Capitolo 5: Far scorrere il film all’indietro

Notte 44: Una giornata di liste di controllo

Il quarantaquattresimo giorno di Noor trascorse quasi interamente tra le liste di controllo. Una settimana dopo, lei e Tomás sarebbero usciti dalla stazione per una passeggiata spaziale, per sostituire un componente usurato sull’esterno della struttura della stazione. Una passeggiata spaziale dura di solito sei o sette ore, e quasi ogni minuto è pianificato in anticipo. Quel giorno era dedicato alla preparazione: controllare le due tute spaziali, caricarne le batterie, provarne le radio e disporre ogni attrezzo che sarebbe servito.

Una tuta spaziale è in realtà una piccola astronave a forma di persona. Mantiene l’aria a una pressione sicura, elimina l’anidride carbonica che chi la indossa espira, tiene fresco il corpo con acqua che scorre in tubicini sottili dentro un indumento portato sotto, e protegge dalla luce violenta del Sole e dal freddo profondo dell’ombra. Noor e Tomás controllarono ogni parte con calma. I guanti venivano esaminati alla ricerca del più piccolo taglio. Le luci del casco furono provate. A ogni attrezzo fu dato un cordino corto, che si chiama cavo di sicurezza, perché niente potesse allontanarsi fluttuando nello spazio.

C’erano anche regole per il corpo. Prima di uscire, l’equipaggio avrebbe respirato ossigeno puro a lungo per eliminare parte dell’azoto dal sangue, perché la tuta funziona a una pressione più bassa di quella della stazione. Senza questo passaggio, nel corpo potrebbero formarsi delle bolle, un po’ come le bolle che compaiono quando apri una bottiglia di acqua frizzante. Le squadre a terra avevano scritto ogni passaggio di questa procedura nella lista di controllo. Tomás leggeva ogni riga ad alta voce, Noor la eseguiva e diceva «fatto», e lui passava alla riga successiva.

Nel pomeriggio indossarono le tute per una sessione di prova all’interno della stazione. Entrare in una tuta spaziale richiede molto tempo e un secondo paio di mani, così Ade aiutò prima l’uno e poi l’altra, collegando i tubi e bloccando l’anello del casco. Dentro la tuta il mondo diventava più silenzioso, e gli unici suoni erano il ronzio della ventola e le voci alla radio. Noor si esercitò a muovere le dita rigide nei guanti intorno alle impugnature degli attrezzi, e Tomás ripassò l’ordine in cui avrebbero aperto il portello, controllato i cavi di sicurezza e si sarebbero spostati all’esterno lungo i corrimano. Una voce da terra seguiva ogni passaggio, facendo domande e confermando ogni risposta. Quando finalmente si tolsero di nuovo le tute, erano entrambi sudati e affamati.

In serata entrambe le tute erano pronte, appese nella piccola stanza chiamata camera di equilibrio come due alte figure bianche. Noor si sentiva piacevolmente stanca, come ci si sente dopo una giornata di lavoro attento che non lascia spazio agli errori. Prima di dormire lesse il programma del giorno dopo e, ancora una volta, il programma della passeggiata spaziale, dalla fine all’inizio. Era stato Tomás a insegnarle questa abitudine: quando conosci una procedura in avanti, ripercorrila all’indietro, per vedere come ogni passaggio dipende da quello precedente.

Leggere la lista di controllo all’indietro le fece pensare alla storia della notte. In una notte precedente aveva detto a Sami che le galassie si stanno allontanando. Quella notte avrebbe fatto ciò che fecero poi gli astronomi: far scorrere il film all’indietro, per vedere dove porta.

Che cosa succede quando riavvolgi

Immagina di avere un film dell’universo, registrato nel corso di miliardi di anni, e di proiettarlo al contrario. Nel film in avanti, le galassie si allontanano mentre lo spazio si stira tra di loro. Nel film al contrario, si avvicinano. Più torni indietro, più si avvicinano. Gruppi di galassie che oggi sono separati da centinaia di milioni di anni luce, in un passato lontano, sarebbero stati molto più vicini ai loro vicini.

Continua a riavvolgere, e succede qualcos’altro. Le galassie stesse sono fatte di stelle, gas e polvere. Mentre il film scorre all’indietro, tutta questa materia viene compressa in uno spazio sempre più piccolo. E quando la materia viene compressa, si scalda. Lo sai da una pompa da bicicletta, che diventa calda quando pompi forte, o dal modo in cui l’aria di uno pneumatico si scalda quando lo gonfi in fretta. Nel film dell’universo al contrario, la compressione va molto oltre ciò che può fare una pompa. L’universo diventa sempre più caldo.

A un certo punto del riavvolgimento, fa troppo caldo perché possano esistere stelle e galassie. Ancora prima, fa troppo caldo perfino per gli atomi. Tutto è una miscela luminosa di minuscole particelle e di luce, molto più calda del centro del Sole. Riavvolgi il film fino a circa 13,8 miliardi di anni fa, e l’universo è così caldo e così denso che le nostre attuali leggi della fisica non riescono più a descriverlo con sicurezza. È lì che comincia il film, per come lo conosciamo.

Questo è il ragionamento di base dietro l’idea di un inizio caldo. Non si fonda sull’indovinare com’era l’inizio. Si fonda sul prendere ciò che vediamo oggi, l’espansione, e seguirlo con attenzione all’indietro usando le leggi della fisica conosciute. Ogni passaggio si può verificare. Il ragionamento prevede cose che possiamo trovare davvero oggi? Nelle prossime notti vedremo che è così. Ma negli anni successivi alla scoperta di Hubble questo non era ancora chiaro, e molti scienziati trovavano l’idea di un inizio molto scomoda.

C’è anche un limite a quanto indietro ci si può fidare del riavvolgimento. Per le temperature e le densità che gli scienziati possono creare o misurare sulla Terra, nei laboratori e nelle grandi macchine, le leggi della fisica sono ben verificate, e seguire il film all’indietro attraverso quelle condizioni è abbastanza sicuro. Oltre quelle condizioni il ragionamento diventa meno certo, e proprio all’inizio fallisce del tutto. Così la storia dell’inizio viene raccontata con la massima sicurezza per le parti che corrispondono a condizioni che possiamo verificare, e con sempre più cautela man mano che si avvicina al primo istante. Nelle notti successive incontreremo una per una ciascuna di queste fasi.

L’atomo primordiale

La prima persona a prendere sul serio il riavvolgimento fu Georges Lemaître, il sacerdote e insegnante di fisica che già nel 1927 aveva suggerito che l’universo si stesse espandendo. Nel 1931 andò oltre. Se l’universo si espande, scrisse, allora in un passato lontano doveva essere molto piccolo e denso. Propose che l’universo fosse cominciato da un unico stato estremamente denso, che chiamò «atomo primordiale». Immaginava che questo primo stato si fosse spezzato, come un atomo molto grande che si divide in pezzi più piccoli, e che da quei pezzi fosse cresciuto l’universo.

I dettagli di Lemaître non erano proprio quelli accettati oggi. Non aveva le conoscenze su particelle e atomi che arrivarono più tardi, e il suo quadro del primo stato era diverso da quello moderno. Ma la sua idea principale era quella giusta: l’universo ha una storia, e all’inizio di quella storia si trovava in uno stato molto denso, del tutto diverso da quello di oggi. Fu il primo a dire chiaramente che l’espansione rimanda a un inizio.

Vale la pena notare chi fosse Lemaître. Era un sacerdote che lavorava anche come scienziato e insegnante. All’epoca alcuni pensavano che la sua idea di un inizio potesse venire dalla sua religione. Lemaître stesso faceva attenzione a tenere separate le due cose. Vedeva l’inizio dell’universo come una questione di fisica, da giudicare in base alle prove, e non lo usava per dimostrare o smentire alcuna fede. È un buon esempio per chiunque rifletta oggi su queste domande. La scienza può descrivere come è cambiato l’universo. Le domande sul significato e sulla fede sono domande di un altro tipo, e ognuno le affronta a modo suo.

All’inizio a molti scienziati l’idea di un inizio non piaceva. Un universo che fosse sempre esistito, senza alcun punto di partenza, sembrava loro più semplice e più naturale. Altri obiettavano che l’età dell’universo calcolata dalle prime misure di Hubble era troppo breve, più breve perfino dell’età della Terra misurata dai geologi. Quel problema derivava dal fatto che le distanze di Hubble erano troppo piccole, e scomparve quando furono corrette. Ma per alcuni anni fece sembrare dubbia l’idea di un inizio.

Un universo senza inizio

Nel 1948 un gruppo di scienziati propose un’idea rivale. Accettavano che le galassie si stessero allontanando. Ma suggerivano che l’universo non avesse avuto un inizio e non avrebbe avuto una fine. Mentre le galassie si allontanano, dicevano, nello spazio vuoto tra di loro compare molto lentamente nuova materia, così lentamente che nessuno potrebbe mai rilevarla direttamente, forse un singolo atomo qua e là in periodi di tempo enormi. Da questa nuova materia si formano nuove galassie, che riempiono i vuoti. In questo quadro l’universo appare sempre uguale, in media, in ogni epoca. Fu chiamata teoria dello stato stazionario.

L’idea dello stato stazionario non era sciocca. Era ingegnosa, era elaborata con cura e faceva previsioni chiare, che è esattamente ciò che dovrebbe fare una buona idea scientifica. Ai suoi sostenitori piaceva il fatto che non avesse bisogno di un misterioso primo istante. Uno dei suoi sostenitori più noti era Fred Hoyle, un astronomo che era anche un autore di successo e un oratore vivace alla radio. Lo incontreremo di nuovo in una notte successiva, perché diede anche grandi contributi alla comprensione di come gli elementi vengono prodotti nelle stelle.

Fu proprio Hoyle a dare all’idea rivale il suo nome famoso. In un intervento alla radio nel 1949, descrisse l’idea di un inizio caldo come un «Big Bang». Molti hanno detto che intendeva quel nome come una presa in giro dell’idea che non condivideva. Hoyle stesso disse in seguito che voleva soltanto un’immagine vivace per i suoi ascoltatori. Qualunque fosse la sua intenzione, il nome rimase, e oggi è usato ovunque, anche dagli scienziati, per l’idea che lui sperava si rivelasse sbagliata.

Così, all’inizio degli anni Cinquanta, c’erano due quadri seri dell’universo. In uno, l’universo era cominciato in uno stato caldo e denso e da allora non aveva smesso di cambiare. Nell’altro, l’universo non aveva un inizio e appariva sempre uguale. Entrambi erano d’accordo con l’espansione di Hubble. Per scegliere tra i due, gli scienziati avevano bisogno di qualcosa di più: un indizio che un quadro prevedeva e l’altro no.

Guardando indietro, è facile dividere le persone di questa storia in vincitori e vinti. Ma non è così che funziona davvero la scienza. La teoria dello stato stazionario costrinse i sostenitori di un inizio caldo ad affinare le loro idee e a cercare prove con più impegno. Le domande sollevate dai suoi sostenitori portarono a lavori utili, compreso il grande lavoro dello stesso Hoyle sugli elementi. Un’idea rivale, argomentata con cura, non è un nemico. È una specie di collega che fa le domande difficili che tutti gli altri preferirebbero evitare, un po’ come quel collega che in ogni squadra chiede sempre: «Ma abbiamo controllato?»

Decidere con le prove

I due quadri facevano previsioni diverse sul passato. Nel quadro dello stato stazionario l’universo è sempre apparso uguale, quindi le galassie molto lontane, viste com’erano molto tempo fa, dovrebbero somigliare molto a quelle vicine. Nel quadro dell’inizio caldo l’universo è cambiato nel tempo, quindi l’universo lontano e primordiale dovrebbe apparire diverso dall’universo di oggi.

Una verifica arrivò dalla radioastronomia, che crebbe rapidamente dopo gli anni Quaranta. I radiotelescopi possono rilevare le galassie che emettono forti onde radio. Quando, negli anni Cinquanta e all’inizio degli anni Sessanta, i radioastronomi contarono queste sorgenti, trovarono che sembravano essercene di più lontano, cioè molto tempo fa, che vicino. L’universo del passato non appariva uguale all’universo di oggi. Era un problema per il quadro dello stato stazionario, anche se i suoi sostenitori discutevano su come interpretare i conteggi.

Nel 1963 un’altra scoperta aggravò il problema. Gli astronomi trovarono un nuovo tipo di oggetto, estremamente luminoso ed estremamente lontano, che venne chiamato quasar. Oggi sappiamo che i quasar sono i centri brillantissimi di galassie lontane, dove enormi quantità di gas cadono verso buchi neri giganti. Per la discussione contava dove venivano trovati. I quasar si vedono a grandi distanze, cioè molto tempo fa, ma vicino a noi non ci sono quasar di quel tipo. L’universo di molto tempo fa li aveva, e l’universo di oggi no. Ancora una volta, il passato appariva diverso dal presente.

Il quadro dell’inizio caldo faceva anche una previsione molto più sorprendente. Se l’universo giovane era molto caldo, doveva essere pieno di luce incandescente, come l’interno di una fornace. Mentre l’universo si espandeva e si raffreddava, quella luce non sarebbe scomparsa. Sarebbe stata stirata e indebolita, ma dovrebbe trovarsi ancora oggi ovunque nello spazio, provenendo da ogni direzione. Nel 1948 alcuni fisici previdero questa luce rimasta. Se qualcuno l’avesse trovata, il quadro dello stato stazionario avrebbe faticato molto a spiegarla.

Per più di quindici anni dopo la previsione, nessuno andò a cercarla seriamente. Gli strumenti dell’epoca non erano abbastanza sensibili, e molti scienziati non prendevano molto sul serio la previsione. Poi, nel 1965, fu trovata quasi per caso da due ingegneri che cercavano di risolvere un problema pratico con un’antenna. Quella scoperta, la luce più antica dell’universo, è la storia della prossima notte di questo libro.

Nota come fu risolta questa discussione. Non vinse chi aveva le parole più brillanti o i sostenitori più famosi. Fu risolta perché le due idee facevano previsioni diverse, e qualcuno andò a misurare. È forse la lezione più importante di tutta la storia dell’inizio. La scienza non è una gara di opinioni. È un modo per lasciare che sia l’universo stesso a decidere.

Prima di dormire

Noor scrisse a Sami prima di spegnere la luce. «La storia di stanotte: se le galassie si allontanano adesso, in passato erano più vicine, e ancora più indietro tutto era compresso insieme e caldissimo. Un sacerdote che insegnava fisica chiamò il primo stato atomo primordiale. Un’idea rivale diceva che l’universo non aveva avuto nessun inizio. Il nome Big Bang lo diede un uomo che non ci credeva. La discussione fu risolta dalle prove, e te ne parlerò la prossima volta.»

Sami rispose durante la pausa di quella notte. Raccontò che nel suo deposito, quando qualcosa andava storto con una consegna, gli autisti discutevano sempre su chi avesse la colpa, e il responsabile diceva sempre la stessa cosa: «Smettetela di discutere e controllate il tracciamento.» Pensava che gli astronomi avessero fatto la stessa cosa. Noor sorrise e fu d’accordo. Poi ripensò alla passeggiata spaziale, e a quanto dipenda, in qualsiasi lavoro, dal controllare invece di dare per scontato.

Prima che si addormentasse, Tomás bussò piano alla parete della sua cabina per darle la buonanotte. Le raccontò di aver lavorato una volta con un ingegnere che diceva sempre che una lista di controllo è una conversazione con tutte le persone che hanno sbagliato prima di te. A Noor piacque. In un certo senso, pensò, tutta la storia della scienza era una lista di controllo di quel tipo, scritta da persone che avevano sbagliato, se ne erano accorte e avevano trasmesso ciò che avevano imparato.

Se stasera hai un minuto, pensa a qualcosa della tua giornata di lavoro che hai capito meglio ripercorrendolo all’indietro: un errore che hai ricondotto alla sua causa, un lavoro che hai pianificato partendo dalla fine. Quel modo di pensare è esattamente ciò che gli astronomi hanno fatto con l’universo. Hanno preso l’espansione che potevano vedere oggi e si sono chiesti, con pazienza, che cosa dovesse esserci stato prima.

Equivoci comuni

Molti immaginano che l’universo sia cominciato come un puntino minuscolo che fluttuava in un vasto spazio vuoto, come un punto luminoso al centro di una stanza buia, e che poi sia cresciuto verso l’esterno fino a riempire la stanza. Non è questo che dice l’idea di un inizio caldo. Per quanto possiamo dire, non c’era nessuna stanza. Non c’era uno spazio vuoto al di fuori dell’universo primordiale, in attesa di essere riempito. L’universo primordiale era caldo e denso ovunque, e da allora è lo spazio stesso che continua a stirarsi. Se oggi l’universo è infinito, come potrebbe essere, probabilmente era infinito anche allora, solo molto più denso. Ciò che era molto piccolo era la parte che da allora è diventata l’universo che possiamo vedere.

Molti prendono anche il nome Big Bang alla lettera e immaginano una forte esplosione con un centro e un suono. Ma non ci fu nessuno scoppio nel senso comune. Il suono ha bisogno dell’aria o di un altro materiale in cui viaggiare, e non c’era nessun ascoltatore né alcun «fuori» da cui sentirlo. Non c’era nemmeno un centro, come ha mostrato nella notte precedente l’uvetta nel pane che lievita. Il nome nacque da un intervento alla radio di un uomo che preferiva un’altra idea. È un’etichetta utile, e la usiamo in questo libro, ma descrive l’inizio più o meno quanto un soprannome descrive una persona.

Un terzo equivoco comune è che la teoria del Big Bang spieghi che cosa abbia causato l’inizio dell’universo. Non lo spiega. La teoria descrive come l’universo è cambiato da uno stato primordiale molto caldo e denso fino all’universo che vediamo oggi, e lo descrive molto bene. Ma sul primissimo istante, e su ciò che venne prima, se qualcosa venne prima, la teoria non dice niente di affidabile. Le nostre attuali leggi della fisica smettono di funzionare quando cerchiamo di applicarle lì. Gli scienziati dicono onestamente che questa parte non è ancora nota. Ciò che possono verificare è ciò che accadde dopo, e la prima grande verifica arrivò nel 1965, da un debole fruscio in un’antenna, ed è da lì che comincia la storia della prossima notte.