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Uomo e universo: dualismo sotto inchiesta

Vincenzo Croce - Astrofisico

Esiste una qualche motivazione plausibile per la quale l'Universo debba comportarsi in un modo che sia analizzabile dalla ragione umana? E se le leggi fisiche che lo riguardano sono state elaborate dalla ragione dell'uomo, come avrebbero potuto, esse stesse, condizionare fin dall'origine la nascita e l'evoluzione dell'Universo futuro? Secondo la teoria nota come "Principio Antropico", proprio nella circostanza che, ad un certo momento, sia sorta un'umanità in grado di raziocinare, si trova nascosta la chiave per interpretare i reconditi motivi di quelle peculiari coincidenze di condizioni instauratesi nel Cosmo, che ne hanno reso l'organizzazione razionale e comprensibile.

Gli antichi sapienti studiano il cielo (miniatura tardo medievale)

L'aspetto più incomprensibile dell'Universo - ebbe a dire una volta Einstein - è il fatto stesso che esso sia comprensibile". Per la verità in questo aforisma è racchiuso un concetto che va ben al di là dell'apparente boutade scientifica di un uomo di studio il cui campo di lavoro era rappresentato dalla realtà cosmica, dalle sue leggi e dal suo comportamento. In verità, la ricerca volta all'osservazione analitica dei fenomeni naturali rappresenta la necessaria premessa per la deduzione di leggi comportamentali che abbiano validità costante nel tempo e nello spazio e sulle quali possano poggiare i fondamenti per la previsione di nuovi fenomeni fisici. In un'operazione del genere, l'unica condizione indispensabile che si pone è che il comportamento naturale del mondo fenomenico riesca ad adattarsi a quei principi di razionalità che caratterizzano l'attività della ragione umana. L'affermazione potrebbe, a prima vista, sembrare gratuita e, forse, un po' lapalissiana visto che l'uomo, con le proprie doti analitiche e ragionative non è altro che un prodotto di quel; mondo fenomenico che è chiamato ad interpretare; e sembrerebbe, anzi, cosa sorprendente e bizzarra una situazione nella quale la ragione umana non riuscisse a comprendere la natura nella quale essa opera e dalla quale, per lenta evoluzione, è stata generata. Peraltro, la questione non si dimostra in fondo tanto pacifica quanto potrebbe apparire. Alla luce delle scoperte e degli sviluppi teorici più avanzati che, insieme e in armonia con gli sviluppi della fisica delle alte energie, la cosmologia moderna è riuscita a conseguire, si è andato infatti diffondendo nell'ultimo decennio un movimento scientifico di opinione che vede coinvolti numerosi uomini di scienza, fra i più insigni, in una revisione ardita ed eccitante di quelli che potrebbero definirsi i principi generalissimi delle causalità cosmiche. Fondamentalmente, la domanda che costoro si pongono è: esiste una qualche motivazione plausibile per la quale l'Universo debba comportarsi in un modo che sia analizzabile dalla ragione umana? E se le leggi fisiche che lo riguardano sono state elaborate dalla ragione dell'uomo, come avrebbero potuto, esse stesse, condizionare fin dall'origine la nascita e l'evoluzione dell'Universo futuro? Quesiti doverosi e profondi, come è agevole comprendere; quesiti da far "tremare le vene e i polsi", di chiunque voglia azzardarsi a discettare sulle finalità ultime dell'Universo e, in particolare, delle sue relazioni col fenomeno-uomo.

L'astronomo danese Tycho Brahe (1546-1601), che fu maestro di Keplero. Le sue osservazioni costituirono la base
per il grande sviluppo vissuto dall'astronomia nel XVII secolo.
 

Le ere cosmiche

Le dimensioni dell'Universo non erano ancor giunte a superare quelle di un protone (10-13 cm) - pur trovandosi esse in espansione esplosiva - che il rapido declino termico cominciava già a consentire i primi processi di trasmutazione in quarks ed antiquarks (con una lieve eccedenza dei primi) da parte delle entità più elementari che la fisica oggi conosca: i cosiddetti bosoni, particelle descrivibili quantisticamente in modo affine ai fotoni della luce. Tali processi condussero ad almeno due eventi importantissimi. Le reciproche annichilazioni fra particelle ed antiparticelle, finirono per saturare di fluido radiante eccezionalmente denso (il cosiddetto fire-ball o sfera di fuoco) il minuscolo universo del momento; in secondo luogo, al termine degli eventi di annientamento fra le coppie quark-antiquark sopravvisse un certo numero di quarks i quali, in aggruppamenti ternari di differente disposizione, andarono a formare protoni e neutroni, vale a dire gli enti basilari per la differenziazione chimica della materia cosmica. poiché siffatti enti identificano i nucleoni i quali, come è stato precisato, interagiscono attraverso la forza nucleare forte, la prima età dell'Universo viene anche definita èra adronica (da hadros, forte) in quanto al termine di essa - vale a dire circa alla fine del primo secondo del tempo cosmico tutti i mattoni della materia universale erano ormai stati prodotti e, da quel momento, non una sola unità venne più ad aggiungersi, o a mancare, al patrimonio delle particelle fondamentali così tanto in fretta realizzato. I fisici hanno valutato che il numero delle particelle dotate di massa, residue ai processi di annichilazione iniziali, debba farsi ascendere all'ordine di 1080, numero che, come avremo occasione di vedere, sembra rivestire un carattere peculiare. Nell'ambito della sfera di fuoco permeante il giovanissimo Universo altri eventi di fondamentale importanza avevano nel frattempo iniziato a verificarsi.

I fotoni altamente energetici della radiazione gamma davano infatti luogo ad intensi processi di materializzazione, e successiva annichilazione, fra coppie elettroniche e neutriniche, le quali, anch'esse, allorché la temperatura fu scesa abbastanza (intorno al miliardo di gradi) si stabilizzarono in quantità andando a formare, insieme ai nucleoni, quel genere di miscuglio di particelle elettricamente cariche che i fisici definiscono plasma nucleare.

In tal modo, al termine dei primi 3 secondi, con l'arresto dei processi di materializzazione dei neutrini e degli elettroni una seconda èra cosmica veniva a concludersi, quella leptonica, così detta in quanto le particelle suddette rientrano nella famiglia dei leptoni (da leptos, leggero), le cui forze d'interazione - nucleare debole ed elettromagnetica - rispetto alle forze nucleari forti si distinguono per la loro minore intensità, per il più largo raggio d'azione e per manifestarsi col duplice carattere attrattivo e repulsivo. Da questo momento, fin verso il compimento del suo mezzo milione di anni di età, l'Universo in espansione si mantenne permeato di plasma ribollente in seno al quale, favorite dalle altissime temperature - peraltro in rapido declino con l'accrescersi simultaneo della scala dimensionale del Cosmo - presero inizio i primi, timidi processi di sintesi termonucleare fra protoni e neutroni con formazione di nuclei d'elio, di deuterio, di litio, di berillio e qualche altra sostanza semplice, che peraltro l'intensissimo bombardamento da parte della radiazione gamma immediatamente tornava a dissolvere.

La funzione prevalente esercitata durante questo periodo di tempo dalla forza elettromagnetica, tramite i fotoni della luce, determina un terzo importante periodo cosmico che è quello dell'era fotonica.

Dopo che la temperatura della sfera di fuoco fu discesa al disotto della soglia dei 3-4000°C, la fotodissociazione dei nuclei atomici in formazione cessò, e dall'èra fotonica emerse un oceano di nuclei di idrogeno (semplici protoni), nonché una piccola quantità di nuclei di elio (associazioni di una coppia di protoni con uno o due neutroni) pari al 4% del totale.

Gli elettroni liberi andarono ad aggregarsi con i nuclei così formati dando luogo ad edifici atomici elettricamente neutri dei quali essi avrebbero definitivamente seguito le ulteriori vicende fisiche. In tal modo, essi si svincolavano da ogni successiva interazione con la radiazione.

René Descartes in un ritratto del 1648. Cartesio fu autore di una grande opera di fisica e astronomia, il Trattato sulla luce,
che poi non pubblicò in quanto preoccupato per la condanna inflitta a Galileo dall'Inquisizione.

È a questo stadio evolutivo che può farsi risalire l'origine della materia così come essa oggi ci si manifesta; tale evento segna la fine dell'era fotonica e l'inizio di quella nella quale stiamo ancora vivendo, l'era barionica (da barys, pesante), così detta perché, con l'intervento risolutivo della forza di gravità in luogo di quella elettromagnetica, in essa si determinerà e si svolgerà, nel tempo a venire, l'evoluzione fisica della materia fino alla generazione delle galassie e delle stelle.

La radiazione, da parte sua, seguendo alla stregua di un fluido gassoso le vicende dell'espansione universale, sarà destinata a rarefarsi e a spostare la propria lunghezza d'onda caratteristica fin nella banda elettromagnetica delle microonde dove, nel 1965, venne per la prima volta rintracciata casualmente, ed identificata, dai fisici A. Penzias e R. Wilson.

La scoperta di questo genere di radiazione rappresenta la faccia residua - diremmo ormai fossile - ma eloquentissima dell'antica presenza della sfera di fuoco nata dal big-bang iniziale; essa ha troncato con lo schiacciante peso dell'evidenza ogni ulteriore controversia tendente a negare l'origine temporale dell'Universo. Oggi sappiamo con certezza, giacche un insieme di prove sperimentali lo attesta in modo indiscutibile, che il complesso del mondo fenomenico che ci attornia è sorto assai presumibilmente fra i 16 e i 20 miliardi d'anni or sono. L'incertezza è unicamente connessa alla dubbia valutazione dell'entità ponderale e complessiva dell'Universo; peraltro non sussistono esempi di oggetti lontani, quasar e radiogalassie, cui possa attribuirsi una distanza in anni luce superiore a quei valori; né si conoscono stelle, per quanto vecchie, la cui età superi con certezza quei valori stessi.

Perché l'Universo è ordinato?

Il quadro evolutivo che abbiamo appena delineato è oggi condiviso, senza sostanziali eccezioni, dalla gran parte dei fisici e dei cosmologi. Nondimeno, ad un'analisi comportamentale, si è riconosciuto che esso non riesce a soddisfare alcune considerazioni molto concettuali e abbastanza inquietanti.

In primo luogo, c'è da convenire che il mondo estremamente differenziato che ci circonda sembra turbare quel principio universalmente accettato della termodinamica che, al contrario, afferma come in ogni sistema fisico statistico lasciato in libera evoluzione, i componenti finiscano per raggiungere la più completa uniformità e disordine. Le molecole del profumo contenuto in una boccetta tendono, come sappiamo, a diffondersi nella stanza e giammai, una volta diffuse, le vedremo concentrarsi spontaneamente in nuclei odoriferi separati. Come mai, ci si chiede, le particelle costituenti il fluido cosmico primordiale sono invece andate a confluire in quei grandiosi ammassi originari che sono, appunto, le galassie, quelle formazioni materiali fondamentali tipiche che hanno presieduto al vastissimo accentramento ulteriore della materia in nebulose, stelle, associazioni stellari e pianeti ?

È stato tuttavia fatto notare che è proprio nello scarto venutosi ad accumulare nello stato termodinamico inerente all'attuale livello di differenziazione raggiunto dal Cosmo, nei confronti dell'equilibrio allo stato di uniformità indifferenziata, che va ricercata la motivazione della cosiddetta "freccia del tempo", vale a dire dell' entità che condiziona il regime col quale il cronotopo si sposta lungo la propria coordinata temporale. È evidente che qualora la materia cosmica finisse col raggiungere il livello di uniformità generale sancito dal 3 ° principio della termodinamica, in mancanza di ogni possibile evento trasformativo ulteriore, lo scorrere del tempo verrebbe a perdere qualsiasi significato!

In effetti, il fatto che l'Universo si trovi in espansione altera in modo sostanziale il senso dell'esempio fornito dalla boccetta di profumo giacche, se immaginassimo che le dimensioni della stanza stessero accrescendosi con rapidità maggiore di quella con la quale le molecole odorifere possono diffondersi, constateremmo con facilità che le apparenze sarebbero quelle di un fluido - il profumo - che tende a rimpicciolire il proprio raggio d'azione andando con ciò clamorosamente contro il 3° principio.

Pare quindi che sia allo stato d'espansione cosmologica che debba farsi risalire non solo la realtà della tendenza alla differenziazione e all'ordine, bensì anche alcune altre proprietà fondamentali quale, ad esempio, quella di causalità che vediamo presiedere e governare l'insieme dei fenomeni naturali, biologici compresi, ai quali essa conferisce in definitiva quel crisma di razionalità che ce li rende comprensibili.

Nicolò Copernico (1473-1543).
 

Coincidenze cosmologiche

Alcuni studiosi (il Collins, l'Hawking, tanto per citare) hanno però fatto notare, col calcolo matematico, che il processo iniziale di formazione delle disomogeneità protogalattiche in seno al fluido cosmologico sotto l'azione della forza più debole che si conosca, quella gravitazionale, avrebbe potuto essere innescato solo a patto che la velocità d'espansione della scala spaziale dell'Universo avesse coinciso con la velocità di fuga dal campo attrattivo esercitato nel complesso dal contenuto ponderale del Cosmo.

Ciò vorrebbe significare, sotto altro verso, che l'intensità specifica della forza di gravità o, come si dice, la costante di accoppiamento gravitazionale della materia, si trova in una relazione specifica e determinata con la quantità della materia esistente. Tale punto di vista, per la verità, non giungerebbe del tutto nuovo: agli inizi del secolo, ad esempio, Ernst Mach si dichiarava appunto d' avviso che la forza d'attrazione sperimentata sulla Terra non fosse che il risultato tangibile della presenza di tutte le stelle e galassie esistenti nell'Universo.

Galileo Galilei (1564-1642).

E, a tale riguardo, non va dimenticato che alcuni decenni più tardi P.A.M. Dirac, fisico insigne, faceva notare una strana coincidenza numerica: l'inverso del valore della costante d'accoppiamento esprime esattamente la radice quadrata del numero totale delle particelle stabili dotate di massa presenti nell'Universo (che sappiamo aggirarsi intorno a 1080) talché sembrerebbe sussistere effettivamente più d'una prova a favore di una connessione causale sconosciuta fra l'intensità sotto cui si manifesta la forza gravitazionale nella materia e la materia stessa.

Brandon Carter, astrofisico a Cambridge, ha svolto da parte sua alcune interessanti considerazioni riguardo l'entità delle conseguenze con le quali una pur piccola variazione intrinseca della gravitazione si ripercuoterebbe sull'evoluzione fisica delle stelle. Nell'ipotesi che la costante d'interazione fosse stata di un' ordine di grandezza più elevata 10-39 invece che 10-40 nei confronti della forza nucleare forte - non soltanto le disomogeneità cosmologiche eventualmente presenti ai primordi non avrebbero avuto il tempo necessario per dar origine alle galassie avanti che l'Universo stesso finisse per collassare su se stesso, ma le stelle che fossero riuscite nel frattempo a condensarsi, sotto la maggior azione della gravità, avrebbero raggiunto nei loro interni livelli termici ben più elevati di quanto oggi non siano, così da indurle a sviluppare reazioni di sintesi termonucleare molto violente.

In definitiva, si sarebbero sparsamente accesi, nell'Universo, astri caldi, luminosissimi, appartenenti alla classe delle giganti-blu, non legati in quei colossali organismi autonomi che sono le galassie. Bruciando furiosamente il proprio idrogeno, esse si sarebbero esaurite e spente nel breve volgere di qualche decina di milioni d'anni. Nessuna stella di tipo solare o di classe più inoltrata - vale a dire astri a vita lunga del genere delle subnane gialle e nane rosse, capaci di irradiare per decine di miliardi d'anni - avrebbe avuto probabilità di nascere; né, tanto meno, intorno ad astri tanto effimeri avrebbe avuto tempo di stabilizzarsi una sfera ecologica suscettibile di sviluppare, sui lunghissimi tempi richiesti, una qualsiasi evoluzione biologica.

Isaac Newton (1642-1727).

Il contrario, sempre secondo Carter, si sarebbe verificato nell'ipotesi di una forza di gravità più debole di quella che ci è usuale. In tale circostanza, l'Universo sarebbe apparso popolato di piccoli, freddi astri sanguigni, diffusi liberamente in uno spazio destinato ad espandersi in perpetuo. Troppo scarso e debole si sarebbe rivelato l'irraggiamento di codesto tipo di stelle per dar luogo, anche in questo caso, e pur con un lunghissimo futuro a disposizione; ad un ambiente passibile di venir permeato da una vita biologica sviluppata fino alla razionalità.

È certo che pure le altre forze di natura conosciute implichino delle connessioni con la realtà che si rivelano altrettanto critiche quanto misteriose. Si potrebbe osservare che una forza nucleare, anche di qualche punto in percentuale meno forte, non consentirebbe l'associazione fra i protoni; il fluido cosmico consterebbe allora esclusivamente d'idrogeno, le stelle non innescherebbero le normali reazioni di sintesi dalle quali tutti i restanti elementi chimici prendono origine, ma terminerebbero la propria esistenza finendo col collassare rapidamente in nane bianche.

D'altra parte, nella circostanza di una forza nucleare un poco più intensa, già in seno al fluido cosmologico primordiale dell'era fotonica, si sarebbero venute a verificare interazioni intense fra i protoni liberi, cosicché il fluido stesso sarebbe emerso nella successiva era barionica quasi integralmente trasformato in elio.

In entrambe le circostanze, come si vede, la composizione chimica dell'Universo si sarebbe rivelata molto semplice ed uniforme. Da essa non avrebbe giammai potuto trarre origine la ricchissima varietà delle organizzazioni naturali che invece ci circondano con le cristallizzazioni svariatissime presenti nei minerali, con le associazioni molecolari delle lunghe catene proteiche, fino alla miracolosa organizzazione cellulare della materia vivente, alla sintesi dell'attività biologica più eletta rappresentata dall' autocoscienza della mente umana.

Francesco Bacone (1561-1626).
 

Il Principio Antropico

Ora, la constatazione indubbia che la mirabile e complessa organizzazione razionale del Cosmo viene a poggiare in definitiva su un numero assai ristretto di condizioni basilari -pur tuttavia determinate, quest'ultime con un esiguo margine di tolleranza - implicherebbe che la visione che noi abbiamo della realtà non sia che il prodotto di un raffinato gioco di equilibri estremamente critici.

Questo, in altre parole, equivale ad asserire che le apparenze sembrano suggerire fortemente che l'Universo abbia, quasi adire, "escogitato" le leggi fisiche da darsi onde renderle le più adatte a quelli che avrebbero dovuto essere i suoi risultati finali. Giova ricordare che un' certo numero di fisici ed astronomi di chiara fama, come un R.H. Dicke, un S.W. Hawking, un J.A. Wheeler, oltre al E. Carter già citato, non hanno nascosto una loro originalissima opinione in merito a considerazioni di siffatta natura.

Giovanni Keplero (1571-1630).

L'originalità delle opinioni consiste, nella sostanza, nell'escludere che nell'Universo infinitamente piccolo, denso e caldo sorto ai 10-35 secondi dall'istante iniziale, potesse trovarsi racchiuso in germe tutto il caratteristico patrimonio di condizioni fisi- che, così peculiari e sottili, che dalle galassie, alle stelle, ai pianeti, si è venuto ad estrinsecare fino alla generazione di forme intelligenti.

Va rammentato che i 10-35 secondi di età cosmica rappresentano il momento di massima regressione temporale al quale le normali leggi fisiche della Relatività e della Quanto- Meccanica riescono ancora a descrivere il comportamento della materia e della radiazione. Non esiste ancora una generale convergenza di opinioni sugli eventi che potrebbero aver caratterizzato l'Universo negli istanti precedenti; con l'inoltrarsi a ritroso fino al tempo zero. Forse, ne accenneremo su queste stesse pagine in una prossima occasione; ma il fatto certo per ora, sul quale i fisici tendono a concordare, è che la materia e la radiazione non furono sicuramente governate dalle forze fondamentali che conosciamo. Anzi, l'Universo dei primissimi istanti potrebbe avere rappresentato un' entità del tutto vuota di strutture, pregna soltanto di una non ben compresa "energia di eccitazione").

Tenendo conto di tutto questo, non è lecito riguardare il complesso del Cosmo alla stregua di un sistema fisico isolato, sottoposto a leggi comportamentali valide indipendentemente a priori: Piuttosto - e tale è l'opinione degli studiosi citati - sembra più costruttivo andare a cercare a posteriori le cause prime che hanno condizionato l'Universo stesso fino a favorire, col tempo, l'emersione dal suo seno delle forme organizzate più evolute.

L'unico esempio di forma intellettiva in grado di comprendere le leggi dell'Universo, e di cui abbiamo finora nozione, è ovviamente quella umana. Perciò - e in questa affermazione inquietante e rivoluzionaria il Dicke può ben dirsi esser stato un precursore - bisogna pensare che è proprio nella circostanza che, ad un certo momento, sia sorta un'umanità in grado di raziocinare, che si trova nascosta la chiave per interpretare i reconditi motivi di quelle peculiarissime coincidenze di condizioni instauratesi nel Cosmo, delle quali abbiamo trattato, e che ne hanno reso l'organizzazione razionale e comprensibile.

Il lettore può, a ragione, rimanere non poco turbato dinanzi ad una siffatta affermazione, che gira da qualche tempo sotto la definizione di Principio Antropico. Potrebbe, a rigore, inquadrarla in una sorta di petizione di principio contraria al consueto metodo scientifico di dedurre gli effetti dalle cause, e non viceversa.

Peraltro, la maggior giustificazione concettuale del Principio Antropico risiede nel fatto che non è possibile configurare una legge di comportamento per il Cosmo che sia precedente alla nascita del Cosmo stesso. Una tale legge potrebbe, al contrario, venir desunta proprio dal quadro cosmico offerto dai risultati raggiunti.

In altre parole, se finalità ultima dell'Universo era quella di far emergere organismi capaci di comprenderne l'organizzazione, allora le leggi di cui l'Universo non disponeva ai suoi inizi, ma che comunque doveva necessariamente darsi con l'intraprendere la propria evoluzione, non potevano altro che conformarsi in modo da favorire l'insorgere della razionalità in quegli organismi medesimi.

Brandon Carter ha voluto sottolineare lo spirito del Principio Antropico del Dicke con il seguente aforisma: "Cogito, ergo mundus talis est", venendo così a precisare che l'Universo sarebbe stato ben diverso se ora non ci fossimo qui noi, umanità cosciente (non esclusa, naturalmente, ogni possibile altra forma intellettiva esistente nei Cosmo) a dimostrarsi capace di comprenderlo e di inquadrarlo in quelle leggi comportamentali che appaiono compatibili con la nostra razionalità.

Non si tratta, come potrebbe apparire, di una forma di neoantropocentrismo risorta sotto l'ègida di un discorso scientifico sofisticato. La posizione dell'uomo nell'Universo infatti non ne risulta, per questo, minimamente privilegiata, se non altro perché le leggi della sua fisica posseggono carattere universale, valido indifferentemente in ogni punto dello spazio e in ogni epoca del tempo.

È vero piuttosto - come alcuni aspetti della meccanica quantistica insegnano - che la presenza dell'osservatore può dimostrarsi altrettanto essenziale al modo in cui la realtà si manifesta quanto lo è la realtà stessa. Aver esteso questo concetto, indiscutibilmente profondo, al rango superiore d'interpretazione universale ci sembra in effetti costituire un coraggioso e quanto mai geniale riconoscimento dell'uniformità di quei principi fisici sui quali si fonda ogni aspetto della natura.
 

Articolo pubblicato per la prima volta sulla rivista Abstracta n. 26 - maggio 1988, riprodotto per gentile concessione dell'autore. Tutti i diritti riservati. Riproduzione vietata con qualsiasi mezzo.

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