Capitolo 8: Prima che esistessero gli atomi

Notte 84: L’esercitazione

L’allarme del giorno 84 era previsto, ma l’equipaggio non ne conosceva il minuto esatto. La Terra aveva detto soltanto che un’esercitazione di emergenza si sarebbe svolta in un momento del pomeriggio. Nient’altro. Noor era a metà di una sessione sulla bicicletta da allenamento quando il segnale risuonò in tutta la stazione, forte e costante, seguito dalla voce calma di Tomás che annunciava che si trattava di un’esercitazione.

Tutti sapevano che cosa fare, perché lo avevano provato molte volte sulla Terra. Noor sganciò le scarpe dalla bicicletta, si diede una spinta verso il punto in cui erano custodite le maschere di emergenza e se ne infilò una sul viso. Ade era già lì. Tomás lesse ad alta voce i primi passaggi della procedura di emergenza, e ciascuno rispose con la propria parte. Controllarono i valori, chiusero alcuni portelli nell’ordine giusto e si spostarono nei punti in cui sarebbero andati in una vera emergenza, vicino al veicolo spaziale che poteva riportarli a casa.

A terra osservavano e cronometravano tutto. Dopo circa un’ora l’esercitazione finì, e l’equipaggio ebbe un breve colloquio con la Terra su che cosa fosse andato bene e che cosa si potesse fare più in fretta. Un portello aveva richiesto più tempo del dovuto per chiudersi. Una pagina della lista di controllo era nell’ordine sbagliato. Queste piccole cose vennero annotate, perché si potessero sistemare prima che diventassero importanti.

Noor aveva sempre pensato che le esercitazioni fossero una delle parti più ordinarie di qualsiasi lavoro. Anche sulla Terra le persone negli uffici, nelle fabbriche, nelle scuole e negli ospedali si esercitano a lasciare l’edificio quando suona un allarme. Scendono le scale, si radunano in un parcheggio o in un cortile e aspettano mentre qualcuno le conta. Il più delle volte sembra un po’ sciocco. Ma lo scopo di un’esercitazione è rendere i passaggi giusti così familiari che, in un giorno davvero brutto, nessuno debba pensarci.

L’esercitazione fu un successo, ma quella notte tenne Noor sveglia. Non era proprio paura. Era la sensazione che il suo corpo si fosse preparato a qualcosa che non era mai arrivato. Era distesa nel sacco a pelo, legato alla parete della sua piccola cabina, e ascoltava il ronzio delle ventole. La sua mente continuava a ripercorrere la procedura, passaggio dopo passaggio. E poi, poiché alla sua mente piaceva tornare indietro, andò ancora più indietro, oltre l’esercitazione, oltre la giornata, fino alle domande a cui pensava in queste notti.

Sami le aveva scritto prima, quella sera. Le aveva fatto una domanda a cui lei non poteva rispondere in fretta: «Se continui ad andare indietro nel tempo, a prima dei primi minuti, che cosa trovi? E c’è un punto in cui nessuno sa più niente?» Era una buona domanda per una notte insonne. La risposta onesta ha due parti. Andando indietro troviamo un mondo più strano e più semplice di qualsiasi mondo conosciuto. E sì, c’è un punto in cui nessuno sa.

Andare ancora più indietro

Nella notte precedente abbiamo visto i primi minuti, quando protoni e neutroni si unirono per formare l’elio. Prima di allora l’universo era ancora più caldo, e protoni e neutroni si muovevano liberamente. Stanotte torniamo ancora più indietro. Più andiamo indietro, più tutto diventa caldo e denso. E mentre la temperatura sale, le cose che di solito consideriamo solide e permanenti cominciano a sfaldarsi.

Ecco un modo per immaginarlo. Pensa al ghiaccio in una pentola. Quando lo scaldi, diventa acqua. Scaldalo ancora, e l’acqua diventa vapore. Le molecole sono le stesse, ma a ogni temperatura si comportano in modo diverso. Ora immagina di scaldare il vapore molto oltre qualsiasi cosa possibile in una cucina. Le molecole d’acqua si spezzano in atomi di idrogeno e di ossigeno. Scaldali ancora, e gli elettroni vengono strappati via dagli atomi. Scaldali ancora di più, e perfino i nuclei si spezzano in protoni e neutroni. L’universo primordiale è passato attraverso tutte queste fasi nella direzione opposta, dalla più calda alla più fredda, mentre si espandeva e si raffreddava.

Così, se facciamo scorrere il film all’indietro dai primi minuti, arriviamo a un’epoca in cui l’universo era una zuppa densa di protoni, neutroni, elettroni e luce, tutti in movimento a velocità enormi. Ancora prima, arriviamo a un’epoca in cui non esistevano ancora nemmeno protoni e neutroni. Sono fatti di pezzi ancora più piccoli, chiamati quark. Un protone è un piccolo gruppo di tre quark, tenuti insieme da una forza così intensa che, nell’universo di oggi, i quark non si trovano mai da soli.

Gli elettroni sono diversi. Per quanto si è riusciti a misurare, un elettrone non è fatto affatto di pezzi più piccoli. Sembra essere una delle vere particelle fondamentali della natura, come i quark stessi. Così l’elenco dei mattoni più piccoli della materia ordinaria è sorprendentemente breve: due tipi di quark, che formano protoni e neutroni, e l’elettrone.

Quando l’universo era giovanissimo, era così caldo che i quark non erano chiusi dentro protoni e neutroni. Si muovevano liberamente in una specie di miscela calda e densa, insieme alle particelle che trasmettono tra loro la forza forte. Poi, quando l’universo aveva circa un milionesimo di secondo, si era raffreddato abbastanza perché i quark si riunissero in gruppi di tre. Si formarono protoni e neutroni. Da quel momento furono i mattoni che i primi minuti avrebbero usato.

Un milionesimo di secondo sembra niente. È molto più breve di un battito di ciglia. Ma nell’universo giovane, in tempi così brevi accadevano moltissime cose, perché tutto accadeva velocissimo. I fisici dicono a volte che l’universo primordiale andrebbe misurato non in secondi normali, ma in base a quanto si era raffreddato. Ogni gradino in giù della temperatura portava un nuovo tipo di ordine, mentre la zuppa si trasformava lentamente nei pezzi del nostro mondo.

Piccole gocce del calore primordiale

Come si può studiare un’epoca così breve e così calda? Parte della risposta è che gli scienziati possono ricrearne minuscole gocce sulla Terra. In grandi macchine chiamate acceleratori di particelle, i nuclei di atomi pesanti vengono accelerati quasi fino alla velocità della luce e poi fatti scontrare tra loro. Per una minuscola frazione di secondo, in uno spazio molto più piccolo di un granello di polvere, lo scontro crea temperature simili a quelle dell’universo giovanissimo.

In quelle minuscole gocce, i protoni e i neutroni degli atomi che si scontrano si fondono per un istante nei loro quark, e si forma la miscela calda. Poi, quasi subito, si raffredda e si trasforma di nuovo in particelle ordinarie, che volano verso i rivelatori disposti intorno allo scontro. Studiando ciò che ne esce, gli scienziati possono capire come si comporta quella miscela calda. In questo modo, un laboratorio al lavoro sulla Terra diventa una piccola finestra sul primo milionesimo di secondo.

Questi esperimenti hanno portato delle sorprese. Molti fisici si aspettavano che la miscela calda di quark si comportasse come un gas rarefatto. Invece si comporta piuttosto come un liquido, e un liquido che scorre quasi senza alcuna viscosità, in modo più fluido dell’acqua o di qualsiasi altro liquido sulla Terra. Questo ci dice qualcosa sull’universo giovane che nessuno avrebbe potuto indovinare soltanto ragionando. È un buon promemoria del perché gli esperimenti contano.

Queste macchine sono tra gli strumenti più grandi che le persone abbiano mai costruito. Migliaia di ingegneri, tecnici e scienziati ci lavorano, a turni, giorno e notte. Alcuni controllano i cavi. Alcuni scrivono i programmi informatici che ordinano le misure. Alcuni guardano gli schermi per tutta la notte e chiamano aiuto quando qualcosa non sembra a posto. Come la stazione, queste macchine sono fatte funzionare da molte persone che svolgono con cura lavori ordinari, e tutti insieme quei lavori arrivano fino all’inizio del tempo.

È importante essere chiari su che cosa questo significa e che cosa non significa. Le macchine non creano un nuovo universo, e in questo senso non sono pericolose. Creano, per un istante minuscolo, la stessa temperatura dell’universo primordiale, in uno spazio piccolissimo. Poiché le leggi della fisica sono le stesse qui e là, ciò che accade in quel piccolo spazio ci dice come si comportava l’universo primordiale a quella temperatura. Più cerchiamo di tornare indietro, più alta è la temperatura che servirebbe, e a un certo punto diventa molto più alta di quanto qualsiasi macchina potrebbe mai raggiungere.

Fino all’epoca in cui si formarono protoni e neutroni, e anche un po’ prima, gli scienziati sono abbastanza sicuri della storia nelle sue linee generali, perché le temperature di quelle epoche si possono verificare in questo modo. Prima di allora la storia diventa sempre meno certa. I fisici hanno ancora buone idee sulle epoche precedenti, e usano le stesse leggi fin dove quelle leggi si possono verificare. Ma più si avvicinano al vero inizio, meno solido diventa il terreno.

Le persone che trovarono le particelle allo specchio

Una delle parti più strane della storia di stanotte è l’antimateria. Sembra qualcosa uscito da un film di fantascienza, ma è reale, e la sua scoperta è un buon esempio di come a volte funziona la scienza. Intorno al 1930, un fisico stava lavorando alle equazioni che descrivono come si comportano gli elettroni quando si muovono molto velocemente. Le equazioni sembravano dire qualcosa di inatteso. Sembravano ammettere un gemello dell’elettrone, con lo stesso peso ma con la carica elettrica opposta.

All’inizio molti fisici non sapevano che cosa pensarne. Forse era solo una strana caratteristica della matematica. Poi, nel 1932, un giovane ricercatore che fotografava le tracce lasciate dalle particelle in arrivo dallo spazio vide una traccia che curvava dalla parte sbagliata. Era una particella simile a un elettrone, ma con carica positiva. Il gemello era reale. Fu chiamato positrone. In seguito gli scienziati scoprirono che ogni tipo di particella ha un gemello allo specchio di questo genere. Nell’insieme, questi gemelli si chiamano antimateria.

L’antimateria non è una storia solo per i fisici. Oggi viene prodotta nei laboratori, e alcuni ospedali la usano ogni giorno lavorativo. In un tipo di esame medico, il paziente riceve una piccola quantità, attentamente controllata, di una sostanza speciale che emette positroni all’interno del corpo. Quando un positrone incontra un elettrone comune, i due scompaiono e si trasformano in un piccolo lampo di energia, e la macchina intorno al paziente rileva quel lampo. I medici usano esami come questi per vedere come funzionano alcune parti del corpo. Da qualche parte, stanotte, un infermiere o una tecnica di turno di notte potrebbe stare preparando proprio un esame del genere.

Quella scomparsa è la chiave dell’enigma di stanotte. Quando una particella incontra il suo gemello di antimateria, entrambi svaniscono e lasciano dietro di sé solo energia. E nell’universo giovane e caldo, particelle e gemelli venivano continuamente prodotti dall’energia e distrutti di nuovo. Se ci fossero state quantità esattamente uguali di materia e di antimateria, mentre l’universo si raffreddava si sarebbero incontrate e distrutte a vicenda completamente. Non sarebbe rimasto niente, tranne la luce. Non ci sarebbero stelle, né pianeti, né persone.

Ma qualcosa rimase. Per ragioni che ancora non comprendiamo, c’era un piccolissimo eccesso di materia, più o meno una particella in più ogni miliardo di coppie. Quando il grande incontro fu finito, le coppie si erano trasformate in luce, e il piccolo eccesso rimase. Tutto ciò che vediamo oggi, ogni stella e ogni galassia, è fatto di quel minuscolo avanzo. Perché l’universo abbia prodotto un po’ più materia che antimateria è una delle grandi domande aperte della fisica. Gli scienziati cercano una risposta, ma nessuno la conosce ancora.

Dove si ferma la fisica di oggi

Ora arriviamo alla seconda parte della domanda di Sami. C’è un punto in cui nessuno sa più niente? Sì, c’è. Se continuiamo a far scorrere il film all’indietro, oltre il primo milionesimo di secondo, l’universo diventa più caldo e più denso senza alcun limite che conosciamo. A un certo punto diventa così caldo e così denso che le nostre due migliori descrizioni della natura non si accordano più.

La prima di queste descrizioni è la teoria della gravità di Einstein, che spiega come si muovono le cose grandi come pianeti, stelle e galassie e come lo spazio stesso possa stirarsi. La seconda è la teoria che spiega il mondo delle cose piccolissime, come atomi e quark, e che i fisici chiamano teoria quantistica. Ciascuna teoria funziona benissimo nel proprio campo. Ciascuna è stata verificata molte volte. Ma nel primissimo istante, quando l’intero universo era allo stesso tempo estremamente piccolo nelle sue distanze ed estremamente carico di energia, servirebbero entrambe le teorie insieme. E nessuno ha ancora trovato il modo di unirle in una sola teoria che funzioni lì.

Puoi immaginare il problema così. Immagina due ottime cartine. Una mostra l’intero paese, con le sue montagne e i suoi fiumi, ma non ha dettagli più piccoli di una città. L’altra mostra una sola strada, casa per casa, ma niente al di là. Ciascuna cartina è eccellente per il proprio scopo. Ma se devi orientarti in un luogo che è allo stesso tempo enorme e pieno di dettagli minuscoli, nessuna delle due basta da sola, e nessuno ha ancora disegnato la cartina che le unisce.

Così, nel primissimo istante, la fisica di oggi smette di funzionare. Quell’istante è così breve che non esiste una parola comune per indicarlo. È molto più breve di un milionesimo di secondo, più breve di qualsiasi cosa che un orologio potrebbe mai misurare. Che cosa sia accaduto allora, e se «allora» abbia perfino un significato, non è noto. Alcuni scienziati lavorano a nuove teorie che un giorno potrebbero descriverlo. Alcune delle loro idee sono interessanti, ma nessuna è stata ancora confermata da prove.

È importante dirlo chiaramente, perché spesso lo si dice in modo sbagliato. La teoria del Big Bang non descrive il primissimo istante. Descrive ciò che accadde dopo: come un universo giovane, caldo e denso si espanse e si raffreddò, produsse i suoi primi elementi, liberò la sua luce più antica e più tardi formò stelle e galassie. Quella parte della storia è sostenuta da molti tipi di prove. Il primo istante in sé, e qualsiasi domanda su ciò che venne prima, sono ancora al di là di ciò che sappiamo.

Non c’è niente di cui vergognarsi. Una buona cartina è onesta su dove finisce. Le vecchie carte dei marinai lasciavano a volte spazi bianchi nei luoghi non ancora esplorati. Quegli spazi bianchi non erano fallimenti. Erano inviti. Allo stesso modo, lo spazio bianco proprio all’inizio dell’universo è uno dei luoghi più interessanti di tutta la scienza, e molte persone lavorano, con pazienza, per riempirne un pezzetto.

Un messaggio per Sami

Da qualche parte sopra un oceano buio, Noor sentì finalmente arrivare il sonno. Prima che arrivasse, prese il tablet e scrisse a Sami, che ormai doveva essere in pausa: «Mi hai chiesto se c’è un punto in cui nessuno sa. C’è. Più vai indietro prima del primo milionesimo di secondo, meno le cose sono certe, e nel primissimo istante nessuno sa proprio niente. Nemmeno i migliori scienziati. Va bene non sapere.»

Sami rispose poco dopo. Disse che anche il suo responsabile non sapeva tutto, ma faceva finta di saperlo, e che gli scienziati gli piacevano di più. Noor sorrise nel buio della cabina. Poi spense il tablet e lasciò che il ronzio delle ventole la portasse nel sonno.

Certe sere, dopo il lavoro, anche la tua mente può continuare a girare, ripercorrendo una giornata ormai finita. In quelle sere c’è uno strano conforto nel ricordare che perfino l’universo ha un inizio che nessuno comprende del tutto. Non ogni domanda ha bisogno di una risposta prima del mattino. Alcune domande si possono portare con delicatezza per tutta la vita, e restare comunque una buona compagnia.

Equivoci comuni

Molti pensano che gli scienziati sappiano esattamente che cosa sia accaduto al «tempo zero», il primissimo istante dell’universo. Non lo sanno. Come abbiamo visto stanotte, le nostre migliori teorie smettono di funzionare nel primissimo istante, e nessuno ha ancora trovato una teoria che funzioni lì. Gli scienziati possono descrivere con sicurezza ciò che accadde da una minuscola frazione di secondo in poi, e diventano tanto più sicuri quanto più il momento è tardo. Ma il primo istante in sé è ancora sconosciuto, e gli scienziati onesti lo dicono.

Molti pensano anche che l’antimateria sia solo un’invenzione della fantascienza. È reale. Gli scienziati ne producono piccole quantità nei laboratori, particelle di antimateria arrivano in modo naturale dallo spazio, e alcuni esami ospedalieri la usano ogni giorno. Ciò che è vero è che l’antimateria è molto rara nell’universo di oggi, perché quasi tutta ha incontrato la materia ed è scomparsa molto tempo fa. Per questo non incontriamo mai l’antimateria nella vita di tutti i giorni, e per questo il piccolo eccesso di materia è un enigma così importante.

Infine, molti immaginano che «l’universo era molto piccolo» significhi che era un piccolo oggetto, come una palla luminosa, posato dentro uno spazio più grande e vuoto. Non è questo che intendono gli scienziati. Non c’era uno spazio esterno in cui l’universo potesse trovarsi. Quando gli scienziati dicono che l’universo era piccolo, intendono che le distanze tra tutte le cose che conteneva erano molto più brevi di oggi, e che tutto era stipato molto fittamente ed era caldissimo. L’universo non si è espanso nello spazio. È lo spazio stesso che si è stirato. Nella prossima notte andremo di nuovo avanti, verso un’epoca tranquilla e buia dopo la luce più antica, quando l’universo aspettava le sue prime stelle.