All’improvviso l’universo ebbe una storia da raccontare

Oggi è il cinquecentoquarantesimo anniversario della nascita di Niccolò Copernico (e, in proposito, vi consigliamo questo bell’articolo del Post). Abbiamo pensato di celebrare la ricorrenza in modo speciale: qui di seguito, un estratto da Il 4% dell’universo. La scoperta della materia e dell’energia oscura di Richard Panek.

 

«All’inizio –vale a dire nel 1965– l’universo era semplice. Nacque in un giorno dei primi mesi di quell’anno, intorno all’ora di pranzo, durante una conversazione telefonica. Jim Peebles era nello studio del suo mentore e collaboratore, il fisico di Princeton Robert Dicke, insieme a due colleghi. Il telefono squillò e Dicke rispose alla chiamata. Dicke svolgeva un’attività autonoma per un’azienda che si occupava di ricerca ed era detentore di decine di brevetti. A volte, durante gli incontri con i colleghi, riceveva telefonate piene di termini esoterici e tecnici che a Peebles erano del tutto ignoti. Questa telefonata, tuttavia, conteneva termini esoterici e tecnici che Peebles conosceva benissimo, concetti che i quattro fisici avevano discusso proprio quel giorno, mentre, come erano soliti fare ogni settimana, mangiavano il pranzo portato da casa nello studio di Dicke. Carico a bassa potenza, per esempio: un metodo per calibrare l’antenna a tromba –un altro termine colto da Peebles– che intendevano usare per il rilevamento di uno specifico segnale proveniente dallo spazio. I tre fisici si zittirono e guardarono Dicke. Dicke ringraziò l’interlocutore e riattaccò, poi si rivolse ai colleghi e disse: «Bene, ragazzi, ci hanno preceduto».
La telefonata era di un astronomo dei Bell Telephone Laboratories che aveva ottenuto strani dati, ma che non aveva idea del loro significato. Peebles e Dicke avevano elaborato un’idea singolare, ma non avevano dati per darle significato. Gli altri due fisici che partecipavano al pranzo erano impegnati nella costruzione di un’antenna capace di rivelare il segnale che avrebbe dato significato alla loro idea; ma ora, riferì Dicke, due astronomi dei Bell Labs lo avevano probabilmente individuato per primi, e senza neppure sapere che cosa avevano fatto.
Tuttavia l’atmosfera nello studio di Dicke non era di scoraggiamento o delusione. Se erano stati effettivamente preceduti, la correttezza della loro ipotesi veniva comunque confermata. Se il loro informatore aveva ragione, allora anch’essi avevano ragione, o almeno stavano puntando in una direzione potenzialmente fruttuosa dal punto di vista scientifico. Quanto meno, potevano consolarsi pensando che con buona probabilità erano i primi nella storia del mondo a capire la storia dell’universo.
Ma prima avrebbero dovuto verificare i dati personalmente.

Dicke e gli altri due fisici di Princeton partirono in automobile per Holmdel Township, nel New Jersey, sede del centro ricerche dei Bell Labs, che distava solo una cinquantina di chilometri. Gli astronomi dei Bell Labs –Arno Penzias, colui che aveva telefonato a Dicke, e il suo collaboratore Robert Wilson– li portarono a vedere l’antenna. Era uno strumento a forma di tromba, grande quanto un carro merci, posto a lato di una strada privata alla sommità di Crawford Hill, il punto più alto nel raggio di molti chilometri. Dopo che tutti e cinque si furono ammassati nella cabina di controllo, sfiorando con i gomiti tubi a vuoto e pannelli di strumenti, gli astronomi dei Bell Labs spiegarono la fisica ai fisici.
L’antenna era stata costruita nel 1960 per ricevere da una costa all’altra i segnali riflessi dal satellite per comunicazioni Echo, un pallone aerostatico altamente riflettente del diametro di circa trenta metri. Al termine della missione Echo, l’antenna fu usata con il satellite Telstar.
Quando anche quella missione terminò, Penzias e Wilson monopolizzarono l’antenna per lo studio delle onde radio provenienti dalle regioni più periferiche della Via Lattea. Per questo scopo le misurazioni dovevano essere molto più sensibili di quanto fosse necessario con un satellite per comunicazioni come Echo; dunque Penzias aveva costruito uno strumento a bassa potenza per l’emissione di uno specifico segnale che lui e Wilson intendevano confrontare con le misurazioni dell’antenna, per accertarsi che non captasse rumore in eccesso. E lo strumento funzionava, anche se non nel modo sperato: a parte l’inevitabile tambureggiamento prodotto dagli elettroni nell’atmosfera e nello strumento stesso, Penzias e Wilson ricevevano un sibilo persistente e inspiegabile.
Per buona parte dell’anno precedente avevano cercato di determinare la fonte del rumore. Puntarono l’antenna verso la città di New York, che si trovava a meno di ottanta chilometri di distanza. La statica radio era trascurabile. Puntarono l’antenna verso ogni altro sito all’orizzonte. Stesso risultato. Controllarono il segnale stellare per verificare che non differisse da quello che avevano previsto nei calcoli. Nulla. Quella primavera avevano concentrato le loro attenzioni sull’antenna stessa. Avevano coperto con nastro adesivo i chiodini di alluminio dell’antenna –nulla– smontato e rimontato il corpo della tromba –nulla– e persino ripulito gli escrementi di una coppia di colombi che avevano deciso di mettere su casa nell’interno della tromba (catturarono i colombi e li spedirono alla sede dei Bell Labs a Whippany, nel New Jersey, a oltre sessantacinque chilometri di distanza; ma gli uccelli si rivelarono colombi viaggiatori, e nel giro di qualche giorno tornarono nell’antenna). Ancora nulla: nulla tranne il rumore.

I cinque scienziati si rifugiarono in una sala conferenze a Crawford Hill, e a questo punto toccò ai fisici spiegare l’astronomia agli astronomi. Dicke cominciò a scrivere alla lavagna. Ammettendo che la teoria del Big Bang sia un’interpretazione corretta della storia dell’universo, spiegò, allora il cosmo ebbe origine da un’esplosione di energia inimmaginabilmente condensata e assurdamente calda. Tutto ciò che è mai esistito ed esisterà nell’universo era già presente in quel momento, espandendosi a velocità elevatissima su un’onda d’urto dello spazio stesso; e l’espansione continuò fino a dar luogo al cosmo che osserviamo oggi. Nell’espandersi, l’universo si raffreddò. Un membro del loro gruppo di ricerca –quello che non era presente– aveva calcolato quale dovesse essere il livello di energia iniziale e quello attuale, dopo miliardi di anni di espansione e raffreddamento. Quell’energia residua –presumendo che esista, presumendo che la teoria del Big Bang sia corretta– dovrebbe essere misurabile. E ora, a quanto pareva, Penzias e Wilson l’avevano misurata. La loro antenna captava un’eco, certo, ma questa volta la sorgente non era una trasmissione radio sulla West Coast. Era la nascita dell’universo.

Penzias e Wilson ascoltarono educatamente. Anche Dicke non credeva a ciò che stava dicendo; non ancora. Avendo verificato che l’esperimento di Penzias e Wilson era credibile, insieme agli altri due fisici di Princeton tornò all’università e raccontò a Peebles ciò che avevano appreso. Anche Peebles non credette fino in fondo a ciò che udiva. Fu prudente, ma la prudenza era una sua caratteristica.
I quattro collaboratori concordarono sul fatto che i risultati scientifici richiedono una validazione, una seconda opinione: in questo caso, la loro. Decisero dunque di completare l’antenna sul tetto della Guyot Hall di Princeton per vedere se avrebbe fornito gli stessi risultati di quella ai Bell Labs. E, anche se così fosse stato, avrebbero dovuto ancora procedere con cautela.

In fondo, non è cosa di tutti i giorni poter dire di essere testimoni della nascita di un universo.
La scrittrice americana Flannery O’Connor disse che ogni storia ha «un inizio, una parte centrale e un finale, anche se non necessariamente in quest’ordine». Negli anni sessanta gli scienziati che si proponevano di raccontare la storia dell’universo –i cosmologi, per definizione– potevano tranquillamente presumere di essere in possesso della parte centrale della narrazione. Avevano la versione aggiornata di uno dei principali protagonisti nella storia della civiltà: l’universo, in questo caso in espansione. Ora potevano chiedersi: come ha fatto il nostro eroe ad arrivare a questo punto?
La capacità di narrare una storia è, a quanto ne sappiamo, un tratto peculiare della nostra specie, perché la nostra specie è, a quanto ne sappiamo, l’unica dotata di autocoscienza. Vediamo noi stessi. Non solo esistiamo, ma pensiamo alla nostra esistenza. Consideriamo noi stessi come inseriti in un contesto o, come direbbe un narratore, in una scena: un luogo e un tempo. Vedere voi stessi come esistenti in un luogo specifico e in un particolare momento significa affermare che siete esistiti e che esisterete in altri luoghi e in altri momenti. Sapete di essere nati. Vi chiedete che cosa accadrà alla vostra morte.
Ma voi stessi e la vostra sorte non sono le sole cose che conoscete e su cui vi ponete domande. Nel fare una passeggiata, guardate le stelle e, dato che state passeggiando e guardando le stelle, vi rendete conto che siete entrati in una storia già cominciata. Vi chiedete come siete arrivati qui. La risposta che vi date potrebbe basarsi su luce e oscurità, acqua e fuoco, sperma o uovo, dèi o Dio, tartarughe, alberi, trote. E quando siete giunti a una risposta abbastanza soddisfacente, vi chiedete naturalmente come tutto ciò –e voi con esso– finirà. Con un’esplosione? Un sospiro? In paradiso? Nel nulla?
Questi interrogativi potrebbero apparire estranei all’ambito della fisica e, prima del 1965, la maggior parte degli scienziati riteneva che la cosmologia non fosse altro che metafisica. La cosmologia era il luogo dove i vecchi astronomi andavano a morire. Era più filosofia che fisica, più speculazione che indagine. Il quarto membro del gruppo di Princeton –quello che non era andato ai Bell Labs– si sarebbe autoincluso nella categoria degli scettici.
Phillip James E. Peebles –Jim per chiunque– era tutto spigoli. Alto e sottile, si presentava al mondo con i gomiti e le ginocchia. Spalancava le braccia, come a includere tutte le possibilità, e poi le stringeva intorno alle gambe, come per racchiudere energia e concentrazione: una gestualità tutt’altro che fuori luogo in un uomo dalle propensioni conflittuali, come lo stesso Jim Peebles si considerava. Politicamente si definiva “un appassionato liberale”, ma dal punto di vista scientifico era “molto conservatore”, addirittura “reazionario”.
Aveva appreso dal suo mentore, Bob Dicke, che una teoria può essere speculativa quanto si vuole ma, se non conduce a un esperimento, a che cosa serve? In un’occasione (prima di capire quanto l’idea fosse velleitaria) Peebles aveva espresso l’intenzione di cercare di riconciliare le due grandi teorie fisiche del ventesimo secolo, la relatività generale e la meccanica quantistica. «Vai a prendere il premio Nobel –gli aveva risposto Dicke– e poi torna qui a fare fisica sul serio».
La cosmologia, per Peebles, non era fisica sul serio. Era un ritorno a ciò che veniva chiamato scienza nei due millenni prima che esistessero gli scienziati e la scienza nell’accezione attuale. Gli antichi astronomi chiamavano il loro metodo “salvare l’apparenza”; gli scienziati moderni potrebbero definirlo “fare del proprio meglio in circostanze impossibili”. Quando Platone sfidò i propri studenti, nel quarto secolo a.C., a descrivere i moti dei corpi celesti per mezzo della geometria, non si aspettava che le loro soluzioni rappresentassero ciò che accadeva realmente nei cieli. Quella conoscenza era preclusa in quanto inattingibile; non era possibile salire in cielo e osservare come andassero le cose. Ciò che Platone voleva, invece, era un’approssimazione della conoscenza. Voleva che i suoi studenti cercassero strumenti matematici tali da descrivere non i fatti, ma l’apparenza.
Uno degli studenti, Eudosso, trovò una soluzione che, in una forma o nell’altra, sarebbe sopravvissuta per duemila anni. Con un’astrazione matematica, immaginò i cieli come una serie di sfere trasparenti, concentriche, inserite l’una nell’altra. Alcune di esse erano solidali ai corpi celesti. Altre interagivano con quelle sfere ritardandone o accelerandone il moto, per spiegare la riduzione e l’aumento apparenti della velocità di tutti i corpi celesti nel corso dell’orbita. Eudosso assegnò al Sole e alla Luna tre sfere ciascuno. A ognuno dei cinque pianeti (Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno) attribuì una sfera in più per giustificare le brevi inversioni apparenti del moto che essi compiono rispetto alle stelle di fondo, spostandosi in senso ovest-est da una notte alla successiva anziché in senso est-ovest1. Infine aggiunse una sfera per le stelle fisse. In totale il suo sistema comprendeva ventisette sfere.

Un altro studente di Platone, Aristotele, introdusse alcune modifiche. Il suo presupposto era che le sfere non fossero semplicemente costrutti matematici, ma avessero realtà fisica; per descrivere la meccanica di un simile sistema di incastri, aggiunse un certo numero di sfere che ruotavano in senso opposto alle altre. Il totale a cui arrivò: cinquantasei. Verso il 150 d.C. Tolomeo di Alessandria si assunse il compito di riassumere e semplificare lo scibile astronomico esistente, e vi riuscì: il suo cielo notturno includeva solo quaranta sfere. Il modello matematico non descriveva ancora perfettamente l’apparenza, ma era una ragionevole approssimazione; tanto che in seguito non fu più migliorato.
Oggi, la pubblicazione, nel 1543, del De revolutionibus orbium coelestium, opera dell’astronomo polacco Niccolò Copernico, è l’emblema dell’invenzione di un nuovo universo: la rivoluzione copernicana. É diventata un simbolo di sfida alle dottrine ecclesiastiche. Eppure fu la Chiesa stessa che invitò Copernico a escogitare un nuovo sistema matematico per descrivere i moti celesti, e lo fece per una ragione molto sensata: bisognava salvare di nuovo l’apparenza.
Nel corso dei secoli, le lievi discrepanze del modello tolemaico –i punti nei quali la matematica non coincideva con i moti reali– avevano portato a un graduale slittamento del calendario, tanto che stagioni e festività religiose cadevano ormai a settimane di distanza rispetto alle date tradizionali. Il lavoro di Copernico consentì alla Chiesa di promulgare nel 1582 la riforma del calendario, che includeva gli strumenti matematici dello scienziato polacco, ma non il concetto di universo eliocentrico. Come gli antichi, Copernico non propose un nuovo universo né dal punto di vista fisico né da quello filosofico; formulò semplicemente un nuovo modo per “salvare l’apparenza” dell’universo esistente. I moti cosmici reali, tuttavia, erano inattingibili, come erano sempre stati e sarebbero sempre stati.

Invece non fu così. Nel 1609 un matematico, Galileo Galilei, riuscì a ottenere nuovi dati sull’universo grazie all’invenzione di un primitivo telescopio. «Guardate» disse, mentre conduceva i senatori veneziani su per gli scalini del campanile di piazza San Marco nell’agosto 1609, per mostrare loro quale vantaggio producesse l’inserimento di una coppia di lenti in un tubo: poter vedere più lontano. «Guardate», disse solo sei mesi più tardi, nel suo opuscolo Sidereus Nuncius, o “messaggero celeste”, esponendo un nuovo concetto: vedere più lontano non significa vedere meglio le stesse cose –le vele di un’armata nemica o di una flottiglia di mercanti rivali– ma vedere più cose. Quell’autunno, Galileo aveva puntato il suo “occhiale” verso il cielo notturno e aveva iniziato una lunga serie di scoperte di oggetti celesti che mai nessuno aveva visto prima di lui: i monti della Luna, centinaia di stelle, le macchie solari, i satelliti di Giove, le fasi di Venere. L’invenzione del telescopio –il primo strumento della storia ad amplificare le capacità di uno degli organi di senso umani– cambiò non solo la distanza o la nitidezza con le quali era possibile scrutare lo spazio. Cambiò la nostra conoscenza di ciò che esisteva nello spazio. Cambiò l’apparenza.
Vedere più lontano avrebbe potuto non tradursi nel vedere più cose. Il cielo notturno avrebbe potuto non contenere oggetti che non fossero già visibili a occhio nudo. L’invenzione del telescopio avrebbe potuto lasciare intatta l’antica concezione dell’universo. Continuava a essere impossibile raggiungere i cieli e vedere personalmente come funzionassero. Ora, però, si poteva esaminarli in dettaglio sufficiente per scoprire non solo l’apparenza, ma i fatti.

Ecco dunque le evidenze che rovesciavano le antiche concezioni sui corpi celesti: che fossero sfere perfette e che i loro moti fossero uniformi e seguissero orbite circolari. Ecco le evidenze che sostanziavano i punti essenziali della matematica di Copernico: che la Terra è un pianeta, che essa e tutti gli altri pianeti orbitano intorno al Sole e che il Sole e tutti i suoi pianeti con i loro satelliti e gli asteroidi orbitano intorno al rigonfiamento centrale della Via Lattea.
Ma, cosa altrettanto importante, ecco le evidenze: lo strumento del metodo scientifico. Osservazioni che chiunque, con strumenti e istruzioni adeguate, poteva compiere e ripetere a suo piacimento. Queste osservazioni non richiedevano decine di sfere, ma una manciata di leggi. Non producevano approssimazioni su carta, ma previsioni da verificare con ulteriori osservazioni. Nel 1687 il matematico inglese Isaac Newton pubblicò Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ossia “I principi matematici della filosofia naturale”. In quest’opera affermava che il funzionamento della gravità può essere descritto da un semplice formula, valida sia in cielo sia in terra. Nel 1705 il suo amico e sostenitore Edmond Halley applicò la legge di Newton a precedenti osservazioni di comete che erano apparse nel 1532, nel 1607 e nel 1682, formulando la previsione che si riferissero tutte a una sola cometa il cui ritorno sarebbe avvenuto nel 1758, molto tempo dopo la morte dello scienziato. E la previsione si avverò. La matematica non avrebbe più dovuto adattarsi ai moti celesti. Ora erano i cieli che dovevano rispettare la matematica. Prendete la legge di Newton della gravitazione universale, applicatela alle osservazioni sempre più precise che è possibile effettuare con il telescopio e avrete un universo ordinato e prevedibile e, nel suo insieme, immutabile: un cosmo che funziona, secondo la metafora più frequentemente usata, come un orologio.
Negli oltre tre secoli e mezzo trascorsi dalla salita di Galileo sul campanile di San Marco alla telefonata da Crawford Hill, il catalogo del contenuto dell’universo si è ampliato a ogni perfezionamento del telescopio: più satelliti intorno ai pianeti; più pianeti intorno al Sole; più stelle. All’inizio del ventesimo secolo gli astronomi avevano stabilito che tutte le stelle che vediamo nel cielo notturno, a occhio nudo o con uno strumento, fanno parte di un grande agglomerato, composto da decine di miliardi di stelle, che da tempo immemorabile è denominato Via Lattea perché sembra scorrere attraverso la volta celeste. Ma esistono altri grandi agglomerati, ognuno composto da decine di miliardi di stelle, al di fuori della Via Lattea? Una semplice estrapolazione della serie di scoperte già compiute suggeriva questa possibilità. E gli astronomi avevano un buon candidato a questo ruolo, una classe di oggetti celesti che avrebbero potuto definirsi universi-isola.

Nel 1781 l’astronomo francese Charles Messier aveva pubblicato un catalogo di 103 nebulose celesti: oggetti dai contorni indefiniti che potevano trarre in inganno gli scienziati in cerca di comete. Si sapeva già che molte di queste 103 nebulose erano aggregati di stelle. Le altre rimanevano misteriose, anche se il loro numero cresceva con il miglioramento della qualità dei telescopi. Forse questi oggetti indistinti erano nubi di gas che stavano condensando per formare nuove stelle nel nostro sistema? Oppure erano grandi agglomerati composti da decine di miliardi di stelle, distinti dal nostro grande agglomerato, ma di dimensioni confrontabili? La comunità astronomica si divise su questo problema e nel 1929 due eminenti astronomi condussero il cosiddetto grande dibattito presso il National Museum of Natural History di Washington, per presentare i pro e i contro di ciascuna delle due argomentazioni.
Tre anni dopo l’astronomo americano Edwin Hubble riuscì a fare ciò che un dibattito da solo non avrebbe potuto: risolse il problema servendosi di prove empiriche. Nel 1923 iniziò a fotografare la grande nebulosa di Andromeda, o M31 nel catalogo di Messier, usando il nuovo telescopio da cento pollici di Mount Wilson, sulle colline presso Pasadena. Hubble sperava di individuare una variabile cefeide, un tipo di stella che, come indica il nome, presenta oscillazioni di luminosità: diventa più brillante o più fioca pulsando con andamento regolare. Nel 1908 l’astronomo di Harvard Henrietta Swan Leavitt aveva scoperto una relazione ben definita tra periodo della pulsazione e luminosità. Gli astronomi potevano ora combinarla con un’altra relazione ben definita, quella tra luminosità e distanza: una sorgente di luce che si trova a una distanza doppia rispetto a un’altra ugualmente brillante sembra avere una luminosità pari a un quarto di quella della sorgente più vicina; una sorgente di luce che si trova a una distanza tripla sembra avere una luminosità pari a un nono; una sorgente di luce a una distanza quadrupla sembra avere una luminosità pari a un sedicesimo, e così via. Perciò, se si conosce il periodo di pulsazione di una variabile cefeide, se ne può ricavare la luminosità e, da questo dato, risalire alla distanza. A Hubble bastava individuarne una.
Vi riuscì il 5 ottobre 1923. Sulla lastra fotografica H335H trovò una stella di M31 che, nel confronto con le lastre precedenti, talvolta era visibile e talvolta non lo era. In inchiostro rosso brillante, contrassegnò la stella con una freccia, insieme a un gioioso «VAR!». Un esame più approfondito lo portò a concludere che M31 era sufficientemente lontana da trovarsi all’esterno della Via Lattea. La proclamò quindi universo-isola e, così facendo, aggiunse al canone cosmico un ulteriore più: le galassie.
L’universo a orologeria di Newton cominciò a entrare in crisi nel 1929. Dopo l’impresa della stella “VAR!”, Hubble aveva continuato a indagare gli universi-isola, concentrandosi in particolare su alcune misurazioni inspiegabili che gli astronomi andavano compiendo da oltre un decennio. Nel 1912 lo statunitense Vesto Slipher aveva iniziato a esaminare le nebulose con uno spettrografo, uno strumento che separa le lunghezze d’onda della luce emessa da una sorgente. Esattamente come accade alle onde sonore del fischio di un treno che sta entrando o uscendo da una stazione, le onde luminose vengono compresse o allungate a seconda che la loro sorgente stia avvicinandosi o allontanandosi. Quando si avvicina, le onde risultano compresse; quando si allontana, si allungano. La velocità della luce non varia: rimane sempre pari a 299.792 chilometri al secondo. Ciò che cambia con lo spostamento della sorgente è la lunghezza d’onda della luce emessa. Se la sorgente si avvicina, lo spettrometro mostra uno spostamento dell’emissione verso l’estremità blu dello spettro; viceversa, se si allontana, lo spettrometro mostra uno spostamento verso l’estremità rossa dello spettro. Con l’aumentare della velocità della sorgente, in avvicinamento o in allontanamento, aumenta anche l’entità dello spostamento verso il blu o verso il rosso: quanto maggiore è la velocità, tanto più grande è lo spostamento. Slipher e altri astronomi avevano dimostrato che alcune nebulose presentano significativi spostamenti verso il rosso (redshift), e ciò faceva pensare che si stessero allontanando a grande velocità. Avendo ormai accertato che queste nebulose sono galassie, Hubble si chiese quale potesse essere il significato di questi moti. Lo scoprì quando confrontò velocità e distanza di diciotto nebulose e vide che le due misure sembravano essere legate da una proporzionalità diretta: quanto più lontana era una galassia, tanto più veloce appariva il suo allontanamento. In altri termini, sembrava che l’universo si stesse espandendo.
All’improvviso l’universo ebbe una storia da raccontare. Anziché essere una natura morta, maestosa ma eternamente immutabile, era in grado di cambiare nel tempo, come in un film (sebbene proiettato a velocià così bassa da rendere impercettibile il mutamento). Tuttavia, ora la storia aveva non solo una parte centrale –l’universo attuale, pieno di galassie in reciproco allontanamento– ma anche un abbozzo di inizio.
Esattamente –esattamente– a questo punto, almeno nell’opinione di un uomo filosoficamente prudente come Jim Peebles, la cosmologia si staccò dalla scienza, passando dalla matematica alla mitologia. É impossibile sapere come ebbe inizio l’universo, perché le evidenze sono inattingibili, esattamente come lo erano state per Aristotele, Tolomeo e Copernico. Non si può tornare nel passato e documentarlo. Tutto ciò che si può fare è osservare i fenomeni attuali –il redshift delle galassie– e cercare uno strumento matematico che li descriva. Tutto ciò che si può fare è cercare di salvare l’apparenza, se è questo che si vuole dalla scienza.
Lo stesso Hubble, essendo un osservatore che raccoglieva prove e lasciava le teorie ai teorici, preferì non pronunciarsi sul problema se l’espansione dell’universo fosse reale o se si trattasse solo di una correlazione apparente, interpretabile in altro modo. Ma alcuni teorici non seppero resistere alla sfida di riavvolgere il film. Il sacerdote belga Georges Lemaître, fisico e astronomo, immaginò di vedere l’espansione svolgersi al contrario, con l’universo che riduceva sempre più le proprie dimensioni e le galassie che si avvicinavano a velocità crescente, fino a che la materia in caduta raggiungeva uno stato da lui chiamato atomo primevo e che altri astronomi battezzarono singolarità: un abisso di densità infinita e di massa ed energia incalcolabili.
Ma termini come infinito e incalcolabile non servono granché a matematici, fisici e altri scienziati. «L’illimitata ripetibilità di tutti gli esperimenti è l’assioma fondamentale della scienza fisica»: così scrissero Hermann Bondi e Thomas Gold, due studiosi di origine austriaca trasferitisi in Gran Bretagna, nella prima riga di un articolo che presentarono per la pubblicazione nel luglio 1948, nel quale delineavano un’alternativa alla teoria di Lemaître. Il mese successivo il loro amico Fred Hoyle, astronomo britannico, presentò una propria variazione sul tema. Anziché un Big Bang –il termine che Hoyle applicò, in una trasmissione radio della BBC nel marzo 1949, all’idea di un universo che si espande a partire da un punto nel tempo e nello spazio– o, come scrisse nel suo lavoro, «cause ignote alla scienza», essi postularono uno «stato stazionario». Attraverso «una creazione continua di materia» scrisse Hoyle «si può ritenere possibile ottenere un universo in espansione nel quale la densità nota della materia rimanga costante».

Nel corso della storia del cosmo, anche la creazione di quantità infinitesime di materia potrebbe cumulativamente diventare significativa. Un simile universo non avrebbe un inizio o una fine; si limiterebbe a esistere.
A molti astronomi, tuttavia, la creazione continua non apparve più attraente della singolarità. Sia la teoria del Big Bang sia quella dello stato stazionario sembravano richiedere un atto di fede e, dato che la fede non rientra nel metodo scientifico, la questione rimase ferma a questo punto.
Ma se ci fossero state prove a favore dell’una o dell’altra teoria? Jim Peebles arrivò a Princeton come specializzando nel 1958, dopo aver conseguito il diploma all’università del Manitoba. Qui era stato il miglior studente in fisica e aveva conseguito riconoscimenti accademici a raffica. A Princeton rimase sconvolto rendendosi conto di quanta fisica non conoscesse. Trascorse il primo anno cercando di recuperare, e un giorno alcuni amici lo invitarono a una delle riunioni che Bob Dicke teneva quasi tutti i venerdì sera nel sottotetto del Palmer Physical Laboratory. Il Gravity Group era un consesso informale di una decina fra laureandi, laureati, specializzati e membri più anziani del corpo docente: i “Dicke birds”, come si autodefinivano. Peebles ci andò, e tornò altre volte. Cominciò a capire che qui, in un ambiente a volte soffocante e a orari scomodi, poteva davvero completare la sua istruzione: mangiando pizza, bevendo birra e chiedendosi come riportare in auge la relatività generale.
La teoria generale della relatività risaliva a quasi mezzo secolo prima, ma da decenni non dava un contributo attivo alla fisica. Einstein era pervenuto alle equazioni della relatività generale alla fine del 1915. Mentre Newton aveva immaginato la gravità come una forza che agisce attraverso lo spazio, nelle equazioni di Einstein essa diventava una proprietà appartenente allo spazio. Nella fisica di Newton lo spazio era passivo, un semplice veicolo per una forza misteriosa che si esercita tra le masse. Nella fisica di Einstein lo spazio aveva un ruolo attivo e cooperava con la massa per produrre quelli che percepiamo come effetti gravitazionali. Il fisico di Princeton John Archibald Wheeler diede forse la definizione più concisa di questa mutua dipendenza: «La materia dice allo spazio come curvarsi. Lo spazio dice alla materia come muoversi». A tutti gli effetti Einstein aveva reinventato la fisica. Eppure nel 1940 Dicke aveva chiesto a uno dei suoi docenti all’università di Rochester perché la relatività generale non fosse inclusa nel programma del corso di specializzazione in fisica e si era sentito rispondere che tra le due discipline non c’era alcun nesso.
Forse Einstein sarebbe stato d’accordo. Una teoria valida deve fare almeno una previsione specifica. La relatività generale ne aveva fatte due. Una riguardava un problema molto discusso all’epoca di Einstein. L’orbita di Mercurio non coincide con quella calcolata a partire dalle leggi di Newton. Le differenze osservabili tra la versione della gravità di Newton e quella di Einstein sono trascurabili, eccetto che nei casi più estremi, come quello di un pianeta molto piccolo che orbita a breve distanza da una stella di grandi dimensioni. Le equazioni di Newton prevedevano una certa traiettoria dell’orbita di Mercurio. Le osservazioni ne mostravano un’altra. E le equazioni di Einstein spiegavano esattamente la differenza.
La seconda previsione era relativa agli effetti della gravità sulla luce. Un’eclisse totale di Sole fornisce agli astronomi la rara opportunità di confrontare le posizioni apparenti delle stelle vicine al disco del Sole oscurato con le posizioni delle medesime stelle quando l’astro è in una zona diversa del cielo. Secondo la relatività generale, infatti, i raggi di luce delle stelle dovrebbero “curvarsi” nel passaggio attraverso l’intenso campo gravitazione solare (in realtà nella teoria di Einstein è lo spazio stesso che si incurva, facendo sì che i raggi luminosi lo seguano). Nel 1919 l’astronomo britannico Arthur Eddington organizzò due spedizioni per osservare le posizioni stellari nel corso dell’eclisse del 29 maggio: una a Principe, un’isola al largo della costa occidentale dell’Africa, e l’altra a Sobral, una città del Brasile nordorientale. L’annuncio, nel novembre 1919, che i risultati degli esperimenti sembravano confermare la relatività generale portarono Einstein e la sua teoria alla celebrità in tutto il mondo.

Tuttavia lo stesso Einstein non sottolineava la capacità della relatività generale di prevedere “piccoli effetti osservabili”, ossia la sua influenza sulla fisica. Preferiva invece insistere sulla “semplicità e coerenza dei suoi fondamenti”, sulla sua bellezza matematica. I matematici tendevano a essere d’accordo con lui, e così pure i fisici come il docente di Dicke all’università di Rochester. Gli effetti identificati della relatività generale sull’universo –un’anomalia dell’orbita di un pianeta, la deviazione della luce stellare– erano oltremodo marginali; gli effetti ignoti sulla storia dell’universo –la cosmologia– erano oltremodo speculativi. In ogni caso, Einstein fu pronto a riconoscere che, se una previsione della sua teoria fosse fallita, essa, come qualsiasi teoria che venga valutata con il metodo scientifico, avrebbe dovuto essere respinta dalla scienza.
All’epoca in cui Dicke entrò nel corpo docente di Princeton, dopo la seconda guerra mondiale, Einstein era una presenza spettrale nella fisica sperimentale esattamente come la sua teoria. A volte, alle feste di facoltà, si scorgeva un uomo dall’aspetto di un vagabondo e per i partecipanti più giovani non era immediato riconoscerne il ciuffo scomposto e gli occhi da basset-hound.
Durante l’anno accademico 1954-1955 Dicke trascorse un periodo sabbatico a Harvard, e qui ebbe modo di ripensare alla relatività generale. Essendo uno scienziato egualmente a proprio agio nel progettare strumenti e nel costruire teorie, Dicke capì di trovarsi in una posizione ideale per realizzare ciò che le precedenti generazioni non erano riuscite a fare con la tecnologia di cui disponevano. Quando tornò a Princeton, era deciso a mettere alla prova Einstein.
In esperimenti condotti negli anni successivi, occultò il Sole con appositi dischi per determinare la forma esatta dell’astro, parametro che ne influenza gli effetti gravitazionali sugli oggetti del sistema solare, compreso Mercurio; fece riflettere un fascio laser sulla Luna e usò il tempo impiegato nel viaggio di andata e ritorno per misurare esattamente la distanza del nostro satellite, che potrebbe indicare eventuali discrepanze della sua orbita rispetto ai calcoli basati sulle equazioni di Einstein, allo stesso modo in cui l’orbita di Mercurio differiva da quella calcolata con le equazioni di Newton; cercò di determinare la composizione chimica delle stelle per ricostruirne età ed evoluzione, le quali a loro volta sarebbero state importanti per ricostruire età ed evoluzione dell’universo, dalle quali si sarebbe potuto tentare di individuare la radiazione residua dell’atomo primevo, o palla di fuoco cosmica, o Big Bang, o qualsiasi altro nome si volesse usare. Dicke si chiedeva se una teoria dell’universo potesse fare a meno non solo della singolarità del Big Bang, ma anche della creazione spontanea di materia dello stato stazionario, e propose una sorta di compromesso: un universo oscillante.
Un simile universo alterna perpetuamente fasi di espansione e di contrazione, senza mai raggiungere un collasso assoluto né una diffusione eterna tra un collasso e l’altro. Durante la fase di espansione di questo universo, le galassie presentano redshift coerenti con le osservazioni astronomiche. A un certo punto l’espansione rallenta per effetto della gravità e poi si inverte. Durante la fase di contrazione le galassie mostrano spostamenti verso il blu nel loro moto di reciproco avvicinamento. Infine la contrazione porta a uno stato di compressione sufficiente per causare una nuova esplosione verso l’esterno, prima che le leggi della fisica perdano validità. L’universo oscillante di Dicke, dunque, non nasceva dalla temuta singolarità, né era destinato a tornarvi, sebbene le fasi più precoci della sua attuale espansione potessero essere state simili a un Big Bang. Durante una riunione particolarmente accalorata del Gravity Group, Dicke concluse una discussione sulla sua teoria rivolgendosi a due dei suoi fedelissimi, Peter Roll e David Todd Wilkinson, chiedendo: «Perché non provate a fare qualche misurazione?». Il loro compito sarebbe stato la costruzione di un’antenna radio per rivelare la radiazione del Big Bang più recente. Poi si voltò verso un ventinovenne fresco di specializzazione e gli domandò: «E tu non potresti pensare alle conseguenze teoriche?».
Jim Peebles si era già sforzato di imparare la cosmologia. Durante la specializzazione a Princeton aveva dovuto superare le prove generali del dipartimento di fisica e, nel riconsiderare gli esami degli anni precedenti, vide che effettivamente includevano problemi di relatività generale e cosmologia. Perciò si dedicò allo studio dei testi standard dell’epoca, Classical Theory of Fields di Lev Landau ed Evgeny Lifschitz, del 1951, e Relativity, Thermodynamics and Cosmology di Richard C. Tolman, del 1934. Entrambi i libri avevano un’impostazione vecchiotta e presentavano la cosmologia nei termini stantii che si usano per le verità da lungo tempo indiscusse. Quanto più Peebles approfondiva lo studio della cosmologia, tanto meno se ne fidava. Trovava invece appassionante la relatività generale, ed era un membro fedele ed entusiasta del Gravity Group. Ciò che lo sconcertava erano i postulati ai quali i teorici avevano aggiogato a forza la relatività generale per costruire le proprie cosmologie.
I problemi erano iniziati con lo stesso Einstein. Nel 1917, due anni dopo essere pervenuto alla teoria generale della relatività, lo scienziato tedesco pubblicò un articolo, Considerazioni cosmologiche. Se la relatività generale era una teoria valida, che cosa poteva dire riguardo alla forma dell’universo? Per semplificare i calcoli, Einstein dovette postulare che la distribuzione della materia nell’universo fosse uniforme a grande scala. Dopo la scoperta da parte di Hubble delle prove dell’espansione cosmica, Lemaître aveva adottato lo stesso presupposto –che l’universo fosse omogeneo a grande scala– per ricostruirne la storia indietro nel tempo fino a un Big Bang. La teoria dello stato stazionario andava ancora più in là, presumendo che l’universo fosse omogeneo non solo nello spazio, ma anche nel tempo: ovvero che la distribuzione della materia fosse uniforme a grande scala e lo fosse sempre stata.
Peebles cercò di non farsi fuorviare da pregiudizi e assistette persino a una conferenza sulla teoria dello stato stazionario. Ma ne uscì pensando “Guarda un po’ che cosa si sono inventati!”. A suo parere, un universo omogeneo, nello spazio, nel tempo o in entrambi, non era un modello serio. Il testo di Tolman, pubblicato nel 1934, arrivava a dirlo esplicitamente: i teorici avevano introdotto l’ipotesi dell’omogeneità «in primo luogo allo scopo di ottenere un modello matematico definito e relativamente semplice, anziché una corrispondenza alla realtà nota». Questo approccio ricordava a Peebles i problemi irrealisticamente semplificati degli esami: “Calcolare l’accelerazione di un elefante che scivola senza attrito su un piano inclinato”.
“Che stupidaggine”, si disse Peebles. Perché poi si dovrebbe immaginare che un universo sia, fra tutte le cose che potrebbe essere, semplice? Sì, gli scienziati tendevano a seguire il principio del rasoio di Occam, risalente a un frate francescano del Trecento, William of Ockham: bisogna partire dalle supposizioni più semplici e aggiungere complicazioni solo se necessario. Perciò l’evocazione di un universo omogeneo da parte di Einstein aveva dalla sua una certa logica, nonché una lunga tradizione: ma questo non bastava per farne la base di una scienza capace di formulare previsioni verificabili con l’osservazione.
Eppure, quando Dicke gli propose di calcolare la temperatura del Big Bang più recente in un universo in oscillazione, Peebles accettò immediatamente la sfida. In primo luogo era una richiesta di Dicke, e bisognava fidarsi delle sue intuizioni. Inoltre Peebles condivideva con il suo mentore non solo l’entusiasmo per l’esplorazione della relatività generale, ma anche le riserve riguardo alla cosmologia. Solo un anno prima, nel 1963, in un articolo che trattava di cosmologia e relatività per l’“American Journal of Physics”, Dicke aveva scritto: «Avendo le proprie radici nella speculazione filosofica, la cosmologia si è evoluta gradualmente in una scienza fisica, ma una scienza con una base osservativa così esigua che le considerazioni filosofiche hanno ancora un ruolo cruciale, se non predominante».
Ciò che attraeva Peebles era l’opportunità di rafforzare quella “base osservativa”: le implicazioni sperimentali. Era la possibilità che i suoi calcoli portassero a una misurazione effettiva, che Roll e Wilkinson avrebbero compiuto mediante l’antenna radio di cui Dicke aveva assegnato loro la costruzione. Avrebbero fatto cosmologia in maniera scientifica: l’apparenza avrebbe dovuto conformarsi ai calcoli matematici di Jim Peebles.

Il primo indizio che le onde radio potessero rappresentare uno strumento nuovo per l’osservazione dell’universo risaliva agli anni trenta, e anche questa volta la scoperta fu compiuta accidentalmente ai Bell Labs. Nel 1932, un ingegnere che aveva cercato di eliminare un misterioso disturbo statico dalle trasmissioni radiotelefoniche transatlantiche si rese conto che il rumore proveniva dalle stelle della Via Lattea. La notizia fu pubblicata in prima pagina sul New York Times, ma poi tornò nell’ombra. Anche i pochi astronomi che presero nota della scoperta la considerarono più che altro una curiosità. Fu solo dopo la seconda guerra mondiale che si diffuse l’impiego delle onde radio nella ricerca astronomica. E anche allora la radioastronomia divenne un programma scientifico solo nell’ambito di una generale presa di coscienza da parte degli astronomi del fatto che le regioni dello spettro elettromagnetico esterne della ristretta banda del visibile potessero contenere informazioni utili. Le lunghezze d’onda alle quali l’occhio umano è diventato sensibile nel corso dell’evoluzione sono comprese tra 1/700.000 centimetri (rosso) e 1/400.000 centimetri (violetto). A entrambi i lati di questa sottile finestra, la lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche aumenta e diminuisce di un fattore pari circa a un milione di miliardi, ossia 1.000.000.000.000.000. L’esperimento di Princeton doveva concentrarsi sulle lunghezze d’onda più grandi, che corrispondevano all’energia più bassa: valori ragionevoli per una radiazione che aveva continuato a raffreddarsi a partire da un istante vicinissimo all’inizio dei tempi.

Peebles partì dalla composizione attuale dell’universo per risalire alle condizioni primordiali. L’universo attuale è composto per circa tre quarti da idrogeno, l’elemento più leggero. Perché una simile abbondanza di idrogeno abbia potuto mantenersi fino a oggi, nello stato iniziale doveva essere presente un’intensa radiazione di fondo; solo in un ambiente straordinariamente caldo, infatti, i nuclei atomici potevano essere così instabili che i singoli protoni non avevano modo di fondersi con altre particelle subatomiche e formare elio e altri elementi più pesanti. Poi, espandendosi, l’universo si raffreddò: due termini che indicavano lo stesso fenomeno.
Quando un volume circoscritto si espande, la sua densità automaticamente diminuisce. Poiché la temperatura indica la densità di energia, affermare che quest’ultima si riduce è un altro modo per dire che la temperatura scende. L’espansione del volume dell’universo implica una riduzione della densità di energia, e questa a sua volta implica un abbassamento della temperatura. Estrapolate dalla percentuale attuale di idrogeno l’intensità della radiazione primordiale, poi calcolate di quanto si è espanso da allora il volume dell’universo e otterrete la temperatura raggiunta attualmente dalla radiazione primordiale.
Un’antenna radio, tuttavia, non misura la temperatura, almeno non direttamente. Misura il rumore radio, che è prodotto dai moti termici degli elettroni, i quali a loro volta sono determinati dalla temperatura. Se costruite una scatola con le pareti opache, la temperatura delle pareti determina l’intensità del rumore radio, o statica: quanto più essa è bassa, tanto più lieve è il rumore radio. Se mettete un’antenna radio nella scatola, l’intensità della statica vi permette di ricavare la temperatura delle pareti: nel gergo tecnico, la “temperatura equivalente” del rumore radio. E se la scatola in cui ponete l’antenna è l’universo, allora l’intensità della statica può rivelarvi la temperatura equivalente delle pareti dell’universo: la radiazione residua.
Nel 1964 Peebles si mise al lavoro per calcolare la temperatura attuale della radiazione residua: la temperatura equivalente della statica che l’antenna avrebbe dovuto rivelare. Intanto i suoi colleghi Roll e Wilkinson avevano iniziato a costruire l’antenna: dal punto di vista tecnico, si trattava di un radiometro di Dicke, uno strumento da lui inventato per migliorare la sensibilità dei radar durante la seconda guerra mondiale, quando lavorava al Radiation Laboratory del Massachusetts Institute of Technology. All’inizio del 1965, Peebles fu invitato a tenere una conferenza all’Applied Physical Laboratory della Johns Hopkins University e chiese a Wilkinson se poteva accennare al radiometro in pubblico.
«Non c’è problema», fu la risposta. «Ormai nessuno può batterci».
Da quel momento, tutto cominciò a muoversi in fretta. Peebles tenne la conferenza il 19 febbraio. Nel pubblico vi era un suo vecchio amico e compagno di studi (che era stato anch’egli un “Dicke bird”), Kenneth Turner, radioastronomo presso il Department of Terrestrial Magnetism della Carnegie Institution a Washington. L’esperimento suscitò viva impressione in Turner, che un paio di giorni più tardi ne parlò a un altro radioastronomo del dtm, Bernard Burke. Passò ancora un giorno o due e poi, nel corso di un pranzo tra colleghi, Burke ricevette una telefonata da un radioastronomo dei Bell Labs che aveva conosciuto a dicembre in aereo, durante un viaggio a Montreal per un meeting della American Astronomical Society. Burke andò nell’anticamera della cucina per parlare al telefono. Dopo aver discusso brevemente l’argomento della telefonata, i due cominciarono a parlare del più e del meno.

«Come sta andando il vostro strampalato esperimento?» chiese Burke. Sul volo per Montreal Arno Penzias aveva descritto a Burke il lavoro che lui e Wilson stavano svolgendo a Crawford Hill. Gli aveva detto che speravano di studiare le onde radio non delle stelle che si trovavano nel grande rigonfiamento della Via Lattea, dove moltissimi astronomi avevano già guardato, ma di quelle situate nella periferia dell’alone galattico. Ma ora, spiegò, ancora prima di iniziare le osservazioni, si erano trovati di fronte a un problema.
«C’è qualcosa che non capiamo», disse Penzias. Spiegò che lui e Wilson non riuscivano a eliminare un eccesso di rumore corrispondente a una temperatura prossima, ma non pari, allo zero assoluto. Quando ebbe finito di descrivere il loro lavoro e i loro dubbi, Burke consigliò: «Forse dovreste chiamare Bob Dicke a Princeton».
Il Big Bang era un mito della creazione, ma nel 1965 era ormai un mito della creazione con una differenza importante: era associato a una previsione. Quando Penzias telefonò a Dicke, Peebles era arrivato a calcolare una temperatura di circa 10 gradi Celsius sopra lo zero assoluto, ovvero 10 Kelvin. Con la loro antenna Penzias e Wilson avevano ottenuto una misura di 3,5 K (più o meno 1 K). Dato che i calcoli di Peebles erano quanto mai approssimativi e la scoperta di Penzias e Wilson del tutto accidentale, l’approssimazione tra teoria e osservazione non dimostrava nulla. Tuttavia non si poteva neppure liquidarla come una semplice coincidenza.
Come minimo, valeva la pena di immortalarla per i posteri. Dopo l’incontro a Crawford Hill e una nuova riunione a Princeton, i due gruppi di collaboratori si accordarono per scrivere ciascuno un articolo scientifico da pubblicare fianco a fianco su “The Astrophysical Journal”. L’articolo dei quattro di Princeton, con una discussione delle possibili implicazioni cosmologiche della scoperta, sarebbe stato il primo. Poi la coppia dei Bell Labs avrebbe limitato la propria esposizione alla scoperta vera e propria, in modo da non legare troppo strettamente la misurazione a un’interpretazione bizzarra che, nelle parole di Wilson, «avrebbe potuto non reggere alla prova del tempo».

Il 21 maggio 1965, ancora prima che i due articoli venissero pubblicati, il New York Times titolò: Segnali rivelano un universo del Big Bang (il giornalista, Walter Sullivan, era in contatto con The Astrophysical Journal per un altro lavoro, ed era venuto a sapere casualmente dei due articoli). La grande visibilità del servizio –in prima pagina, con tanto di fotografia dello strumento dei Bell Labs– convinse alcuni membri delle due collaborazioni del possibile impatto della loro (presumibile) scoperta. Peebles, però, non aveva bisogno che i giornali venissero a dirgli che stavano lavorando su qualcosa di grosso. Gli bastava guardare Dicke. Talvolta era scherzoso e spensierato, ma non quando si trattava di fisica. E nelle ultime settimane stava chiaramente divertendosi in maniera diversa dal solito. Dopo avergli parlato, l’astronomo Martin Schwarzschild riferì ai suoi colleghi che Bob Dicke «traboccava di entusiasmo».
Una successiva ricerca nella letteratura rivelò che in precedenza erano state fatte altre previsioni dello stesso tipo e almeno un’osservazione. Nel 1948 il fisico George Gamow aveva scritto un articolo per Nature che prevedeva l’esistenza del «più antico documento archeologico relativo alla storia dell’universo». Molti dettagli della sua trattazione erano erronei, ma questo non inficiava la correttezza del principio di base: l’universo primordiale doveva essere estremamente caldo; altrimenti tutti gli atomi di idrogeno si sarebbero combinati in elementi più pesanti.
Nel 1948 i fisici (e occasionali collaboratori di Gamow) Ralph Alpher e Robert Herman pubblicarono un calcolo secondo cui attualmente “la temperatura dell’universo” dovrebbe essere intorno a 5 K; ma gli astronomi dell’epoca dichiararono categoricamente che rivelarla sarebbe stato impossibile con le tecnologie esistenti (in retrospettiva, Wilson si disse certo che la scoperta potesse essere effettuata con la tecnologia disponibile durante la seconda guerra mondiale, purché si collegasse in modo corretto l’antenna con il carico a bassa potenza).
In un articolo pubblicato nel 1961 sul Bell System Technical Journal, un ingegnere di Crawford Hill scrisse che l’antenna Echo captava un eccesso di rumore a 3 K; ma la misurazione rientrava nel margine di errore e, dato che comunque la discrepanza non riguardava i problemi di cui si stava occupando, la ignorò. Nel 1964 il paladino dello stato stazionario, Hoyle, in collaborazione con l’astronomo britannico Roger J. Tayler, indagò lo scenario dell’universo oscillante eseguendo calcoli simili a quelli di Alpher e Herman.

Nello stesso anno, proprio mentre Penzias e Wilson orientavano la loro antenna verso tutti i punti all’orizzonte nel futile tentativo di individuare la sorgente dell’eccesso di rumore, due scienziati russi pubblicarono un articolo nel quale facevano notare che l’identificazione della radiazione cosmica di fondo era ormai possibile, e che lo strumento ideale era una certa antenna a tromba collocata sulla sommità di una collina a Holmdel Township, nel New Jersey.
Jim Peebles aveva un metabolismo efficiente: poteva mangiare tutto ciò che desiderava senza preoccuparsi di ingrassare. Questo dinamismo interiore si estendeva anche alla sua vita intellettuale. Amava identificare un nuovo grande problema, risolverlo, vedere dove lo conduceva, identificare quel nuovo grande problema, risolverlo, vedere dove lo conduceva: una discesa a precipizio verso il futuro, con le ginocchia piegate e il vento sul volto (era un ottimo praticante di sci alpino).
Anche la descrizione che forniva della propria irrequietezza intellettuale era irrequieta: «una passeggiata casuale, no, una passeggiata senza una direzione, o meglio una passeggiata con una direzione locale: decidere a ogni passo dove condurrà quello successivo». La parte documentale del processo scientifico –frugare negli scaffali, raccogliere la letteratura– forse non lo annoiava veramente, tuttavia non lo appassionava neppure. In ogni caso, stavolta non si era preparato in maniera impeccabile.
Il suo lavoro iniziale sulla temperatura dell’universo –la bozza preliminare che Dicke aveva inviato a Penzias dopo la telefonata che rivelò la scoperta ai Bell Labs– era stato più volte respinto dal referee di Physical Review perché ripeteva calcoli precedenti di Alpher, Herman, Gamow e altri. Peebles ritirò infine l’articolo nel giugno 1965. Riuscì a correggere alcune di quelle pecche nel lavoro sulla radiazione cosmica di fondo a microonde che scrisse insieme con Dicke, Roll e Wilkinson. Anche quest’ultimo articolo, però, faceva riferimento solo al lavoro di Gamow sulla creazione primordiale degli elementi, e non alla sua previsione della tempe- ratura della radiazione di fondo. Irritato, Gamow scrisse una lettera a Penzias elencando citazioni dei suoi lavori precedenti e concludendo: «Quindi, come vedete, il mondo non ha avuto inizio con l’onnipotente Dicke».
Tuttavia, l’oscurità nella quale erano relegate queste pubblicazioni rispecchiava l’indifferenza che molti studiosi provavano nei confronti della cosmologia e della relatività generale. Ma non sarebbe più stato così. Nel dicembre del 1965 Roll e Wilkinson finirono di montare la loro antenna sul tetto di Guyot Hall e ottennero lo stesso risultato di Penzias e Wilson. Nello spazio di pochi mesi altri due esperimenti (uno degli stessi Penzias e Wilson) ottennero ciò che una solida previsione scientifica chiede: la ripetizione dei risultati; in questo caso, il rilevamento di quella che veniva già chiamata radiazione a 3 K.

Il cambiamento era avvertito da tutti, astronomi e fisici. Sia l’interpretazione dello stato stazionario sia quella del Big Bang si erano basate non solo su calcoli matematici e osservazioni, ma anche su speculazioni. Erano versioni moderne del tentativo di Copernico di salvare l’apparenza; erano teorie in cerca di prove. E proprio come Galileo, con l’aiuto del telescopio, aveva scoperto fenomeni celesti che differenziavano un cosmo geocentrico da uno eliocentrico, costringendoci a un ripensamento dell’universo, così i radioastronomi, con l’aiuto di un nuovo tipo di telescopio, stavano scoprendo prove che differenziavano la cosmologia dello stato stazionario da quella del Big Bang, costringendoci a un ulteriore ripensamento dell’universo.
Vedere al di là della regione visibile dello spettro elettromagnetico non significava necessariamente vedere più cose. Il cielo notturno avrebbe potuto non contenere più informazioni di quante ne apparissero all’occhio, anche aiutato dal telescopio ottico. L’introduzione della radioastronomia avrebbe potuto lasciare inalterata la concezione newtoniana dell’universo. Invece vedere al di là del visibile significò effettivamente vedere più fenomeni e dover spiegare nuovi tipi di informazioni.
Questo nuovo universo poteva ancora funzionare come un orologio, e le leggi nate dalle osservazioni di Galileo e dai calcoli di Newton presumibilmente erano ancora valide. Ma ora lo erano anche quelle di Hubble e di Einstein, e nel loro universo i moti celesti erano non tanto ciclici quanto lineari; il loro cosmo corrispondeva non a un orologio, con lancette e ingranaggi che ruotano di continuo ma tornano sempre nelle stesse posizioni, bensì a un calendario, le cui pagine conservano il passato, registrano il presente e promettono il futuro.
Forse, si disse Peebles, costruire teorie dell’universo non era una cosa tanto sciocca. Non che il prudente Peebles si fosse convinto ad abbracciare la teoria del Big Bang. Ma l’uniformità della radiazione di fondo a microonde che egli aveva previsto e che Penzias e Wilson avevano rivelato corrispondeva certamente a un universo che alle scale più grandi appariva identico indipendentemente dalla posizione dell’osservatore. Einstein aveva ipotizzato un elefante su un piano inclinato, e così si era rivelato l’universo: omogeneo.
“Che cosa stupefacente”, pensò Peebles. “Ma tant’è: l’universo è semplice”».

 

Richard Panek - Il 4% dell'universo

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