazio profondo. Prima, infinite distanze ricoperte da gas rarefatti. Poi, mondi nuovi e lontanissimi. Le sorgenti delle galassie, le fucine delle stelle, le fonti di un'energia inesausta. Là dove abbiamo cominciato a guardare. E ormai non possiamo più smettere.

Una serie di osservazioni dell'Universo su scala cosmologica, realizzate con vecchi e nuovi strumenti, hanno lacerato il tenue velo che copriva l'infinito. Da questi strappi discontinui e irregolari fa la sua comparsa - rapida, sfuggente, momentanea e subito rimpianta - un mondo inaspettato. Talmente inatteso che desta tanta confusione quant'è foriero di meraviglia.

Tutto comincia negli anni trenta del secolo scorso. Un astronomo svizzero punta i suoi telescopi sugli ammassi, larghissimi corpi celesti composti da migliaia di galassie; ogni galassia a sua volta contiene migliaia di miliardi di stelle. Misura, per la prima volta, la velocità di rotazione rispetto al centro di gravità. Si aspetta di trovare piena corrispondenza tra la velocità e la luminosità dell'ammasso, che dovrebbe corrispondere alla sua massa, vale a dire alla sorgente della forza di gravità che tiene le galassie in orbita. È quel che succede con la Terra e gli altri pianeti del Sistema solare: la forza gravitazionale che curva la loro traiettoria in un'orbita ellittica è dovuta alla massa del Sole, e la velocità orbitale dei pianeti è dettata dall'attrazione che esso esercita. Per una galassia nella periferia dell'ammasso, ci si aspetta che la forza di gravità venga dalla massa di tutte le galassie che si trovano all'interno del raggio della sua orbita. Questa massa si può stimare facilmente, misurando la luce prodotta dalle galassie all'interno dell'orbita.

L'astronomo subito si accorge che qualcosa non torna. C'è una grossa discrepanza: la massa è del tutto insufficiente a giustificare l'elevata velocità dell'ammasso. La forza di gravità che curva l'orbita delle galassie è molto più forte di quanto la massa possa ragionevolmente giustificare.

Capisce che c'è qualcosa di diverso, di incompreso o di nascosto al centro dell'ammasso. Qualcosa di non visto. Una sorgente di forza di gravità che sfugge non solo all'occhio dell'uomo, ma anche ai suoi strumenti più raffinati. Una materia pesante ma invisibile che, a differenza della materia di cui noi siamo fatti, non concorre a formare le stelle. E che pertanto non è e non sarà mai sorgente di luce, ma solo e soltanto di gravità.

È la materia oscura, che per la prima volta, in modo indiretto, mostra all'uomo gli effetti della sua possente presenza. Seguono anni tempestosi per la fisica. Gli sconvolgimenti partono, dall'infinitamente piccolo e arrivano a incidere in modo imponente sugli avvenimenti più drammatici del secolo scorso. Fino a influenzare gli equilibri tra gli stati e a ingessare il nuovo ordine internazionale.

Succede infatti che il nucleo dell'atomo svela d'improvviso, e nel momento più inopportuno, la sua infinita potenza: la massa delle particelle diventa energia, e viceversa, con effetti dalla potenza inimmaginabile fino a poco prima. La scoperta a Roma della propagazione e moltiplicazione a catena dei neutroni lenti offre un mezzo straordinario per modificare la materia: in laboratorio si ottiene la trasformazione di atomi di una specie chimica in una specie differente! Grazie ai neutroni lenti si avvera la profezia degli alchimisti.

I migliori tra i fisici subito intuiscono l'enorme potenziale della moltiplicazione a catena dei neutroni: imbrigliare o scatenare l'infinita energia del nucleo. Di lì a poco, la gran parte di loro fugge in massa dall'Europa in fiamme, in direzione dell'America. In breve tempo, sotto gli spalti dello stadio dell'Università di Chicago, nasce la prima pila nucleare: uno sciame controllato di neutroni lenti innesca la catena di reazioni nucleari che trasforma una piccolissima frazione di materia in una copiosa fonte di energia. Ancora una volta, è un navigatore italiano ad approdare nel Nuovo mondo.

Nel frattempo, fuori dalle mura dei laboratori, una Seconda guerra mondiale sconvolge ormai l'intero globo. Le potenzialità belliche della nuova forma di energia possono essere la carta vincente per la risoluzione del conflitto. Si scatena una corsa forsennata alla produzione di ordigni che mettano a frutto l'energia devastante del nucleo. Tra le montagne del New Mexico sorge una cittadella segreta: lì, nel volgere di un paio d'anni, viene portato a compimento il più ambizioso progetto di ricerca militare mai concepito. Le prime due bombe atomiche irrompono nello scenario della guerra. Subito ne tracciano l'ultimo e definitivo confine.

Alla fine del conflitto, la fisica nucleare diventa uno strumento strategico per la costituzione del nuovo ordine mondiale. Il controllo e la disponibilità della tecnologia determinano lo status di potenza internazionale. Non più il numero delle divisioni di fanteria, ma quello degli ordigni nucleari definisce la forza bellica dei blocchi contrapposti. Il potenziale distruttivo della nuova tecnologia è talmente devastante che i confini e i rapporti di forza tra i blocchi, una volta plasmati nei loro stampi, rimarranno ingessati per oltre mezzo secolo.

Intanto, per geminazione, dalla fisica nucleare nasce e fiorisce lo studio delle particelle subatomiche. I fisici, non più interessati allo sviluppo delle tecnologie nucleari, si dedicano ora a costruire acceleratori sempre più potenti: enormi macchine che, attraverso le collisioni tra particelle accelerate fino a sfiorare la velocità della luce, promettono di rivelare l'identità degli elementi primi e infinitesimali del cosmo. Le energie in gioco diventano sempre più grandi e, con la loro crescita, repentina e senza sosta, si svelano mondi sconosciuti e fenomeni mai osservati prima di allora.

Le nuove particelle prodotte dagli acceleratori, esotiche e affascinanti, hanno vite troppo brevi per trovare applicazioni in campo energetico o militare. Così, ciò che prima aveva diviso, ora unisce. Venuto a mancare l'interesse bellico, fiorisce in modo spontaneo la collaborazione tra istituti internazionali. In quegli anni fervidi il progresso scientifico non conosce sosta. L'energia messa a disposizione delle macchine acceleratrici cresce passo dopo passo. Nuovi laboratori nascono, si fondono e chiudono a un ritmo frenetico. Risultati scientifici importantissimi si susseguono con passo travolgente. La fisica delle particelle fondamentali diventa la nuova frontiera del sapere. Una serie impressionante di scoperte permette di definire con estrema precisione le leggi che regolano gli elementi infinitesimali del cosmo e le loro complesse interazioni.

Così, per parecchi decenni lo studio della fisica delle particelle è la vera fucina della scienza e persino il fulcro dello sviluppo tecnologico: tutto sembra girare intorno ad essa.

La materia oscura, appena intravista qualche decennio prima, torna a celarsi sotto il velo che l'ha protetta sin dalla nascita, laddove le fa sinistra compagnia un'altra entità oscura. Misteriose e ignote come divinità ctonie, tra le dita tengono le spole dei fili che reggono il destino dell'intero Universo.

Come, coordinati da un essere superiore, gli orli degli strappi da cui si era palesato il lato oscuro dell'Universo si riavvicinano e si ricuciono. Al di sopra del velo si calma il vento e si fermano le onde del tessuto. L'attenzione dell'uomo per ora è rivolta altrove, il suo sguardo mira in tutt'altra direzione.

Nel frattempo, il mondo a noi ignoto è in continua evoluzione. I fili mai fermi sulle spole, in continuo sia pur lento movimento, con il loro gioco di tensioni e rilasci, modificano eternamente la struttura dell'Universo.

Ma, all'improvviso, il velo che ci separa dal lato oscuro sarà lacerato una seconda volta. Questa volta sarà per sempre. Allora troveremo l'Universo già diverso da come è stato prima, e lo riconosceremo immerso nel suo eterno e oscuro divenire.

Ormai la resa dei conti non può tardare a lungo. L'evoluzione tecnologica dell'ultimo secolo ha permesso la costruzione di telescopi sempre più potenti, in grado di catturare luce e persino onde di gravità provenienti dagli angoli più reconditi dell'Universo. Nel decennio attorno al cambio di secolo, proprio mentre la progressione geometrica dell'energia degli acceleratori segna il passo, l'avanzamento tecnologico scatena una nuova rivoluzione. Trascorrono pochi anni, e la rappresentazione delle entità che dominano l'infinitamente grande ne esce completamente stravolta.

Nulla sarà più quel che era prima. La caccia alle divinità ctonie è appena cominciata. Nessuno è in grado di predire quando saranno cantati i poemi sulle gesta dei cacciatori.

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Le caratteristiche della materia oscura, finalmente ritrovata, sfidano in modo fondamentale le leggi stabilite della fisica delle particelle. La materia oscura, infatti, non rientra per nulla nei rigidi canoni dello schema di classificazione della materia ordinaria sviluppato nel corso del XX secolo, oggi universalmente accettato, e meglio noto come il Modello Standard delle particelle elementari.

Vediamo rapidamente in cosa consiste.

Il Modello Standard prevede che la materia sia costituita di due blocchi fondamentali: particelle leggere, i leptoni, da [...], leggero; e particelle pesanti, i barioni, da [...], pesante. Mentre i leptoni sono particelle veramente fondamentali, i barioni no: sono il risultato dell'assemblaggio di altre particelle fondamentali come i leptoni, i quark, che sono dotati di carica frazionaria, vale a dire pari a una frazione della carica dell'elettrone. A differenza dei leptoni, non si trovano quark liberi in natura, se non negli istanti infinitesimali che seguono le collisioni delle particelle ad altissima energia. I quark si uniscono sempre tra di loro, in gruppi di due, tre o più, e proprio come i mattoncini di un gioco di costruzioni si compongono a formare dei blocchi unitari facilmente riconoscibili, i barioni, come unità compatte e quasi indissolubili.

Il Modello Standard prevede anche che le forze tra le particelle di materia siano trasmesse da altre particelle speciali, i bosoni. Il bosone più semplice è il fotone, che è il portatore della forza elettromagnetica e la particella che costituisce la luce. La forza che tiene i quark coesi e compatti a formare i barioni è molto più intensa, e non a caso è nota come forza nucleare forte: la particella che viene scambiata tra i quark per trasmettere la forza nucleare forte è il gluone. C'è un'altra forza che interessa tutte le particelle fondamentali, sia i leptoni sia i quark, che è la forza nucleare debole, che risulta dallo scambio di bosoni pesanti, il bosone Z° e i bosoni W+ e W-.

La forza elettromagnetica e la forza nucleare debole sono in realtà due aspetti di un'unica forza complessa, la forza elettrodebole, che si applica nello stesso modo a tutte le particelle fondamentali, vale a dire sia ai leptoni che ai quark. La forza nucleare forte, invece, si applica solo ed esclusivamente ai quark.

Tra i leptoni, la particella più nota e familiare è l'elettrone, con carica elettrica -1. Le altre due sono le particelle μ, o muone, e τ , o tauone, anch'esse dotate di carica -1, che si comportano di fatto come elettroni più pesanti; a differenza dell'elettrone sono instabili, cioè dopo un brevissimo tempo dalla loro creazione decadono, muoiono lasciando al loro posto particelle più leggere e più stabili.

Completano íl quadro dei leptoni tre neutrini, dotati di carica elettrica nulla (0), uno per ciascuno dei tre leptoni carichi: il neutrino elettronico, il neutrino muonico e il neutrino tauonico. A differenza dell'elettrone e dei suoi due compagni più pesanti, l'assenza di carica elettrica dei neutrini limita le loro interazioni solo a quelle regolate dalla forza debole e ciò li rende estremamente difficili da studiare: pensate che le interazioni di un neutrino sono talmente evanescenti che per fermarlo occorrerebbe un muro di piombo delle dimensioni dell'Universo!

I quark sono i mattoni per la costruzione dei barioni. Vi sono sei tipi di quark, particelle fondamentali con carica frazionaria che compongono i barioni: i tre quark con carica +2/3, vale a dire u per "up", c per "charm", t per "top"; e i tre quark con carica -1/3, vale a dire d per "down", s per "strange" e b per "bottom". I quark non possono esistere come particelle isolate se non per i brevissimi istanti in cui avvengono collisioni ad altissime energie; esistono stabilmente solo all'interno di combinazioni di due o più quark, con carica totale aggregata intera. Per esempio, la combinazione uud, con carica +1, non è altro che il protone; mentre la combinazione udd, con carica 0, non è altro che il neutrone.

Protoni e neutroni sono tra i barioni più leggeri. I protoni, come gli elettroni, sono particelle stabili nel tempo, e non si è mai osservato un loro decadimento in particelle più leggere. I neutroni isolati, invece, non sono stabili, e finiscono per decadere nel giro di pochi minuti, rilasciando un protone (carica +1), un elettrone (carica -1) e un neutrino (carica 0). Pur non essendo stabili quando isolati, i neutroni possono esistere in forma stabile all'interno dei nuclei atomici, che non sono altro che combinazioni di uno svariato numero di protoni e neutroni; in queste combinazioni, il decadimento dei neutroni può essere inibito da leggi di conservazione dell'energia. I neutroni possono anche esistere in forma stabile all'interno di conglomerati di grandissima massa, noti come stelle di neutroni. Le stelle di neutroni rappresentano uno dei possibili stadi finali della vita di stelle molto pesanti, con massa pari ad almeno dieci volte quella del Sole, che a seguito dell'esaurimento del combustibile nucleare collassano per formare un nucleo denso di materiale neutro. Anche nel caso delle stelle di neutroni, che possiamo immaginare come un gigantesco nucleo atomico, il decadimento dei neutroni è inibito da leggi di conservazione.

Protoni, neutroni ed elettroni compongono tutte le forme di materia note sulla Terra. La loro forma di aggregazione fondamentale è l'atomo: ogni atomo è composto da un nucleo atomico, un aggregato di protoni (il cui numero è indicato con la variabile Z, numero atomico) e neutroni (il cui numero è A-Z, laddove A, il numero di massa, è pari al numero totale di neutroni e protoni). Attorno al numero atomico, che ha carica totale +Z, ruotano Z elettroni, con carica totale -Z, componendo così una struttura con carica elettrica totale nulla. Gli atomi si aggregano in molecole, le quali a loro volta si aggregano tramite legami chimici - forze di natura elettromagnetica tra gli elettroni più esterni orbitanti intorno al nucleo - a formare tutti i corpi che conosciamo.

Un'altra forma di materia

La materia oscura invece è completamente altra. Non è e non può essere formata da combinazioni di protoni, neutroni ed elettroni: altrimenti non vi sarebbe ragione per cui questa forma di materia non debba concorrere alla formazione delle stelle e non debba essere rilevata tramite gli strumenti tradizionali. Deve invece essere costituita da una forma di materia che rifugge completamente dai canoni prestabiliti. La materia oscura difatti non concorre alla formazione di strutture macroscopiche e complesse: pertanto, le interazioni della materia oscura con se stessa e con la materia a noi nota devono essere necessariamente molto deboli.

Al tempo stesso questa nuova materia deve essere anche molto pesante e soggetta alla legge di gravità, dato che funge da sorgente della massima parte della forza gravitazionale che tiene insieme le galassie e gli ammassi.

Inoltre, deve essere anche lenta: se la materia oscura viaggiasse alla velocità della luce, se pur pesante, non potrebbe aver svolto la funzione di centro di gravità permanente, necessaria per la formazione degli ammassi e delle galassie agli albori dell'Universo.

In più, la materia oscura non può avere carica elettrica. Se l'avesse, infatti, potrebbe generare luce, e le sue interazioni con la materia ordinaria sarebbero facilmente visibili. La materia oscura, insomma, non sarebbe stata tanto oscura e sarebbe stata scoperta già da un bel po'.

Infine, la materia oscura deve essere stabile nel tempo, così come lo sono i protoni e gli elettroni, e financo i neutroni, quando sono incastonati nei nuclei atomici complessi. Come la materia a noi nota, difatti, si suppone che anche la materia oscura sia stata generata agli albori dell'Universo, nei processi ad altissima energia che fanno seguito ai primi istanti dopo il Big Bang, l'evento da cui nasce lo spazio-tempo. Da allora sono passati miliardi di anni, e questa nuova materia è sopravvissuta per questo lunghissimo lasso di tempo, fino a far sentire, ancora oggi, i possenti effetti della sua presenza. Pertanto, così come gli elettroni e i protoni, la materia oscura deve essere una forma di materia molto elementare, stabile nel tempo, non prona a decadere a sua volta in forme di materia più semplici, elementari e più stabili.

Così come gli elettroni e i protoni, e come i neutroni inseriti in strutture complesse e stabili, la materia oscura è uno dei blocchi fondamentali dell'Universo. È una forma di materia pesante, lenta e totalmente priva di carica elettrica. Può la materia oscura far parte delle particelle già descritte dal Modello Standard? I barioni e i leptoni carichi sono senz'altro fuori gioco. Non rimane pertanto che una sola possibilità all'interno del Modello Standard delle particelle elementari: i neutrini.

I neutrini

Ebbene sì, la materia oscura potrebbe essere costituita da neutrini, particelle elementari che non decadono in altre particelle (però, come vedremo presto, si trasformano continuamente e ciclicamente tra una specie e l'altra). Sono persino privi di carica elettrica. Soddisfano perciò parecchi dei requisiti fondamentali della materia oscura. Ma sono sufficientemente pesanti da poter fornire la massa necessaria alla materia oscura? Sono sufficientemente lenti da poter agire da centri di gravità permanenti, necessari per permettere la crescita degli ammassi e delle galassie? La risposta non si fa attendere. E, quale beffa, arriva proprio dal tanto dileggiato problema del neutrino solare.

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Oggi ci troviamo di fronte a un dilemma colossale. L'ipotesi dell'esistenza della materia oscura è suffragata da una serie crescente di indicazioni molto strette, ma non è ancora provata. Alcune domande sorgono spontanee.

Esiste veramente la materia oscura? E se sì, cos'è? Di quale sostanza si tratta? Quali sono le sue interazioni e la sua relazione con la materia ordinaria? Quali sono le sue proprietà fisiche? Qual è la sua distribuzione nell'Universo e nella nostra galassia? Quali nuove leggi fisiche nasconde la sua presenza? Cosa ci insegneranno di nuovo queste leggi sulla nascita e sul destino dell'Universo?

A nessuna di queste domande vi è ancora risposta.

A rendere la situazione ancor più complessa, il problema della scoperta della materia oscura e della comprensione della sua natura è talmente cruciale che ogni anno nascono centinaia di nuove teorie che tentano di definirne i confini. Purtroppo, finora, nessuna di queste ha le caratteristiche di rigore e la consistenza interna di altre grandi teorie che hanno permesso di categorizzare una vasta serie di fenomeni fisici: la Teoria della relatività generale e il Modello Standard.

Non potremo mai fornire una risposta piena e convincente alle domande elencate senza prima passare per un percorso accidentato ma necessario. Per dimostrare la presenza della materia oscura e capirne l'essenza, occorre prima scovare gli effetti diretti della sua presenza sulla scala dell'infinitamente piccolo. Dobbiamo pertanto scoprire le interazioni della materia oscura in esperimenti condotti in laboratorio o nello spazio. Si tratta di un'impresa scientifica quanto mai ardua, forse la più grande sfida scientifica del XXI secolo. Una sfida il cui successo è tutt'altro che garantito.

A questo punto, non resta che puntare la prua al largo e partire per questo splendido viaggio, pur non sapendo se arriveremo mai a destinazione. Per orientarci, bisogna capire cosa possiamo aspettare di trovare alla fine.

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Pagina 95

Pregiudizi antichi

Se la materia oscura è oggi l'enigma scientifico cruciale per la comprensione del cosmo e delle nuove leggi della fisica, l'energia oscura è un mistero ancora più fitto e affascinante. Forse il più grande mistero scientifico dell'Universo.

Tutto cominciò con un banale pregiudizio. Non uno qualsiasi, badate bene, ma quel pregiudizio che viene da chi meno ti aspetteresti. Ebbene sì, anche il grande padre della relatività ristretta e generale aveva i suoi pregiudizi. E tra questi, uno tanto ingiustificato quanto fortuito: l'Universo deve essere stabile nel tempo. È oggi e sarà domani così come è sempre stato. Costante e fedele a se stesso nei secoli.

A onor del vero, questa presa di posizione assoluta, che oggi a ragione possiamo definire infondata, ebbe luogo all'inizio del XX secolo, quando ancora poco o nulla si conosceva sull'evoluzione temporale dell'Universo, e quando l'allontanamento sistematico delle galassie che circondano la Via Lattea non era ancora stato osservato. Ai primi del Novecento ancora si pensava che l'Universo dovesse essere assolutamente stabile nel tempo. Naturale, pertanto, che il pregiudizio potesse nascere e mettere radici: per secoli, del resto, l'uomo ha descritto le stelle come fisse nel firmamento.

Ma un Universo stabile nel tempo è veramente compatibile con la profonda riformulazione e completa riscrittura delle leggi della relatività, che ha luogo proprio in quel momento storico?

La relatività

Contrariamente a quanto si può pensare, la Teoria della relatività non nasce nel XX secolo, ma molto prima, nel XVII, in Italia. È il padre della fisica e della scienza moderna che per primo ne intuisce il significato profondo e lo formalizza in una legge molto semplice e universale, che subito diventa il vero pilastro della disciplina.

La fisica e la scienza moderna vengono alla luce con il tentativo di comprendere il movimento dei corpi in relazione alle forze cui essi sono sottoposti. La definizione delle leggi del moto richiede innanzitutto un formalismo adeguato per la descrizione del movimento. E da qui sorge l'intuizione fondamentale che dà il via alla formalizzazione della legge di relatività: il movimento dei corpi e dei gravi non può che essere descritto "in relazione" a uno specifico sistema di riferimento. La verifica sperimentale del moto dei corpi e dei gravi in laboratorio, vale a dire il famoso "provando e riprovando", che sottopone alla verifica dell'esperienza diretta sistemi molto semplici da costruire e analizzare, dimostra che le leggi del moto sono indipendenti dalla specifica scelta del sistema di riferimento. Valgono tanto in un laboratorio ancorato a terra quanto in un laboratorio che si trovi in moto con una velocità costante. Si scopre, cioè, che la validità delle leggi fondanti della fisica è indipendente dalla scelta del sistema di riferimento. Questo, in estrema sintesi, è il significato intimo della legge di relatività.

La scoperta della relatività è un passaggio fondamentale per la definizione del valore delle leggi fisiche. L'indipendenza dal sistema di riferimento, infatti, rende le leggi stesse centrali, determinanti e di valore assoluto: in una sola parola, universali. Per questo motivo la teoria della relatività ha un valore che trascende per importanza quello di ogni singola specifica legge del moto. La relatività infatti ha un diretto impatto sull'intero corpo di leggi della fisica: ne definisce, amplia e rende assoluto l'ambito di applicazione. La relatività, insomma, estende il suo valore assoluto all'intera disciplina, pietra d'angolo della scienza moderna.

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Qui nasce l'idea rivoluzionaria, prima accettata e poi, subito, rifiutata, disconosciuta e maledetta. Prima esaltata e poi abiurata. Rivoluzione e controrivoluzione. Salvo poi essere accolta come vera un secolo dopo.

L'idea è molto semplice. Se non vi può essere un'energia-massa di segno opposto a controbilanciare la spinta al collasso della forza di gravità, ci deve essere un'altra entità, dalla natura completamente separata. Un'entità tale per cui la sua essenza non è più associata a onde o corpuscoli dotati di massa o di moto o di energia. L'essenza di questa nuova entità è tale da pervadere in modo uniforme l'intero spazio-tempo. È una deformazione permanente e costante dello spazio-tempo, che fornisce ad esso una proprietà quasi elastica, un'intrinseca propensione all'espansione che controbilancia perfettamente l'azione attrattiva della forza di gravità. Questo sì, è fattibile, pensabile e assimilabile all'interno delle equazioni della relatività generale. È sufficiente aggiungere un singolo termine, omogeneo, costante nello spazio-tempo: la costante cosmologica, Λ.

La costante cosmologica Λ è un termine fondamentale delle equazioni della relatività generale. È equivalente a una densità di energia intrinseca del vuoto cosmico: in presenza della costante cosmologica, ogni unità di spazio-tempo è dotata di un'energia di base semplicemente per il fatto di esistere, pur in totale assenza di qualsiasi contenuto e forma materiale.

A causa della presenza di un'energia del vuoto cosmico, l'energia dell'Universo si accresce quando esso si espande. Pertanto, la costante cosmologica finisce per esercitare sull'Universo una pressione costante verso l'espansione, proprio l'esatto contrario di quanto provvede a fare la forza di gravità.

Nelle intenzioni di chi la propose, infatti, la costante cosmologica doveva esattamente controbilanciare l'azione attrattiva della gravità e infine creare un Universo statico, stabile nel tempo, sempre identico a se stesso. Ma in questo caso le migliori intenzioni si scontrano con una realtà di fatto differente. L'introduzione della costante cosmologica, pertanto, non va a buon fine e non riesce per nulla a creare la possibilità di un Universo statico.

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Ora spostiamoci in avanti di un secolo, nel passaggio tra il XX e il XXI. Le tecniche di misura a disposizione diventano sempre più raffinate e permettono l'esplorazione diretta di stelle anche molto lontane. Una nuova tecnica di misura delle supernovae, in particolare, consente la valutazione precisa sia della distanza sia della velocità dell'esplosione di queste stelle. Ne consegue che è possibile ricostruire la mappa dell'espansione dell'Universo a ritroso nel tempo. Il risultato porta a uno sconvolgimento ancora più forte: non solo l'Universo si sta espandendo, ma il suo tasso di espansione, sta accelerando.

E cosa sta spingendo l'Universo ad accelerare la sua espansione? Insomma, tutte le misure moderne sembrano confermare la presenza di un'entità che ha le caratteristiche della costante cosmologica. Una forma di energia associata intrinsecamente allo spazio-tempo, un'energia del vuoto cosmico che spinge l'Universo in una corsa sempre più violenta a occupare estensioni più estreme di spazio-tempo: è l'energia oscura, il più grande mistero della fisica moderna.

Cos'è l'energia oscura? Ancora non ci è dato saperlo. Le informazioni che abbiamo su di essa sono molto limitate. Sembra comportarsi come una costante cosmologica, in quanto la sua azione pare essere compatibile con quella di una forma di energia costante per unità di spazio-tempo e immutabile al volgere del tempo nella storia dell'Universo. Ma le incertezze legate alla sua genesi e ai suoi effetti sull'espansione dell'Universo sono ancora notevoli.

[...]

L'energia oscura si comporta in modo totalmente diverso. Come ci appare oggi, è una forma di energia direttamente proporzionale al volume di spazio-tempo occupato, proprio come dettato dalla costante cosmologica Λ. La densità di energia associata all'energia oscura è invariante nello spazio e nel tempo. L'Universo, espandendosi, finisce per guadagnare energia.

A tutt'oggi, non siamo ancora in grado di definire le leggi fisiche alla base dell'energia oscura. Sembrerebbe naturale che la sua origine possa consistere nelle fluttuazioni quantistiche dei campi che riempiono lo spazio-tempo. In altre parole, in breve, l'energia del vuoto cosmico potrebbe essere connessa alle vibrazioni dello stato fondamentale dei campi quantistici. Ma, stando ai calcoli effettuati sulla base delle nostre conoscenze attuali, quest'ipotesi fornisce una risposta del tutto incompatibile con il valore dell'energia oscura.

Ancora non abbiamo una risposta. Cos'è veramente l'energia oscura? Quali leggi fondamentali della fisica finiscono per fornire allo spazio-tempo questa forma di energia che causa la continua espansione dell'Universo?

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Abbiamo incontrato due grandissimi misteri della natura: la materia e l'energia oscura. Lo studio di queste due entità imperscrutabili segnerà in modo indelebile il progresso della scienza nel secolo appena iniziato.

Il mistero che avvolge l'energia oscura è talmente grande da sembrare quasi irrisolvibile. Lo studio del tasso di espansione dell'Universo necessiterà di strumenti di osservazione sempre più potenti per ottenere progressi significativi. Ma a nessuno è chiaro come connettere l'accelerazione dell'espansione dell'Universo con quantità fisiche e misure sperimentali che si possano realizzare in laboratorio.

Diverso è il caso della materia oscura. Come abbiamo discusso nei precedenti capitoli, oggi vige la presunzione che si tratti di una forma di materia nuova, ma pur sempre riconducibile a un'estensione del Modello Standard e quindi, in ultima analisi, consistente anch'essa, come le particelle note, in fluttuazioni di un campo quantistico. Insomma, una particella come le altre, ma diversa perché esotica e soggetta a leggi di trasformazione inesplorate.

La materia oscura potrebbe nascondersi proprio dietro l'angolo. Potrebbe essere lì, accessibile agli strumenti di misura in costruzione in questo momento. È stata la sensazione che una possibile scoperta fosse imminente a dare il via a un programma internazionale di ricerche molto competitivo e ben strutturato. L'obiettivo è quello di scoprire le particelle di materia oscura, e al contempo di esplorare le nuove leggi della natura che esse custodiscono gelosamente.

Come possono i fisici proseguire nelle loro indagini sulle origini dell'Universo e arrivare alla scoperta della materia oscura? Come possono setacciare il cosmo alla ricerca di queste particelle neutre, pesanti e longeve di cui essa può essere composta?

La progressione geometrica degli acceleratori segna il passo, e diventa sempre più costoso e difficile creare macchine che sorpassino i livelli record di energia, permettendo di creare in laboratorio nuove e più pesanti particelle. Perciò un gruppo nutrito di fisici ha deciso di scoprire direttamente le particelle di materia oscura presenti in natura, anziché cercare di produrle artificialmente.

Le particelle di materia oscura interagiscono debolmente con la materia ordinaria, come i neutrini, e sono in grado di penetrare un muro di piombo di dimensioni pari a quelle dell'Universo. Per questo motivo, come abbiamo visto, il luogo naturale per la loro osservazione sono laboratori sotterranei scavati nelle profondità della Terra, che permettono di schermare i segnali dei raggi cosmici provenienti dal Sole e da altre stelle, ottenendo la condizione di silenzio cosmico. In queste cavità profonde non è più necessario accelerare protoni fino a energie di migliaia di miliardi di elettronvolt per creare artificialmente particelle di materia oscura. Si costruiscono, invece, rivelatori di elevatissima sensibilità, predisposti ad ascoltare i segnali più deboli trasmessi dalla Natura.

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C'era una volta. C'è. E ci sarà di nuovo. C'era una volta un lontano Sistema solare. Partendo dalla nostra Terra, uscendo dall'atmosfera e dal campo di gravità terrestre; sfiorando in sequenza crescente i pianeti, sfruttando il campo gravitazionale di Giove per accelerare a velocità sconsiderata, come un sasso nella navicella di una fionda; così sospinti oltre i confini del Sistema solare; puntando poi dritto fin verso la nebulosa dell'Aquila; lì sopraggiunti, infilando lo spazio aperto tra la seconda e terza colonna di gas globulari evaporanti, che chiamiamo Pilastri della Creazione; proseguendo poi per circa altri venti milioni di anni luce, lungo la linea geodetica che definisce il cammino di propagazione della luce nel campo gravitazionale; incrociando, entro la distanza della Via Lattea dal Gruppo locale, un primo, un secondo e infine un terzo ammasso di galassie; a quel punto, voltando bruscamente nella direzione astrale di Orione, per altri cinquanta milioni di anni luce, fino a incrociare un nuovo ammasso di galassie a spirale e lì, a tre quarti del braccio più corto dell'ammasso, inoltrandosi nella galassia piatta che costantemente brilla più delle altre per numero di supernovae Ia; poi attraversando fino a sorvolare il centro della galassia e approdare, a un quarto dalla fine del raggio visibile della stessa galassia, al nostro agognato punto d'arrivo.

Lì c'era una volta, e ancora oggi resiste, uno dei più antichi sistemi solari dell'Universo. Un sistema solare molto simile al nostro. Miliardi di anni prima che la nostra Terra si formasse, i suoi abitanti crearono una civiltà avanzatissima. All'inizio del quindicesimo millennio dell'era moderna, gli sviluppi tecnologici permettevano indagini sempre più approfondite del cosmo circostante. Le interazioni della materia oscura furono isolate in laboratori scavati in rocce profondissime. Occorsero parecchi secoli di studio, ma le misure ricostruite in laboratorio furono così dettagliate da descrivere tutte le proprietà e da spalancare le porte a conoscenze inattese. Si giunse persino a creare nuove particelle di materia oscura in laboratorio. E di lì a poco si isolarono anche le leggi fisiche che regolano le scale più microscopiche e che al contempo generano l'energia oscura dell'Universo.

Tutto questo, oggi lo possiamo immaginare. Ma in realtà non ne sappiamo nulla. E forse mai sapremo tutto quel che è stato.

L'Universo è ormai entrato nell'era dominata dall'energia oscura. Per miliardi di anni sin dalla sua origine la presenza dell'energia oscura è stata del tutto impercettibile. Da poco tempo, a partire da qualche miliardo di anni fa, l'energia oscura ha cominciato a far sentire la sua presenza. La frazione totale dell'energia dell'Universo dovuta ad essa cresce nel tempo accompagnando l'espansione dell'Universo. Qualche miliardo di anni fa l'Universo è passato dall'essere dominato dalla materia oscura all'essere dominato dall'energia oscura; l'espansione, anziché rallentare, ha cominciato a riaccelerare, proprio come nelle fasi di inflazione seguite per un istante infinitesimale al Big Bang. Oggi, la frazione di energia totale dell'Universo sotto forma di energia oscura è già quasi il 70%. E continua a crescere, forzando sempre di più l'accelerazione dell'espansione dell'Universo.

L'espansione è così forte e violenta che in ogni epoca dell'Universo vi sono stelle e galassie in allontanamento dalla Terra con una velocità superiore a quella della luce. E non si deve pensare che questo fatto violi i principi della relatività ristretta e generale: la relatività ci dice che nulla può viaggiare più veloce della luce rispetto allo spazio, ma non proibisce allo spazio stesso di dilatarsi con una velocità più grande di quella della luce.

Il destino ultimo della nostra galassia è chiaro. Con la continua accelerazione dell'espansione dell'Universo verrà il giorno in cui la sfera dell'Universo visibile sarà ridotta ai soli oggetti tenuti dalla forza gravitazionale insieme alla nostra galassia, la Via Lattea: le galassie più vicine, quelle del Gruppo locale e poco più. Al di fuori, un Universo infinito sarà per noi completamente irraggiungibile e perso per sempre nello spazio-tempo infinito. Nessun fotone da noi generato lo raggiungerà mai più, e viceversa.

Facciamo presto! Siamo in una fase unica della storia dell'Universo. Siamo venuti al mondo nel momento della transizione fra l'era dominata dalla materia e quella dominata dall'energia. Poco prima, e non avremmo avuto nemmeno la possibilità di percepire gli effetti devastanti dell'energia oscura. Poco dopo, e non avremmo la possibilità di vedere gli effetti passati della materia oscura.

Presto, facciamo presto! Le comunicazioni con i mondi lontanissimi potrebbero essere rivelate in un futuro prossimo. Ma già sappiamo che, un domani, ogni contatto sarà perso. Una volta e per sempre.

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