Capitolo 14: Domande al confine

Notte 164: Le ore silenziose

Il giorno 164 della missione, Noor ebbe un turno insolito. Un esperimento sulla stazione aveva bisogno di una piccola regolazione nel mezzo della notte dell’equipaggio, in un momento in cui le squadre a terra volevano che qualcuno fosse sveglio per tenerlo d’occhio. Tomás e Ade avrebbero dormito come al solito. Noor sarebbe andata a letto presto, si sarebbe svegliata al suono della sveglia, avrebbe fatto il lavoro e avrebbe sorvegliato l’esperimento per qualche ora prima di tornare a dormire. Anche la Terra avrebbe osservato, dai suoi schermi molto più in basso. Non sarebbe stata davvero sola, ma la stazione le sarebbe sembrata molto silenziosa.

La sveglia suonò all’ora concordata. Aprì il sacco a pelo, uscì con una leggera spinta dalla sua piccola cabina e attraversò fluttuando il modulo in penombra. Di notte le luci della stazione vengono abbassate. Le ventole ronzavano, come sempre, perché nell’assenza di peso l’aria non si muove da sola, e senza le ventole il respiro di una persona addormentata potrebbe raccogliersi intorno al suo viso. Piccole luci verdi e blu brillavano sui pannelli di controllo. Da qualche parte una pompa si accendeva e si spegneva con uno scatto.

La regolazione richiese solo venti minuti. Noor seguì la procedura sul tablet, passo dopo passo, e la Terra confermava ogni passaggio con voce sommessa nelle sue cuffie. Poi non c’era altro da fare che guardare i numeri su uno schermo e aspettare. Andò fluttuando verso la grande finestra. La stazione si trovava sul lato notturno della Terra. Sotto, il pianeta era una forma scura, con sottili fili di luce dove vivono le persone e, qua e là, il guizzo di un temporale lontano. Sopra, c’erano più stelle di quante riuscisse a contarne.

Lungo il bordo del pianeta buio c’era un bagliore sottile e debole, un po’ verdastro, che stava sopra la Terra come un nastro. Si chiama luminescenza atmosferica. In alto nell’atmosfera, atomi e molecole caricati di energia dalla luce del Sole durante il giorno restituiscono lentamente quell’energia sotto forma di una luce debolissima. Da terra è quasi impossibile notarla. Dalla stazione, in una notte buia, disegna tutta la curva della Terra. Ormai Noor l’aveva vista molte volte, ma la faceva ancora fermare a guardare. Poi la stazione proseguì veloce, e poco dopo una linea luminosa d’alba comparve sul bordo del pianeta, e la notte finì fino all’orbita successiva.

Nel silenzio, Noor pensò a Sami, che probabilmente in quel preciso momento stava guidando su una strada buia. Chi lavora di notte conosce questa sensazione. Il mondo dorme, il lavoro è calmo, e la mente comincia a vagare verso le grandi domande. Prima, durante il giorno, Sami le aveva mandato un messaggio con proprio una domanda così. «Se l’universo è cominciato 13,8 miliardi di anni fa», scriveva, «dov’è il suo confine? E che cosa c’era prima che cominciasse?»

Sono tra le domande più antiche che le persone si siano poste, e tra le più difficili. La storia di stanotte parla di loro. È una storia con più porte aperte che chiuse. Vedremo che cosa possono dire gli astronomi, e saremo onesti sui punti in cui nessuno sa.

Fin dove possiamo vedere?

Cominciamo da ciò che possiamo vedere. La luce viaggia a circa 300.000 chilometri al secondo, e l’universo ha circa 13,8 miliardi di anni. Così è naturale pensare che possiamo vedere solo fino a 13,8 miliardi di anni luce in ogni direzione, perché la luce proveniente da più lontano non ha avuto il tempo di raggiungerci. Questa idea è vicina alla verità, ma le sfugge un dettaglio importante: mentre la luce viaggiava, lo spazio si stirava.

Immagina una lavoratrice che cammina su un tapis roulant in un aeroporto, con la differenza che il tapis roulant si allunga mentre lei cammina. Cammina a velocità costante, ma quando arriva in fondo, il punto da cui è partita si trova molto più indietro della distanza che ha percorso. La luce dei luoghi più lontani si comporta un po’ così. Viaggia verso di noi da quasi 13,8 miliardi di anni, ma in quel tempo lo spazio tra noi e il suo punto di partenza si è stirato enormemente.

Così i luoghi più lontani la cui luce ci ha raggiunto si trovano oggi molto più lontano di 13,8 miliardi di anni luce. Secondo le misure attuali, il bordo della regione che possiamo vedere si trova oggi a circa 46 miliardi di anni luce in ogni direzione. Gli astronomi chiamano questa regione universo osservabile: la parte dell’universo da cui la luce ha avuto il tempo di raggiungerci dall’inizio. La luce più antica, che abbiamo incontrato in una notte precedente, viene da un punto molto vicino a questo bordo.

Guardare verso questo bordo significa anche guardare indietro nel tempo. Più guardiamo lontano, prima la luce ha lasciato la sua sorgente. Le galassie più lontane che i telescopi hanno trovato si vedono com’erano quando l’universo aveva solo poche centinaia di milioni di anni. Oltre di esse c’è la luce più antica, liberata circa 380.000 anni dopo l’inizio. E oltre quella, la luce normale non può portarci, perché prima di quel momento l’universo era una nebbia luminosa che la luce non poteva attraversare. Così l’universo osservabile non è soltanto uno spazio. È anche un lungo archivio della storia, con le pagine più recenti vicine a noi e quelle più antiche più lontane.

È importante capire che cos’è questo bordo. Non è un muro, e non è la fine dell’universo. È un orizzonte, come l’orizzonte che vedi al mare. Quando sei su una spiaggia, puoi vedere l’acqua solo fino a una certa linea, ma il mare non finisce lì. La linea è soltanto il limite della tua vista. Allo stesso modo, il bordo dell’universo osservabile è il limite di ciò che possiamo vedere da dove ci troviamo. Un essere in una galassia lontana avrebbe il proprio universo osservabile, centrato su di sé.

Oltre l’orizzonte

Che cosa c’è oltre il nostro orizzonte? Quasi certamente, altro universo. Per quanto possiamo dire, sulle scale più grandi l’universo appare molto simile in ogni direzione e in ogni luogo: galassie, ammassi di galassie e i grandi filamenti e le regioni vuote della ragnatela cosmica. Non c’è alcun segno che l’universo cambi o finisca appena oltre ciò che possiamo vedere. Per questo la maggior parte degli astronomi si aspetta che oltre il nostro orizzonte ci siano altre galassie, molto simili a quelle che conosciamo.

Come fanno gli astronomi a sapere che l’universo appare uguale in ogni direzione? Contano e mappano le galassie in tutto il cielo e trovano che, sulle scale più grandi, sono distribuite in modo simile ovunque. La luce più antica ha quasi esattamente la stessa temperatura in ogni direzione, con differenze minuscole. Se la nostra parte di universo fosse speciale, per esempio vicina a un centro o a un bordo, ci aspetteremmo di vedere una differenza tra un lato del cielo e l’altro. Nessuna grande differenza di questo tipo è stata trovata.

Ma quanto altro universo? Qui arriviamo a una vera incognita. L’universo potrebbe essere estremamente grande ma comunque finito. Oppure potrebbe continuare senza fine. Entrambe le possibilità si accordano con ciò che possiamo misurare oggi. Le misure mostrano che, sulle scale più grandi che possiamo vedere, lo spazio è quasi esattamente «piatto», che è un modo per dire che non sembra curvarsi su se stesso come fa la superficie di una palla. Se si curva, la curvatura è così leggera che non riusciamo ancora a rilevarla entro il nostro orizzonte. Quindi non sappiamo se l’universo nel suo insieme sia finito o infinito, e forse non potremo mai saperlo con certezza.

Può essere un pensiero strano da tenere a mente alle tre del mattino. Ma c’è anche qualcosa di calmo in esso. Per gran parte della storia umana, le persone non sapevano che cosa ci fosse oltre la catena di montagne successiva o dall’altra parte dell’oceano. Continuavano a lavorare, a costruire e a chiedersi. Noi siamo in una posizione simile, solo su una scala molto più grande. Il nostro orizzonte è più ampio di qualsiasi orizzonte che le persone abbiano mai conosciuto, e oltre c’è ancora dell’altro.

Vale anche la pena ricordare che l’universo osservabile non è piccolo. Contiene centinaia di miliardi di galassie, forse di più, e ogni galassia può contenere centinaia di miliardi di stelle. Dentro il nostro orizzonte c’è più di quanto chiunque potrà mai studiare nei dettagli. L’ignoto che sta oltre non rende meno meraviglioso ciò che conosciamo.

Un’idea chiamata inflazione

Ora torniamo all’inizio, ai primissimi istanti. Nelle notti precedenti abbiamo seguito la storia dalle prime frazioni di secondo, attraverso i primi minuti, fino alla luce più antica. Ma ci sono alcuni enigmi sul vero inizio che il quadro di base dell’inizio caldo non spiega da solo.

Un enigma è che la luce più antica ha quasi esattamente la stessa temperatura in ogni direzione. Eppure la luce che arriva da lati opposti del cielo proviene da regioni che, nel quadro di base, non hanno mai avuto il tempo di scambiarsi calore. Come hanno fatto a diventare così simili? È un po’ come entrare in due stanze separate, alle estremità opposte di un grande edificio, e trovare che le due tazze di tè sui tavoli hanno esattamente la stessa temperatura, anche se nessuno avrebbe potuto portare il calore da una stanza all’altra. Un altro enigma è perché lo spazio sia così vicino a essere piatto.

Intorno al 1980 alcuni scienziati proposero un’idea per rispondere a questi enigmi. Si chiama inflazione. Secondo questa idea, in un minuscolo primo istante, molto meno di un secondo, lo spazio crebbe velocissimo, molto più in fretta di quanto sia cresciuto da allora. Una regione piccolissima, che aveva già raggiunto una temperatura uniforme, venne stirata fino a dimensioni enormi. Questo spiegherebbe perché parti lontane del cielo si somigliano tanto, e appianerebbe anche qualsiasi curvatura, facendo sembrare piatto lo spazio, come sembra piatta una piccola parte di un pallone enorme.

L’inflazione suggerisce anche da dove vengano le minuscole increspature nella luce più antica. Nell’idea dell’inflazione, variazioni casuali estremamente piccole, più piccole degli atomi, furono stirate fino a dimensioni enormi durante la crescita rapida. Quelle variazioni stirate diventarono le regioni un po’ più dense e un po’ più rarefatte che più tardi crebbero fino a diventare galassie. Lo schema delle increspature che i satelliti hanno misurato nella luce più antica corrisponde piuttosto bene alle previsioni dell’inflazione.

Allora l’inflazione è vera? La risposta onesta è che non lo sappiamo ancora. Alcune osservazioni si accordano con essa, e molti scienziati la considerano l’idea migliore che abbiamo. Ma non è stata dimostrata. Esistono diverse versioni dell’idea, e alcuni scienziati hanno proposto altre spiegazioni. Gli astronomi cercano nella luce più antica certi schemi deboli che l’inflazione potrebbe aver lasciato. Se li troveranno, l’idea diventerà molto più solida. Se non li troveranno, la domanda resterà aperta. Per ora l’inflazione è un’idea con un certo sostegno, non un fatto accertato.

Prima dell’inizio?

E la seconda parte della domanda di Sami: che cosa c’era prima dell’inizio? È qui che la scienza onesta deve dire con grande chiarezza: non lo sappiamo. Come abbiamo visto in una notte precedente, le nostre attuali leggi della fisica smettono di funzionare quando cerchiamo di descrivere il primissimo istante. Non abbiamo una teoria verificata che possa dirci che cosa sia accaduto in quel punto, o se ci sia stato qualcosa prima.

Molti scienziati sperano che un giorno una nuova teoria aiuti a capirlo. Oggi la fisica ha due teorie di grande successo che funzionano in campi diversi. Una è la teoria della gravità di Einstein, che descrive le stelle, le galassie e l’espansione dello spazio. L’altra descrive il mondo delle cose piccolissime, degli atomi e delle particelle al loro interno. Nel primissimo istante l’intero universo era allo stesso tempo estremamente pesante ed estremamente piccolo, quindi servirebbero entrambe le teorie insieme. Ma nessuno ha ancora trovato un modo completo e verificato per unirle. Finché qualcuno non ci riuscirà, il primissimo istante resterà fuori dalla portata della nostra conoscenza.

Potrebbe perfino darsi che la domanda stessa non abbia senso. Pensa alla domanda: «Che cosa c’è a nord del punto più a nord della Terra?» Sulla superficie della Terra il nord è una direzione, ma se stai proprio in cima al pianeta, ogni direzione è sud, e non c’è un nord più in là verso cui andare. Alcuni scienziati pensano che il tempo stesso possa essere cominciato con l’universo. Se è così, chiedersi che cosa sia accaduto «prima» dell’inizio sarebbe come chiedersi che cosa c’è a nord del punto più a nord. Non è un pensiero nuovo. Più di mille anni fa, alcuni pensatori suggerivano già che il tempo potesse essere cominciato insieme al mondo, e che non fosse qualcosa che esisteva da solo prima di esso.

Altri scienziati hanno esplorato l’idea che il nostro universo sia nato da qualcosa di precedente, forse una fase precedente o un insieme più grande. Alcune versioni dell’inflazione e di altre teorie suggeriscono che potrebbero esistere molti universi, ciascuno con il proprio inizio. Queste idee sono interessanti, e alcune sono elaborate con cura dal punto di vista matematico. Ma finora non c’è nessuna osservazione che mostri che una di esse sia vera. Sono possibilità da esplorare, non scoperte.

All’inizio molte persone trovano tutto questo scomodo. Ci piacciono le storie che cominciano con «c’era una volta» e sanno che cosa venne prima. Ma nel dire «non lo sappiamo ancora» c’è un tipo di onestà che merita rispetto. Ogni capitolo di questo libro è cominciato con cose che un tempo erano sconosciute: la distanza delle galassie, la crescita dello spazio, la luce più antica. Ognuna di quelle domande ha trovato risposta grazie a un lavoro paziente. Forse anche alcune delle domande di oggi troveranno risposta, grazie a persone che ora sono bambini o a persone che non sono ancora nate.

Un messaggio scritto di notte

I numeri sullo schermo restavano tranquilli. L’esperimento si comportava bene. Poco prima della fine del suo turno di guardia, la Terra disse a Noor che poteva tornare a dormire. Lei ringraziò, andò fluttuando alla finestra un’ultima volta e guardò le stelle sopra la Terra buia.

Poi scrisse a Sami. «Stanotte sono sveglia alla stessa ora tua», cominciò. «La tua domanda non ha una risposta completa. Possiamo vedere fino a circa 46 miliardi di anni luce in ogni direzione, perché lo spazio si è stirato mentre la luce viaggiava. Oltre, probabilmente c’è altro universo, ma nessuno sa quanto. E nessuno sa che cosa ci fosse prima dell’inizio, o se ci sia stato un prima. Guida con prudenza. Stanotte lavoriamo tutti e due al buio.»

Sami lo lesse qualche minuto dopo, parcheggiato sul ciglio di una strada deserta. Alzò lo sguardo attraverso il parabrezza. «Allora stiamo guardando tutti e due lo stesso ignoto», rispose. «Buonanotte, sorella. O buongiorno. Con te lassù non ne sono mai sicuro.»

Finito il turno di guardia, Noor si richiuse nel sacco a pelo. La stazione era ancora silenziosa. Tomás dormiva nella sua cabina, e Ade nella sua. Tra qualche ora le luci si sarebbero alzate, le sveglie degli altri avrebbero suonato e la giornata di lavoro sarebbe ricominciata. Per ora chiuse gli occhi con le domande ancora aperte, e si accorse che non le dispiaceva.

Se stai leggendo queste righe tardi, dopo un lungo turno o una lunga giornata, forse anche tu sei ancora in piedi mentre quasi tutti dormono. La notte può rendere pesanti le grandi domande. Ma possono anche sembrare una compagnia. Sotto lo stesso cielo, da migliaia di anni le persone si chiedono dove sia il confine e che cosa ci fosse prima. Stanotte sei una di loro.

Equivoci comuni

Molti pensano che l’universo abbia un confine, come un muro in fondo a una stanza, e che oltre il muro ci sia spazio vuoto o nulla del tutto. Ma nessuna osservazione ha mai mostrato un confine del genere. Il bordo dell’universo osservabile è un orizzonte, il limite della nostra vista, non la fine dell’universo. Non si conosce nessun luogo in cui le galassie finiscano e cominci un muro. Per quanto possiamo dire, l’universo non ha un confine di quel tipo.

Molti pensano anche che, poiché l’universo ha circa 13,8 miliardi di anni, possiamo vedere solo fino a 13,8 miliardi di anni luce di distanza. Sembra logico, e sarebbe vero se lo spazio non si fosse stirato. Ma poiché lo spazio si è stirato mentre la luce viaggiava, i luoghi da cui è partita la luce più lontana si trovano oggi molto più lontano. Per questo il bordo dell’universo osservabile si trova oggi a circa 46 miliardi di anni luce in ogni direzione, anche se nessuna luce ha viaggiato per più di circa 13,8 miliardi di anni.

Infine, alcuni pensano che la scienza abbia dimostrato che esistono molti universi. Forse hai visto questa idea in film o articoli, a volte presentata come se fosse un fatto noto. In realtà le idee sui molti universi sono possibilità che derivano da alcune teorie. Non sono state osservate, e al momento non ci sono prove che mostrino l’esistenza di altri universi. Restano speculazioni, interessanti ma non dimostrate. La prossima notte è l’ultima della permanenza di Noor, e ripercorreremo tutta la storia, dall’inizio fino al cielo della sera sopra casa tua.