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STORIA DEL TEMPO

Dal Big Bang ai Buchi Neri
 

Stephen Hawking
 

Questo libro è dedicato a Jane

INDICE

Indice............................................................................................................................2

Ringraziamenti..............................................................................................................3

Prologo.........................................................................................................................5

Introduzione..................................................................................................................7

Capitolo 1: La nostra Immagine dell'Universo..............................................................9

Capitolo 2: Spazio e Tempo.......................................................................................20

Capitolo 3: L'Universo in Espansione.........................................................................38

Capitolo 4: Il Principio di Incertezza...........................................................................52

Capitolo 5: Le Particelle Elementari e le Forze della Natura......................................59

Capitolo 6: I Buchi Neri...............................................................................................73

Capitolo 7: I Buchi Neri non sono tanto Neri..............................................................88

Capitolo 8: L'Origine ed il Destino dell'Universo.......................................................101

Capitolo 9: La Freccia del Tempo.............................................................................121

Capitolo 10: Worm's Hole e Viaggi nel Tempo........................................................ 129

Capitolo 11: L'Unificazione della Fisica....................................................................138

Capitolo12: Conclusione...........................................................................................150

Albert  Einstein..........................................................................................................154

Galileo Galilei............................................................................................................156

Isaac Newton………………………………………………............................................158

RINGRAZIAMENTI

Decisi di scrivere un'opera di divulgazione sullo spazio ed il tempo dopo avere impartito in Harvard le conferenze Loeb di 1982. Esisteva già una considerabile bibliografia circa l'universo primitivo e dei buchi neri, nella quale figuravano da libri molto buoni, come quello di Steven Weinberg, I tre primi minuti dell'universo, fino ad altri molto brutti, che non nominerò. Tuttavia, sentiva che nessuno di essi si dirigeva realmente alle questioni che mi avevano portato ad investigare in cosmologia e nella teoria quantica: da dove viene l'universo? Come e perché incominciò? Avrà un fine, e, in caso affermativo, come sarà? Queste sono questioni di interesse per tutti gli uomini. Ma la scienza moderna è diventata tanto tecnica che solo un piccolo numero di specialisti sono capaci di dominare la matematica utilizzata nella sua descrizione. Nonostante ciò, le idee basilari circa l'origine e del destino dell'universo possono essere enunciate senza matematica, di tale maniera che le persone senza un'educazione scientifica possano capirli. Questo è quello che ho cercato di fare in questo libro. Il lettore deve giudicare se l'ho ottenuto.

Qualcuno mi disse che ogni equazione che includesse nel libro ridurrebbe le vendite alla metà. Quindi, decisi di non mettere in assoluto nessun. Alla fine, tuttavia, sé che inclusi un'equazione, la famosa equazione di Einstein, E=mc2. Spero che questo non spaventi alla metà dei miei potenziali lettori.

A parte essere stato sufficientemente sfortunato per contrarre l'ALS, o malattia dei neuroni motori, ho avuto fortuna in quasi tutti gli altri aspetti. L'aiuto ed appoggio che ho ricevuto di mia moglie, Jane, e dei miei figli, Robert, Lucy e Timmy, mi hanno fatto possibile portare una vita abbastanza normale ed avere successo nella mia corsa. Andai di nuovo fortunato scegliendo la fisica teorica, perché tutto sta nella mente. Così, la mia malattia non ha costituito un serio svantaggio. I miei colleghi scientifici sono stati, senza eccezione, un gran aiuto per me.

Nella prima fase "classica" della mia corsa, i miei compagni e collaboratori principali furono Roger Penrose, Robert Geroch, Brandon Cárter e George Ellis. Sono loro grato per l'aiuto che mi prestarono e per il lavoro che realizziamo insieme. Questa fase fu raccolta nel libro The Large Scale Structure of Spacetime che Ellis ed io scriviamo in 1973. Sconsiglierebbe i lettori di questo libro consultare quell'opera per una maggiore informazione: è altamente tecnica ed abbastanza arida. Aspetto avere imparato da allora a scrivere in una maniera più facile da capire.

Nella seconda fase "quantica" del mio lavoro, da 1974, i miei principali collaboratori sono stati Gary Gibbons, Don Page e Jim Hartle. Devo loro molto che mi hanno aiutato moltissimo, tanto nel senso fisico come nel senso teorico della parola. L'avere dovuto mantenere il ritmo dei miei studenti è stato un gran stimolo, e ha evitato, così l'aspetto, che mi rimanesse ancorato nella routine.

Per la realizzazione di questo libro ho ricevuto gran aiuto di Brian Whitt, uno dei miei alunni. Contrassi una polmonite in 1985, dopo avere scritto la prima brutta copia. Mi fu dovuta effettuare un'operazione di tracheotomia che mi privò della capacità di parlare, e res quasi impossibile che chiunque potesse comunicarmi. Pensai che sarei stato incapace di finirlo. Tuttavia, Brian mi aiutò non solo a rivederlo, ma mi insegnò anche ad utilizzare un programma di comunicazioni chiamato Living Center  donato da Walt Woltosz, di Words Plus Inc., in Sunnyvale, California. Con esso posso scrivere libri ed articoli, ed inoltre parlare con la gente per mezzo di un sintetizzatore donato dalla Speech Plus, anche essa di Sunnyvale. Il sintetizzatore ed un piccolo personal computer furono installati nella mia sedia a rotelle da David Masón. Questo sistema ha capovolto la situazione: in realtà, posso comunicarmi meglio ora che prima di perdere la voce.

Ho ricevuto parecchi suggerimenti su come migliorare il libro, forniti dalla gran quantità di persone che avevano letto le versioni preliminari. In particolare, da Peter Guzzardi, il mio editore in Bantam Books chi mi inviò nemerose pagine di commenti e domande circa punti che egli credeva che non erano stati spiegati adeguatamente. Devo ammettere che mi irritai abbastanza quando ricevei la sua estesa lista di cose che dovevano essere cambiate, ma egli aveva ragione. Sono sicuro che questo libro ha migliorato molto grazie a che mi fece lavorare senza riposo.

Sono molto grato ai miei aiutanti, Grissino Williams, David Thomas e Raymond Lafiamme; alle mie segretarie Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington e Sue Masey; ed alla mia squadra di infermiere. Niente di questo sarebbe stato possibile senza l'aiuto economico, per la mia ricerca e le spese mediche, ricevuta di Gonville and Caius College, lo Science and Engineeering Research Council, e le fondazioni Leverhulme, MeArthur, Nufield e Ralph Smith. La mia sincera gratitudine a tutti essi.

Stephen Hawking  20  Ottobre del 1987.

Prologo

Io non scrissi un prologo all'edizione originale di Storia del Tempo. Quello fu fatto per Carl Sagan. Invece, scrissi un pezzo breve intitolato "Riconoscimenti" nei quali mi consigliarono che ringraziasse per tutti. Alcune delle fondazioni che mi avevano dato appoggio non furono molto grate di essere stato menzionati, tuttavia, anche perché portò ad un gran aumento in applicazioni.

Io penso che nessuno, i miei editori, il mio agente, o io, sperò che il libro facesse qualcosa come quello che fece. Stette nella lista di best-seller del London Sunday Times per 237 settimane, più che qualunque altro libro, apparentemente, non si raccontano il Bibbia e Shakespeare. Si è tradursi in qualcosa come quaranta lingue e ha venduto approssimativamente una copia per ogni 750 uomini, donne, e bambini nel mondo. Come Nathan Myhrvold di Microsoft, un anteriore il mio editore, commentò: Io ho venduto più libri su fisica che Madona su sesso.

Il successo di Storia del Tempo indica che c'è interesse esteso nelle domande grandi come: Da dove venimmo noi? E perché è l'universo della maniera che è?

Ho approfittato dell'opportunità per aggiornare il libro ed includere nuovi risultati teorici ed observacionales ottenuto da quando il libro fu pubblicato per la prima volta, nel Giorno degli Innocenti di aprile, 1988. Ho incluso un nuovo capitolo di "worm's hole" e viaggi nel tempo. La Teoria Generale di Einstein di Relatività sembra offrire la possibilità che noi potremmo creare e potremmo mantenere "worm's hole", piccoli tubi che collegano regioni differenti di spazio-tempo. In quello caso, potremmo essere capaci di usarli per viaggi rapidi attraverso la galassia o ritornare nel tempo. Ovviamente, non abbiamo visto nessuno del futuro, (o abbiamo?  ma io discuto una possibile spiegazione per questo. 

Descrivo anche il progresso che si è fatto recentemente trovando "dualità" o corrispondenze tra teorie apparentemente differenti di fisiche. Queste corrispondenze sono un'indicazione forte che c'è una teoria unificatrice completa della fisica, ma anche esse suggeriscono che non possa essere possibile esprimere questa teoria in una sola formulazione fondamentale. Invece, noi possiamo dovere usare riflessioni differenti la teoria soggiacente in situazioni differenti. Potremmo essere incapaci di rappresentare la superficie della terra in una sola mappa e

1 questo documento fu digitalizzato della prima versione in spagnolo, eccetto il prologo ed il capitolo 10 che fu ottenuto della seconda versione, pubblicata dovuto al successo ottenuto. Pertanto, i cambiamenti ed aggiornamenti che Hawking segnala in questo prologo, non sono specchiati in questo documento. Nota del ‘scanner '.

dovendo usare mappe differenti in regioni differenti. Questa sarebbe una rivoluzione nella nostra vista dell'unificazione delle leggi di scienza ma non cambierebbe il punto più importante: che l'universo è governato per un gioco di leggi razionali che noi possiamo scoprire e possiamo capire.

Nel lato astronomico lontano lo sviluppo più importante è stato la misura di fluttuazioni nella radiazione di fondo di microonde per COBE, Cosmic Background Explorer satellite, satellite di Esplorazione del Fondo Cosmico, ed altre collaborazioni. Queste fluttuazioni sono la 'impressione digitale' della creazione, le minute irregolarità iniziali nel d'altra parte liscio ed uniforme universo precoce che dopo crebbe nelle galassie, stelle, e tutte le strutture che vediamo intorno a nostro. La sua forma è in accordo con le predizioni dell'ipotesi che l'universo non ha nessun limite o bordi nella direzione di tempo immaginaria; ma estese osservazioni saranno necessarie per accertare  questa tesi rispetto ad altre possibili spiegazioni per le fluttuazioni. Tuttavia, tra alcuni anni dovremmo sapere se possiamo credere che viviamo in un universo che è ompletamente autonomo e senza principio o termine.

Stephen Hawking

INTRODUZIONE

Ci muoviamo nel nostro ambiente giornaliero senza capire quasi niente circa il mondo. Dedichiamo poco tempo a pensare al meccanismo che genera la luce solare che fa possibile la vita, nella gravità che ci lega alla Terra e che di un'altra forma ci lancerebbe allo spazio, o negli atomi di cui siamo costituiti e dalla cui stabilità dipendiamo in maniera fondamentale. Eccetto i bambini che non sanno quanto basta come per non domandare le questioni importanti, pochi di noi dedichiamo tempo a domandarci perché la natura è della forma che è, da dove sorse il cosmo, o se stette sempre qui, se il tempo correrà in senso contrario qualche giorno e gli effetti precederanno le cause, o se esistono limiti fondamentali circa quello che gli umano possono sapere. Ci sono perfino bambini, ed io ho conosciuto alcuno che vogliono sapere a che cosa si somiglia un buco nero, o quale il pezzo più piccolo è della materia, o perché ricordiamo il passato e non il futuro, o come è che, se ci fu prima caos, esiste, apparentemente, ordine oggi, e, in definitiva, perché c'è un universo.

Nella nostra società continua ancora ad essere normale per i genitori ed i maestri rispondere a queste questioni con un restringimento di spalle, o con un riferimento a credenze religiose vagamente ricordate. Alcuni si sentono scomodi con questioni di questo tipo, perché ci mostrano vivacemente le limitazioni dell'intendimento umano.

Ma gran parte della filosofia e della scienza sono stati guidate per tali domande. Un numero crescente di adulti desiderano domandare questo tipo di questioni, e, occasionalmente, ricevono alcuni risposte sorprendenti. Equidistanti degli atomi e delle stelle, stiamo estendendo i nostri orizzonti esploratori per abbracciare tanto il molto piccolo come quello molto grande.

Nella primavera di 1974, circa due anni prima che la navicella spaziale Viking atterrasse su Marte, partecipai ad una riunione in Inghilterra, finanziata dalla Royal Society di Londra, per esaminare la questione di come cercare vita extraterrestre. Durante una pausa notai che si stava celebrando una riunione molto grande in un salone adiacente, nel quale entrai mosso per la curiosità.  Subito mi resi conto che stava essendo testimone di un rito antichissimo, l'investitura di nuovi membri della Royal Society, una delle più antiche organizzazioni accademiche del pianeta. Nella prima fila, un giovane in una sedia a rotelle stava mettendo, molto lentamente, il suo nome in un libro che porta nelle sue prime pagine la firma di Isaac Newton. Quando alla fine finì, ci fu una commovente ovazione. Stephen Hawking era già una leggenda.

 

2 nella versione aggiornata, questa introduzione non appare.

Hawking occupa ora la cattedra Lucasian di matematica dell'Università di Cambridge, un dato che fu occupato in un altro tempo per Newton e dopo per P.A.M. Dirac, due celebri esploratori del molto grande ed il molto piccolo. Egli è il suo prezioso successore. Questo, il primo libro di Hawking per il non specialista, è una fonte di soddisfazioni per l'udienza profana. Tanto interessante come i contenuti di gran portata del libro è la visione che proporziona dei meccanismi della mente del suo autore. In questo libro ci sono rivelazioni lucide sulle frontiere della fisica, l'astronomia, la cosmologia, ed il valore.

Si tratta anche di un libro circa Dio... o magari circa l'assenza di Dio. Il parola Dio riempie queste pagine.

Hawking si imbarca in una ricerca della risposta alla famosa domanda di Einstein su se Dio ebbe alcuno possibilità di scegliere creando l'universo. Hawking tenta, come egli stesso segnala, comprendere il pensiero di Dio. E questo fa che sia completamente inaspettata la conclusione del suo sforzo, almeno fino ad ora: un universo senza un bordo spaziale, senza principio né termine nel tempo, e senza posto per un Creatore.

Carl Sagan Università di Cornell, lthaca, New York

Capitolo 1

LA NOSTRA IMMAGINE DELL'UNIVERSO

Un noto scienziato, alcuni dicono che fu Bertrand Russell, dava una volta una conferenza sull'astronomia. In essa descriveva come la Terra girasse attorno al Sole e come questo, a sua volta, girasse attorno al centro di una vasta collezione di stelle conosciuta come la nostra galassia. Alla fine della chiacchierata, una simpatica signora avanzata in età si alzò e gli disse dal fondo della sala: "Quello che ci ha raccontato lei non è più che sciocchezze. Il mondo è in realtà una piattaforma piana sostentata sul guscio di una tartaruga gigante." Lo scienziato sorrise ampiamente prima di replicargli, "e su che cosa si appoggia la tartaruga?." "Lei è molto intelligente, giovane, molto intelligente - disse la signora -. Ma ci sono infinite tartarughe una sotto all'altra!."

La maggior parte della gente troverebbe abbastanza ridicola l'Immagine del nostro universo come una torre infinita di tartarughe, ma, in che cosa ci basiamo per credere che lo conosciamo meglio? . Che cosa sappiamo circa l'universo, e come siamo arrivati a saperlo? Da dove sorse l'universo, ed a dove va? Ebbe l'universo un principio, e, se così fu a cosa lui successe in precedenza? Quale è la natura del tempo? Arriverà qualche volta questo ad una fine? Progressi recenti della fisica, possibili in parte grazie a fantastiche nuove tecnologie, suggeriscono risposte ad alcune di queste domande che ci preoccupano da molto tempo. Qualche giorno queste risposte potranno sembrarci tanto ovvie come quello che la Terra giri attorno al Sole, o, magari, tanto ridicole come una torre di tartarughe. Solo il tempo, qualunque sia il suo significato, lo dirà.

Già nell'anno 340 A.C. il filosofo greco Aristotele, nel suo libro Dei Cieli, fu capace di stabilire due buoni argomenti per credere che la Terra era una sfera rotonda invece di una piattaforma piana. In primo luogo, si rese conto che le eclissi lunari erano dovute a che la Terra si situava tra il Sole e la Luna. L'ombra della Terra sulla Luna era sempre circolare. Se la Terra fosse stata un disco piano, la sua ombra sarebbe stato allungata ed ellittica a meno che l'eclissi si verificasse sempre nel momento in cui il Sole stesse direttamente sotto al centro del disco. In secondo luogo, i greci sapevano, a causa dei loro viaggi, che la stella Polare appariva più bassa nel cielo quando si osservava dal sud che quando si faceva da regioni più al nord. , Come la stella Polare sta sul polo nord, sembrerebbe essere giusto sopra ad un osservatore situato in detto polo, mentre ferma qualcuno che guardasse dall'equatore sembrerebbe essere giusto nell'orizzonte. A partire dalla differenza nella posizione apparente della stella Polare tra Egitto e Grecia, perfino Aristotele stimò che la distanza attorno alla Terra era di 400.000 stadi. Non si conosce con esattezza quale valore era  un stadio, ma sembra che fosse di circa 200 metri, ciò supporrebbe che la stima di Aristotele era approssimativamente il doppio della llunghezza accettata oggigiorno. I greci avevano perfino un terzo argomento in favore che la Terra doveva essere rotonda, perché, se no, uno vede prima i pennoni di una barca che si avvicina nell'orizzonte, e solo dopo si vede lo scafo?

Figura 1:1

Aristotele credeva che la Terra era ferma e che il Sole, la luna, i pianeti e le stelle si muovevano in orbite circolari attorno a lei.  Credeva ciò perché era convinto, per ragioni mistiche, che la Terra era il centro dell'universo e che il movimento circolare era il più perfetto. Questa idea fu ampliata da Tolomeo nel secolo ii D.C. fino a costituire un modello cosmologico completo.  La Terra rimase nel centro, circondata per otto sfere che trasportavano la Luna, il Sole, le stelle ed i cinque pianeti conosciuti in quello tempo, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno, figura 1. l.  I pianeti si muovevano in circoli più piccoli concatenati nelle sue rispettive sfere affinché così potessero spiegarsi le suo traiettorie celesti relativamente complicate. La sfera più esterna trasportava le stelle chiamate fisse, le quali rimanevano sempre nelle stesse posizioni relative, le une rispetto alle altre, girando unite attraverso il cielo. Quello che c'era dietro l'ultima sfera non fu mai descritto con chiarezza, ma certamente non era parte dell'universo osservabile per l'uomo.

Il modello di Tolomeo rappresentava un sistema ragionevolmente preciso per predire le posizioni dei corpi celesti nel firmamento. Ma, per potere predire correttamente dette posizioni, Tolomeo doveva supporre che la Luna seguiva un percorso che la situava in alcuni istanti due volte più vicino alla Terra che in altri. E questo significavo che la Luna dovrebbe apparire a volte con volume doppio del quale solitamente ha! Tolomeo riconosceva questa inconsistenza, nonostante il quale il suo modello fu ampiamente, benché non universalmente, accettato.  Fu adottato dalla Chiesa cristiana come l'immagine dell'universo che era in accordo con le Scritture, e che, inoltre, presentava il gran vantaggio di lasciare, dietro la sfera delle stelle fisse, un'enorme quantità di spazio per il cielo e l'inferno.

Un modello più semplice, tuttavia, fu proposto, in 1514, per un curato polacco, Nicolás Copérnico. , Al principio, magari per paura di essere tacciato di eretico dalla sua propria chiesa, Copernico fece circolare il suo modello di forma anonima.  La sua idea era che il Sole era stazionario nel centro e che la Terra ed i pianeti si muovevano in orbite circolari intorno ad esso. Passò quasi un secolo prima che la sua idea fosse presa davvero sul serio.  Allora due astronomi, il tedesco Johannes Kepler e l'italiano Galileo Galilei, incominciarono ad appoggiare pubblicamente la teoria copernicana, malgrado le orbite che prediceva non si adattassero fedelmente a quelle osservate. Il colpo mortale alla teoria aristotélico/ptolemaica arrivò in 1609.  In quell'anno, Galileo cominciò ad osservare il cielo notturno con un telescopio che aveva appena inventato. Quando guardò al pianeta Giove, Galileo trovò che questo era accompagnato per vari piccoli satelliti o lune che giravano intorno a suo. Questo implicava che non tutto girava direttamente attorno alla Terra, come Aristotele e Tolomeo avevano supposto. , Era ancora possibile, naturalmente, credere che le lune di Giove si muovessero in percorsi eccessivamente complicati attorno alla Terra, benché dessero l'impressione di girare intorno a Giove. Tuttavia, la teoria di Copernico era molto più semplice.  Allo stesso tempo, Johannes Kepler aveva modificato la teoria di Copernico, suggerendo che i pianeti non si muovevano in circoli, bensì in ellissi, un'ellisse è un circolo allungato. Le predizioni si adattavano ora finalmente alle osservazioni.

Dal punto di vista di Kepler, le orbite ellittiche costituivano meramente un'ipotesi ad hoc, e, in realtà, un'ipotesi abbastanza spiacevole, poiché le ellissi erano chiaramente meno perfette che i circoli. Kepler, scoprendo quasi per incidente che le orbite ellittiche si adattavano bene alle osservazioni, non potè riconciliarli con la sua idea che i pianeti erano concepiti per girare attorno al Sole attratti per forze magnetiche. Una spiegazione coerente fu solo trovata molto più tardi, in 1687, quando sir Isaac Newton pubblicò il suo Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, probabilmente l'opera più importante delle scienze fisiche edita in tutti i tempi. In essa, Newton non presentò solo una teoria su come si muovono i corpi nello spazio e nel tempo, ma sviluppò anche la complicata matematica necessaria per analizzare quelli movimenti. Inoltre, Newton postulò la legge della gravitazione universale, in accordo con la quale ogni corpo nell'universo era attratto da qualunque altro corpo con una forza che era maggiore  tanto maggiormente massicci fossero i corpi e quanto più vicino fossero l'uno all'altro. Era questa la stessa forza che rendeva possibile che gli oggetti cadessero a terra. La storia che Newton fu inspirato dauna mela che cadde sulla sua testa è quasi assicurazione apocrifa. Tutto quello che Newton stesso arrivò a dire fu che l'idea della gravità gli venne quando era seduto "in disposizione contemplativa", dalla quale "unicamente lo distrasse la caduta di una mela".  Newton passò dopo a mostrare che, di accordo con la sua legge, la gravità è la causa che la Luna si muova in un'orbita ellittica attorno alla Terra, e che la Terra ed i pianeti seguano percorsi ellittici attorno al Sole.

Il modello copernicano si spogliò delle sfere celestiali di Tolomeo e, con esse, dell'idea che l'universo abbia una frontiera naturale.  Poiché le "stelle fisse" non sembravano cambiare le sue posizioni, a parte una rotazione attraverso il cielo causata per il giro della Terra sul suo asse, arrivò ad essere naturale supporre che le stelle fisse erano oggetti come il nostro Sole, ma molto più lontani.

Newton comprese che, di accordo con la sua teoria della gravità, le stelle dovrebbero muoversi l'un l'altra, in modo che non sembrava possibile che potessero rimanere essenzialmente in riposo. Non arriverebbe un determinato momento nel quale tutte esse si riunirebbero? Nel 1691, in una lettera a Richard Bentley, altro imperturbabile pensatore della sua epoca, Newton argomentava che veramente questo succederebbe se ci fosse solo un numero finito di stelle distribuite in una regione finita dello spazio.  Ma ragionava che se, al contrario, ci fosse un numero infinito di stelle, distribuite più o meno uniformemente su un spazio infinito, ciò non succederebbe, perché non ci sarebbe nessun punto centrale dove agglutinarsi.

Questo argomento è un esempio del tipo di difficoltà che uno può trovare quando si discute circa l'infinito. In un universo infinito, ogni punto può essere considerato come il centro, poiché ogni punto ha un numero infinito di stelle ad ogni lato. L'approccio  corretto, che fu solo scoperta molto più tardi, è considerare in primo luogo una situazione finita, nella quale le stelle tenderebbero ad agglutinarsi, e domandarsi dopo come cambia la situazione quando uno aggiunge più stelle uniformemente distribuite fuori della regione considerata.  Di accordo con la legge di Newton, gli stelle extra non produrrebbero, in generale, nessun cambiamento sulle stelle originali che pertanto si continuerebbero agglutinandosi con la stessa rapidità. Possiamo aggiungere tante stelle come vogliamo che nonostante ciò le stelle originali seguiranno unendosi indefinitamente. Questo c'assicura che è impossibile avere un modello statico ed infinito dell'universo, nel quale la gravità sia sempre attrattiva.

Un dato interessante sulla corrente generale del pensiero anteriore al secolo xx è che nessuno avesse suggerito che l'universo si stesse espandendo o contraendo. Era generalmente accettato che l'universo, oppure era esistito per sempre in un stato immobile, oppure era stato creato, più o meno come l'osserviamo oggi, in un determinato tempo scorso finito. In parte, questo può doversi alla tendenza che abbiamo le persone a credere in verità eterne, tanto quanto alla consolazione che ci proporziona la credenza che, benché possiamo invecchiare e morire, l'universo rimane eterno ed immobile.

Perfino quelli che compresero che la teoria della gravità di Newton mostrava che l'universo non poteva essere statico, non pensarono di suggerire che si potrebbe stare espandendo. Al contrario, cercarono di modificare la teoria supponendo che la forza gravitazionale fosse repulsiva a distanze molto grandi. Ciò non colpiva significativamente le sue predizioni sul movimento dei pianeti, ma permetteva che una distribuzione infinita di stelle potesse rimanere in equilibrio, con le forze attraenti tra stelle vicine equilibrate per le forze repulsive tra stelle lontane. Tuttavia, oggigiorno crediamo che tale equilibrio sarebbe instabile: se le stelle in alcuno regione si avvicinasse solo leggermente alcune ad altre, le forze attraenti tra esse diventerebbero più forti e dominerebbero sulle forze repulsive, in modo che le stelle, una volta che incominciassero ad agglutinarsi, lo seguirebbero facendo per sempre.  Al contrario, se le stelle incominciassero a separarsi un po' tra sé, le forze repulsive dominerebbero allontanando indefinitamente ad alcune stelle di altre.

Un'altra obiezione ad un universo statico infinito è normalmente attribuita al filosofo tedesco Heinrich Olbers che scrisse su tale  modello nel 1823.  In realtà, vari contemporanei di Newton avevano considerato già il problema, e l'articolo di Olbers non fu neanche il primo a contenere argomenti plausibili contro il precedente modello.  Fu, tuttavia, il primo ad essere ampiamente conosciuto. L'obiezione alla quale ci riferivamo poggia sul fatto che, in un universo statico infinito, praticamente ciascuna linea di visione finirebbe sulla superficie di una stella. Così, sarebbe da opinare che tutto il cielo fosse, perfino di notte, tanto brillante come il Sole. Il contraargomento di Olbers era che la luce delle stelle lontane sarebbe oscurata per l'assorbimento dovuto alla materia intermedia. Tuttavia, se quello succedesse, la materia intermedia si riscalderebbe, col tempo, fino a che illuminasse di forma tanto brillante come le stelle. L'unica maniera di evitare la conclusione che tutto il cielo notturno debba essere tanto brillante come la superficie del Sole sarebbe supporre che le stelle non stanno illuminando da sempre, ma si accesero in un determinato istante passato finito. In questo caso, la materia assorbente non potrebbe stare scaldi ancora, o la luce delle stelle distanti non c'avrebbe potuti raggiungere ancora. E questo ci condurrebbe alla questione di che cosa avrebbe potuto causare il fatto che le stelle si fossero accese per la prima volta.

Il principio dell'universo era stato discusso, naturalmente, molto prima di questo. Di accordo con distinte cosmologie primitive e con la tradizione judeo cristiana musulmana- , l'universo cominciò in un certo tempo scorso finito, e non molto lontano. Un argomento in favore di un'origine tale fu la sensazione che era necessario avere una "Causa Prima" per spiegare l'esistenza dell'universo. , Dentro l'universo, uno spiega sempre un avvenimento come causato per qualche altro avvenimento anteriore, ma l'esistenza dell'universo in sé, potrebbe essere solo spiegata di questa maniera se avesse un'origine.  Un altro argomento lo diede sant' Agostino nel suo libro La città di Dio. Segnalava che la civiltà sta progredendo e che possiamo ricordare chi realizzò questa impresa o sviluppò quella tecnica. Così, l'uomo, e pertanto magari anche l'universo, non era potuto esistere dietro da molto tempo.  Sant'Agostíno, di accordo col libro del Genesi, accettava una data di circa 5.000 anni prima di Cristo per la creazione dell'universo. , È interessante comprovare che questa data non sta molto lontano dal fine dell'ultimo periodo glaciale, sul 10.000 A.C. che è quando gli archeologi suppongono che realmente incominciò la civiltà. 

Aristotele, e la maggior parte del resto dei filosofi greci, non era a favore, al contrario, dell'idea della creazione, perché suonava troppo ad intervento divino. Essi credevano, quindi, che la razza umana ed il mondo che la circonda erano esistiti, ed esisterebbero, per sempre. Gli antichi avevano considerato già l'argomento descritto sopra circa il progresso, e l'avevano risolto dicendo che c'erano stati inondazioni periodiche o altri disastri che ripetutamente situavano alla razza umana nel principio della civiltà.

Le questioni di se l'universo ha un principio nel tempo e di se è limitato nello spazio furono posteriormente vagliate di forma estensiva per il filosofo Immanuel Kant nella sua monumentale, e molto oscura, opera, Critica della ragione pura, edita in 1781. Egli chiamò  queste questioni antinomie, cioè, contraddizioni, della ragione pura, perché gli sembrava che c'erano argomenti altrettanto convincenti per credere tanto nella tesi che l'universo ha un principio, come nell'antitesi che l'universo era esistito sempre. Il suo argomento in favore della tesi era che se l'universo non avesse avuto un principio, ci sarebbe stato un periodo di tempo infinito anteriore a qualunque avvenimento, quello che egli considerava assurdo. L'argomento in pro dell'antitesi era che se l'universo avesse avuto un principio, ci sarebbe stato un periodo di tempo infinito anteriore a lui, ed in questo modo, perché dovrebbe incominciare in una volta l'universo in questione? In realtà, i suoi ragionamenti in favore della tesi e dell'antitesi sono realmente lo stesso argomento. Ambedue sono basati nella supposizione implicita che il tempo continua all'indietro indefinitamente, tanto se l'universo è esistito da sempre come se no. Come vedremo, il concetto di tempo non ha significato prima del principio dell'universo. Questo era stato già segnalato in primo luogo per sant' Agostino. Quando gli fu domandato: Che cosa faceva Dio prima che creasse l'universo? Sant' Agostino rispose: stava preparando l'inferno per quelli quale domandassero tali questioni. Nel suo posto, disse che il tempo era una proprietà dell'universo che Dio aveva creato, e che il tempo non esisteva in precedenza all'inizio dell'universo.

Quando la maggior parte della gente credeva in un universo essenzialmente statico ed immobile, la domanda di se questo aveva, o no, un principio era realmente una questione di carattere metafisico o teologico.  Potevano spiegarsi altrettanto bene tutte le osservazioni tanto con la teoria che l'universo era esistito sempre, come con la teoria che era stato messo in funzionamento in un determinato tempo finito, di tale forma che sembrasse come se fosse esistito da sempre.  Ma, in 1929, Edwin Hubble fece l'osservazione cruciale che, dove voglia che uno guardi, le galassie distanti si stanno allontanando da noi. O in altre parole, l'universo si sta espandendo. Questo significa che in epoche anteriori gli oggetti sarebbero dovuti essere più insieme tra sé. In realtà, sembra essere che ci fu un tempo, fa circa dieci o venti mille milioni di anni, in cui tutti gli oggetti stavano esattamente nello stesso posto, e nel che, pertanto, la densità dell'universo era infinita. Fu detta scoperta quello che finalmente portò la questione del principio dell'universo ai domini della scienza.

Le osservazioni di Hubble suggerivano che ci fu un tempo, chiamato il big bang [gran esplosione o esplosione primordiale] in cui l'universo era infinitésimamente piccolo ed infinitamente denso. Fissate tali condizioni in quel momento, tutte le leggi della scienza, e, pertanto, ogni capacità di predizione del futuro, si sgretolerebbero. Se ci fossero stati avvenimenti anteriori a questo non potrebbero infuire in nessun modo su quello che succede al presente. La sua esistenza potrebbe essere ignorata, poiché ciò non provocherebbe conseguenze osservabili. Uno potrebbe dire che il tempo ha la sua origine nel big bang, nel senso che i tempi anteriori semplicemente non sarebbero definiti. È segnalare che questo principio del tempo è radicalmente differente di quelli previamente considerati. In un universo immobile, un principio del tempo è qualcosa che deve essere imposto da un essere esterno all'universo; non esiste la necessità di un principio. Uno può immaginarsi che Dio creó l'universo in, testualmente, qualunque istante di tempo. Al contrario, se l'universo si sta espandendo, possono esistere poderose ragioni fisiche affinché debba c'essere un principio. Uno potrebbe immaginarsi ancora che Dio creó l'universo nell'istante del big bang, ma non avrebbe senso supporre che l'universo fosse stato creato prima del big bang. Universo in espansione non escludi l'esistenza di un creatore, ma sì stabilisci limiti su quando questo aveva potuto portare a termine la sua missione!

Per potere analizzare la natura dell'universo, e potere discutere questioni tali come se c'è stato un principio o se ci sarà un fine, è necessario avere chiaro quello che è una teoria scientifica. Consideriamo qui un punto di vista ingenuo, nel quale una teoria è semplicemente un modello dell'universo, o di una parte di lui, ed un insieme di regole che riferiscono le grandezze del modello con le osservazioni che realizziamo.  Questo esiste solo nelle nostre menti, e non ha nessuna altra realtà, chiunque sia quello che questo possa significare. Una teoria è una buona teoria purché soddisfaccia due requisiti: deve descrivere con precisione un ampio insieme di osservazioni sulla base di un modello che contenga solo pochi parametri arbitrari, e deve essere capace di predire positivamente i risultati di osservazioni future. Per esempio, la teoria di Aristotele che tutto era costituito per quattro elementi, terra, aria, fuoco ed annacqua, era il sufficientemente semplice come per essere qualificato come tale, ma falliva in che non realizzava nessuna predizione concreta. Al contrario, la teoria della gravità di Newton era basata in un modello perfino più semplice, nel quale i corpi si accattivavano tra sé con una forza proporzionale ad una quantità chiamata massa ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra essi, nonostante il quale era capace di predire il movimento del Sole, la Luna ed i pianeti con un alto grado di precisione.

Qualunque teoria fisica è sempre provvisoria, nel senso che è solo un'i...

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