Prima di cominciare: una nota per il lettore

Alla fine di una giornata di lavoro, molti di noi escono all’aperto per un momento. Magari stiamo andando alla fermata dell’autobus, portiamo fuori la spazzatura o aspettiamo che cominci un turno. A volte, senza averlo deciso, alziamo lo sguardo. C’è la Luna, o una sola stella luminosa, o, nelle sere fortunate, un cielo intero pieno di stelle. E a volte, in quel momento di quiete, ci torna in mente una domanda antica: da dove viene tutto questo?

Questo libro prova a rispondere a quella domanda con calma, una sera alla volta. Racconta la storia di come è cominciato l’universo, per quanto oggi lo si comprende: come un tempo era estremamente caldo e denso, come da circa 13,8 miliardi di anni continua a espandersi e a raffreddarsi, come si sono formati i primi atomi, le prime stelle e le prime galassie e come, molto più tardi, sono nati il Sole, la Terra e gli atomi del nostro stesso corpo. Racconta anche, più in breve, come si è arrivati a saperlo. Molte delle grandi scoperte sono state fatte da persone al lavoro: una donna pagata per misurare stelle su lastre di vetro, due ingegneri che cercavano di eliminare un rumore da un’antenna, un insegnante di fisica che elaborava le sue idee con carta e matita.

La storia si svolge in quindici notti, e ogni capitolo è una notte. Ogni capitolo comincia con una giornata di lavoro di Noor, un’astronauta che trascorre sei mesi su una stazione spaziale, molto in alto sopra la Terra. Il suo lavoro è pieno di orari, liste di controllo, piccole riparazioni e lunghe ore, proprio come tanti lavori sulla Terra. Qualcosa nella sua giornata fa nascere una domanda, e quella domanda porta alla storia della notte. Prima di dormire, Noor manda un breve messaggio al fratello minore, Sami, che di notte guida un furgone per le consegne e legge i suoi messaggi durante la pausa. Noor, Sami e l’equipaggio della stazione sono persone immaginarie, e la stazione non esiste davvero, ma la vita che conducono è vicina a quella dei veri astronauti.

Ogni capitolo si chiude con alcuni equivoci comuni: cose che molte persone credono sull’universo, o sulla vita nello spazio, e che non sono del tutto giuste. Non servono a far sentire sciocco nessuno. Quasi tutti, prima o poi, ne hanno creduto qualcuno, compresi molti scienziati prima che i fatti fossero noti. Guardare da vicino un equivoco è spesso il modo più semplice per capire che cosa è vero davvero.

Come leggere queste notti

Per leggere questo libro non ti serve alcuna preparazione scientifica. Ogni parola nuova viene spiegata la prima volta che compare, e le spiegazioni usano cose di tutti i giorni: il pane che lievita nel forno, una sirena che passa, un bicchiere d’acqua, un lungo turno che finisce all’alba. Se un passaggio ti sembra difficile, puoi tranquillamente andare avanti. Spesso la notte successiva lo renderà più chiaro.

Un capitolo si legge in una ventina di minuti, e i capitoli sono pensati per essere letti in ordine, uno per notte, come una serie di storie della buonanotte per adulti. Le prime notti raccolgono gli indizi, le notti successive li usano. Ma non c’è fretta. Se leggi due capitoli in un fine settimana tranquillo e nessuno durante una settimana piena, l’universo ti aspetterà. Aspetta da moltissimo tempo.

I numeri di questo libro sono arrotondati, e quasi tutti sono accompagnati dalla parola «circa». Gli astronomi misurano molte cose con grande precisione, ma per una storia raccontata di notte un numero tondo è più facile da portare con sé. Dove qualcosa non è ancora noto, il libro lo dice chiaramente. Sull’inizio dell’universo ci sono ancora moltissime cose che nessuno comprende, e alcune delle domande più interessanti sono ancora aperte.

Infine, mentre leggi, forse ti piacerà alzare lo sguardo ogni tanto. Non ti servono un telescopio né una montagna buia. Bastano una finestra, la soglia di una porta o una breve passeggiata dopo il lavoro. La luce che vedi in quelle sere fa parte della stessa storia che racconta questo libro.

Ora la prima giornata di lavoro sulla stazione è quasi finita. Noor è stanca, nell’assenza di peso sente la testa strana, e fuori dalla finestra stanno sorgendo le stelle. Raggiungiamola per la prima notte.

Capitolo 1: Una domanda nel buio

Notte 1: La prima notte nel sacco a pelo

La prima giornata di lavoro di Noor sulla stazione spaziale era cominciata molto presto, molto prima di arrivare alla stazione. Si era svegliata in una piccola stanza sulla Terra, aveva fatto una colazione tranquilla, aveva indossato la tuta di volo ed era salita con i compagni d’equipaggio nella capsula in cima a un alto razzo. Poche ore dopo l’accensione dei motori, la capsula si era agganciata alla stazione, i portelli si erano aperti e le persone che già vivevano lassù avevano accolto il nuovo equipaggio con volti stanchi e felici.

Il resto della giornata fu pieno di piccoli lavori fatti con cura. Noor imparò dove erano custodite le attrezzature di emergenza. Provò il percorso fino alla sua cabina per dormire, tirandosi avanti lungo i corrimano, perché i piedi non le servivano più a nulla sul pavimento. Disfece una borsa con vestiti, uno spazzolino e un quaderno, e legò ogni oggetto, perché qualsiasi cosa lasciata libera nell’aria se ne sarebbe andata alla deriva. Verso sera sentiva la testa piena e pesante, come succede spesso nelle prime ore di assenza di peso, e le mani erano un po’ goffe. Tomás, il comandante, le disse che era normale. Ade, lo scienziato, raccontò che la sua prima sera aveva perso tre penne in dieci minuti.

Alla fine della giornata, Noor andò nella piccola stanza rotonda con la grande finestra. La finestra è fatta di diversi vetri spessi, e attraverso di essa poteva vedere la curva della Terra che scorreva sotto di lei. Oceano azzurro, nuvole bianche, poi la sottile linea luminosa dell’aria sul bordo del pianeta. Mentre guardava, la stazione passò sul lato notturno della Terra. Il suolo diventò buio, e sopra di esso il cielo si riempì di stelle.

Sul lato buio del pianeta vedeva le luci dei paesi sparse sulla terraferma come zucchero rovesciato, e lontano il guizzo bianco di un temporale dentro le nuvole. Meno di un’ora dopo, sul bordo della Terra comparve una sottile linea arancione e blu, e il Sole sorse di nuovo. Tomás le arrivò accanto fluttuando e le disse che da quel momento in poi avrebbe visto circa sedici albe e sedici tramonti ogni ventiquattro ore. La stazione segue un unico orologio concordato con le squadre a terra, le spiegò, così l’equipaggio può dormire, mangiare e lavorare con orari regolari, anche quando il Sole sorge ogni ora e mezza.

Più tardi, chiusa nel sacco a pelo, che è legato alla parete di una cabina grande come un armadio stretto, Noor lesse un messaggio del fratello minore. Sami guida un furgone per le consegne di notte. Legge i messaggi durante la pausa, verso le tre del mattino, parcheggiato accanto a una strada silenziosa. Il suo messaggio era breve. «Sono contento che tu sia arrivata sana e salva. Ecco una domanda per te, visto che sei più vicina al cielo di tutti noi. Come è cominciato tutto? Tutto, intendo. L’intero universo.»

Noor sorrise nel buio. Era una domanda molto grande per una cabina molto piccola. Ma aveva in mente quindici notti, distribuite nei suoi sei mesi sulla stazione, e decise di rispondere con calma, una storia per notte. Questo libro segue quelle notti. Se vuoi, puoi leggerlo nello stesso modo: un capitolo a sera, dopo la tua giornata di lavoro.

La domanda più antica

La domanda di Sami è forse la più antica che le persone si siano mai fatte. Molto prima dei telescopi, molto prima della scrittura, la gente guardava il cielo notturno e si chiedeva da dove venisse. Quasi tutte le culture che conosciamo hanno raccontato storie sull’inizio del mondo. Alcune cominciavano con l’acqua, altre con un uovo, altre con l’oscurità, altre ancora con un grande silenzio. Queste storie venivano raccontate intorno al fuoco, alla fine di lunghe giornate di lavoro nei campi e sul mare, da persone curiose quanto noi.

Quelle storie svolgevano molti compiti importanti. Davano alle persone il senso del proprio posto nel mondo. Spiegavano le stagioni e le stelle in un modo che anche un bambino poteva ricordare. Trasmettevano valori da una generazione all’altra. La scienza non cerca di sostituire quel tipo di significato. Si pone una domanda più ristretta: che cosa possiamo imparare sull’inizio osservando con attenzione l’universo stesso, misurando ciò che vediamo e verificando le nostre idee ancora e ancora?

Per gran parte della storia umana, quella domanda più ristretta non si poteva davvero porre. Si potevano osservare con grande attenzione il Sole, la Luna e i pianeti, e molte culture ricavarono da ciò che vedevano calendari eccellenti. Ma per studiare l’inizio dell’intero universo gli astronomi avevano bisogno di due cose che fino a circa un secolo fa non esistevano: telescopi abbastanza grandi da vedere galassie lontanissime e una teoria della gravità abbastanza potente da descrivere l’universo nel suo insieme. Quella teoria, la relatività generale di Albert Einstein, apparve nel 1915. I grandi telescopi arrivarono più o meno nello stesso periodo. Solo allora l’antica domanda poté diventare una domanda scientifica.

Quella domanda più ristretta si è rivelata molto potente. Negli ultimi cento anni circa, gli astronomi hanno imparato sull’universo primordiale più che in tutti i secoli precedenti. Ci sono riusciti lentamente, con un lavoro paziente. Molte delle scoperte di questo libro sono state fatte da persone che stavano semplicemente facendo il proprio lavoro: misurare stelle su lastre fotografiche, eliminare un rumore da un’antenna, controllare numeri a tarda notte. Le loro giornate di lavoro, sommate, hanno dato una storia che nessuno di loro avrebbe potuto raccontare da solo.

È anche una storia con delle lacune. Alcune parti sono conosciute molto bene e sono state verificate in molti modi diversi. Altre sono ancora aperte, e gli scienziati ne discutono. In queste quindici notti cercherò di chiarire quali sono le une e quali le altre. Quando qualcosa è noto, lo dirò. Quando qualcosa non è ancora noto, dirò anche questo. Non sapere non è un fallimento. È semplicemente il punto in cui comincia la prossima giornata di lavoro.

La risposta breve

Prima della storia lunga, ecco la risposta breve, quella che sta sul retro di un biglietto. Circa 13,8 miliardi di anni fa, l’universo era estremamente caldo ed estremamente denso. Tutto ciò che oggi è sparso nel cielo, ogni stella e ogni galassia, era stipato insieme in uno stato più caldo del centro di qualsiasi stella. Da allora l’universo si espande e si raffredda. Raffreddandosi, si sono formate prima le particelle, poi i primi atomi, poi le prime stelle e le prime galassie, e molto più tardi il Sole, la Terra e noi.

Questa è l’idea principale. Tutto il resto del libro la riempie di dettagli. Il numero di 13,8 miliardi di anni è così grande che è difficile sentirlo davvero. Un modo per cominciare è confrontarlo con una vita umana. Se tu vivessi ottant’anni, l’età dell’universo corrisponderebbe a più di centosettanta milioni delle tue vite. Un altro modo, che useremo nell’ultima notte, è comprimere tutta la storia in una sola giornata di lavoro e vedere che cosa succede a ogni ora.

Sentirai spesso chiamare questo stato caldo iniziale «Big Bang». È un nome famoso, e lo useremo anche in questo libro, ma è solo un nome. Non significa che ci sia stato un forte scoppio, e non significa che qualcosa sia esploso in una stanza vuota. In una notte successiva incontreremo l’uomo che gli diede quel nome, e vedremo che lui stesso non credeva in quell’idea. Per ora basta ricordare che il Big Bang indica l’universo primordiale caldo e denso e la sua espansione.

Perché un universo che si espande dovrebbe anche raffreddarsi? Forse hai già sentito la risposta con le tue mani. Quando usi una bomboletta spray per un po’, la bomboletta diventa fredda, perché il gas all’interno si espande mentre esce. Quando un gas viene compresso, invece, si scalda: per questo una pompa da bicicletta diventa calda in fondo dopo aver pompato a lungo. L’universo segue la stessa regola su una scala immensa. Mentre lo spazio si stirava nel corso di miliardi di anni, tutto ciò che contiene si è disperso e raffreddato, da un calore che supera qualsiasi cosa sulla Terra fino al freddo profondo dello spazio di oggi.

La risposta breve lascia fuori anche qualcosa di importante. Non ci dice che cosa abbia causato l’inizio, né se prima ci fosse qualcosa. Queste domande sono tra quelle aperte. La scienza dell’universo primordiale descrive ciò che è accaduto dopo il primo istante, e lo descrive molto bene. Sul primo istante in sé, gli scienziati dicono onestamente che ancora non lo sanno.

Come si può sapere?

La domanda successiva di Sami arrivò la notte dopo, ed era una buona domanda. «Come si può sapere che cosa è successo miliardi di anni fa? Nessuno era lì.» È la domanda che ogni persona attenta dovrebbe porsi. Non possiamo viaggiare indietro nel tempo, e non possiamo far ripartire l’universo in un laboratorio. Allora come fanno gli astronomi a sapere qualcosa del suo inizio?

La risposta è che il passato ha lasciato degli indizi, un po’ come gli indizi che legge un meccanico quando un camion entra in officina. Una brava meccanica può guardare i freni consumati, un graffio sulla vernice e il fango nei passaruota e dirti molto su dove è stato il camion, anche se lei non era in cabina. Gli astronomi fanno qualcosa di simile con l’universo. Guardano ciò che c’è adesso e si chiedono quale storia possa averlo prodotto.

Ci sono tre indizi principali, e le prossime notti li racconteranno uno alla volta. Il primo indizio è che le galassie, le enormi famiglie di stelle che riempiono l’universo, si stanno allontanando le une dalle altre. Se ora si allontanano, in passato dovevano essere più vicine. Il secondo indizio è un debole bagliore di luce che arriva da ogni direzione del cielo, la luce più antica che esista, rimasta da un’epoca in cui tutto l’universo era caldo e luminoso. Il terzo indizio è la miscela dei tipi di atomi più leggeri, l’idrogeno e l’elio, che si trovano proprio nelle quantità che un universo primordiale caldo avrebbe prodotto.

Ognuno di questi indizi, da solo, potrebbe forse essere spiegato in qualche altro modo. Ciò che ha convinto la maggior parte degli scienziati è che tutti e tre indicano la stessa storia, e che le misure successive, fatte con strumenti sempre migliori, hanno continuato a confermarla. Gran parte della scienza funziona così. Non è una sola prova spettacolare, ma tanti controlli pazienti che si incastrano tra loro.

C’è un tipo di controllo particolarmente convincente. È quando un’idea prevede qualcosa che nessuno ha ancora visto e poi, più tardi, qualcuno lo trova. Se un meccanico dice: «Per via di questa usura, mi aspetto di trovare un bullone allentato dietro quel pannello», e il bullone è lì, ti fidi di più di quel meccanico. Nella storia dell’universo primordiale questo è successo più di una volta. La luce più antica, per esempio, fu prevista nel 1948 e trovata per caso nel 1965, come vedremo in una notte successiva.

C’è un quarto aiutante che rende possibile tutto questo, ed è la luce stessa. La luce impiega tempo per viaggiare. Quando guardiamo qualcosa di molto lontano, lo vediamo com’era quando la luce lo ha lasciato. Questo significa che un telescopio è anche una specie di macchina del tempo, anche se può soltanto guardare e mai visitare. La luce sarà l’argomento della storia della prossima notte.

Un libro di quindici notti

Ecco la forma del viaggio che ci aspetta. Nelle prossime notti seguiremo la luce come messaggera e scopriremo come gli astronomi capirono che l’universo è molto più grande di quanto chiunque avesse immaginato. Vedremo come scoprirono che le galassie si stanno allontanando, e che cosa significa far scorrere quel film all’indietro. Incontreremo la luce più antica e scopriremo che cosa accadde nei primi minuti, quando furono prodotti gli atomi più leggeri, e ancora prima, quando non esisteva ancora nessun atomo.

Dopo, la storia torna ad andare avanti. Vedremo le prime stelle accendersi dopo una lunga oscurità e scopriremo come sono cresciute le galassie. Impareremo come gli atomi del tuo stesso corpo sono stati prodotti dentro le stelle e come sono nati il Sole e la Terra. Poi ci rivolgeremo alle grandi incognite: la strana spinta chiamata energia oscura e le domande al limite estremo di ciò che possiamo vedere. Nell’ultima notte Noor preparerà i bagagli per il viaggio di ritorno, e guarderemo tutta la storia in una volta sola.

Ogni notte ha la stessa forma semplice. Prima seguiamo Noor durante una parte della sua giornata di lavoro sulla stazione. Poi arriva la storia della notte. Poi torniamo sulla stazione per qualche minuto tranquillo prima di dormire. Alla fine di ogni capitolo c’è una breve sezione sugli equivoci comuni: idee che molte persone hanno, spesso per buone ragioni, e che non sono del tutto giuste. Toglierle di mezzo è uno dei modi più gentili per imparare.

Per seguire questo libro non ti serve alcuna preparazione scientifica. Ogni parola nuova verrà spiegata la prima volta che compare. Se un numero ti sembra troppo grande da immaginare, va bene così. Nemmeno gli astronomi riescono davvero a immaginare questi numeri. Li usano con attenzione, li arrotondano quando possono e conservano il loro senso di meraviglia.

Un messaggio per Sami

La prima risposta di Noor al fratello fu breve, perché era molto stanca. Scrisse: «La versione breve: circa 13,8 miliardi di anni fa tutto era caldo e stipato, e da allora continua a espandersi e a raffreddarsi. La versione lunga richiederà quindici notti. Guida con prudenza.»

Prima che chiudesse il messaggio, Ade passò fluttuando davanti alla sua cabina mentre andava a dormire e notò il quaderno che lei teneva in mano. Quando Noor gli raccontò della domanda di Sami, lui rise piano e disse che era il tipo migliore di domanda, perché nessuno poteva rispondervi in una sola notte. «Quindici notti forse non basteranno», disse. «Ma è un buon inizio.»

Poi Noor spense la piccola luce della cabina. All’inizio l’assenza di peso rende strano il sonno. Non c’è un cuscino che preme, non c’è un materasso sotto, e le sue braccia fluttuavano davanti a lei finché non le infilò nel sacco. Fuori, la stazione proseguiva il suo giro, una volta intorno alla Terra in circa novanta minuti, dentro il lato illuminato e di nuovo fuori. Da qualche parte molto più in basso, verso le tre del mattino, Sami avrebbe parcheggiato il furgone, aperto il telefono e letto le sue parole.

Forse stai leggendo queste righe alla fine della tua lunga giornata. Se puoi, esci all’aperto per un minuto prima di andare a letto, oppure guarda fuori da una finestra, e trova una stella. Non hai bisogno di conoscerne il nome. Nota soltanto che la sua luce ha viaggiato a lungo per arrivare fino a te, e che fai parte dello stesso universo di quella stella, con la stessa lunga storia alle spalle. È qui che comincia la storia.

Equivoci comuni

Molti pensano che gli astronauti fluttuino perché nello spazio non c’è gravità. È un errore facile da fare, perché le immagini sembrano proprio dire questo. Ma all’altezza della stazione, circa 400 chilometri sopra il suolo, la gravità della Terra è ancora circa nove decimi di quella in superficie. Se potessi costruire una torre così alta e stare in piedi sulla sua cima, sentiresti ancora quasi nove decimi del tuo peso normale.

Il vero motivo per cui si fluttua è che la stazione e tutti quelli che sono a bordo stanno cadendo. Cadono continuamente, verso la Terra. Ma la stazione si muove anche di lato, molto velocemente, a circa 28.000 chilometri all’ora. Mentre cade, la superficie curva della Terra si abbassa sotto di lei, così non si avvicina mai. Continua a cadere intorno al pianeta invece che su di esso. Poiché Noor, i suoi compagni e ogni penna e ogni spazzolino cadono insieme alla stessa velocità, niente preme su nient’altro. È questa la sensazione che chiamiamo assenza di peso.

Molti pensano anche che il Big Bang sia stato un’esplosione avvenuta in un punto dello spazio vuoto, come un fuoco d’artificio in un cielo buio, con tutto che vola verso l’esterno a partire da un centro. È probabilmente l’equivoco più diffuso sull’inizio dell’universo. Per quanto possiamo dire, non c’era uno spazio vuoto all’esterno in attesa di essere riempito, e non c’era un centro. Lo stato iniziale caldo e denso era ovunque nello stesso momento, ed è lo spazio stesso che da allora continua a stirarsi. Non è un’idea facile, e ci torneremo con calma nelle prossime notti.

Infine, alcuni credono che gli scienziati pretendano di sapere tutto sull’inizio dell’universo, e altri credono che gli scienziati non sappiano quasi nulla e stiano solo tirando a indovinare. Nessuna delle due cose è vera. Alcune parti della storia, come l’espansione e la luce più antica, sono misurate con grande cura e verificate in molti modi. Altre parti, come il primissimo istante e la vera natura della materia oscura e dell’energia oscura, sono onestamente sconosciute. Un buon modo per leggere questo libro è tenere a mente entrambe le cose: fiducia dove le prove sono solide, e mente aperta dove non lo sono. Nella prossima notte di questo libro cominceremo dalla messaggera che ci porta tutte queste prove: la luce.