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| 34) La caotica semplicità del cosmo Il fisico Luciano Pietronero ha elaborato un'affascinante teoria secondo cui l'Universo avrebbe la stessa struttura auto-replicante dei frattali. Se provata, sarebbe una rivoluzione più profonda di quella Copernicana di Roberto Vacca Nova24,il Sole24 ore, 16/03/2006 |
| «Rivoluzione Copernicana» è un cliché. Indica un cambiamento radicale nel modo di pensare, senza relazione con le orbite planetarie col sole al centro. Dal 1987 si discute su una visione del cosmo ben più innovativa. Il fisico Luciano Pietronero sostiene che l'universo ha una struttura frattale irregolare, disuniforme, con immani regioni vuote. Sono nati ampi dibattiti, Discussi nel libro di Yurij Barishev e Pekka Teerikorpi Discovery of the Cosmc Fractals, World Scientific, 2002 (edito in Italia da Boringhieri). La parola "frattale" fu coniata da Benoit Mandelbrot nel 1975. Un frattale è una curva, superficie o solido le cui proprietà non dipendono dalla scala, che presenta, cioè, autosimilarità. Ogni parte della curva, anche minima, se ingrandita è identica all'intera curva.  I frattali di Mandelbrot sono noti: curve che sembrano piante con tentacoli ripetitivi, variopinti, pieni di volute. Sono riprodotti a scopo ornamentale. La figura è una parte del famoso frattale di Julia: ingrandendo porzioni minime delle spirali si ottengono di nuovo immagini identiche a quelle iniziali. Queste strutture complesse si generano con formule matematiche semplici. Si chiamano frattali deterministici: in essi l’autosimilarità si conserva in maniera esatta fino a parti infinitesimali. La forma ricorda strutture vegetali o animali che sono, invece, frattali stocastici, in cui l'autosimilarità è statistica, non esatta. Per comprendere gli oggetti frattali, consideriamone la massa contenuta in un volume dato in funzione delle dimensioni. La massa dei solidi pieni cresce col cubo della dimensione lineare: il cubo di lato L ha volume V = D (e massa proporzionale). Invece i frattali solidi includono molti vuoti. La massa è proporzionale a una potenza D (multipli di 3) della dimensione lineare detta "dimensione frattale". La densità d di materia in un cubo frattale di lato L con D = 2 è d = L2/L1 =1/L. La scoperta di Pietronero (possibile dopo la costruzione di grandi cataloghi e mappe di galassie) è che anche le immani strutture cosmiche sono frattali, simili a quelle degli oggetti terrestri: tentacoli, rami arteriosi. Per capire la struttura del cosmo dovremmo costruirne mappe in 3D. È arduo, perché noi vediamo lo spazio solo dal punto di vista della Terra o di sonde che se ne discostano poco (meno di una unità astronomica, l'unità astronomica, UA, è la distanza Terra-Sole: 300 milioni di chilometri, cioè 300 miliardi di metri - Gm). Gli angoli li misuriamo bene. Misurare le distanze è più arduo. Gli astrofisici vedono strutture frattali come quelle descritte sopra e illustrate nella figura. Però ricostruiscono mappe tridimensionali da cui calcolare le caratteristiche statistiche. La cosmologia insegna che «le galassie sono distribuite in modo uniforme e isotropo, e si vedono in ugual quantità in qualunque direzione si guardi». Già Copernico vide che la Terra non è il centro dell'universo. Ogni punto è equivalente a ogni altro. Dunque l'universo era visto come omogeneo e isotropo (cioè con proprietà identiche in ogni direzione). Ora Pietronero ha determinato, in base alla fisica statistica, che la densità delle strutture costitutive di galassie e loro ammassi è autosimile: ha densità tanto minore quanto più grande è il volume considerato. Dunque, la struttura del cosmo ha andamento frattale e valgono i semplici calcoli della densità che abbiamo fatto sopra. La densità d della materia decresce al crescere della scala S secondo una legge "di potenza" (del tipo: d = KS-b, dove K e b sono costanti positive). Delle distribuzioni di questo tipo ("prive di scala") non si può definire un valore caratteristico (di ogni campione si definisce la media che dipende dalle dimensioni del campione e decresce all'aumentare di esse). Pietronero e l'astrofisico Francesco Sylos-Labini hanno rilevato questo andamento per distanze da noi che vanno da 0,1 fino a 100 Mpc, ovvero milioni di parsec (un parsec è la distanza a cui si trova una stella che vediamo con un angolo di parallasse di 1 secondo di grado quando la Terra compie mezzo giro intorno al sole e si sposta quindi di 2 unità astronomiche. Un parsec è uguale a 3,08 anni luce, cioè alla distanza percorsa dalla luce in più di 3 anni, pari a 206.265 UA). Se la materia fosse distribuita uniformemente nel cosmo, la densità sarebbe la stessa ovunque. Forse l'omogeneità del cosmo si verifica a distanze maggiori di 100 Mpc. Le mappe delle galassie e dei loro ammassi consentono di valutare la densità della materia nel cosmo. La materia luminosa delle stelle che vediamo è solo una piccola parte (circa 1/10) del totale. I 9/10 sono materia oscura: non la vediamo, ma si calcola con il teorema viriale. Non sappiamo cosa costituisca la materia oscura: forse neutrini (particelle prive di carica con una massa 10 milioni di volte minore dei neutroni). Forse esistono axioni (con massa ancora minore) e neutralini pesanti oltre il doppio di un neutrone, particelle mai osservate, ma la cui esistenza è forse necessaria in base ai calcoli. Le proprietà della materia oscura sono misteriose. Forse essa produce una forza di gravità negativa che causa la repulsione mutua delle masse e l'accelerata espansione dell'universo. Qui stentiamo a capire: «Il vuoto cosmico avrebbe una massa gravitazionale negativa (opposta alla gravità)». La visione del cosmo come una grande struttura frattale rappresenta, dunque, una rivoluzione più profonda di quella Copernicana. Gli scienziati si avvicinano a capire l'universo come se potessero vederlo da fuori in 3 dimensioni. Questi progressi ci aiutano anche a rispondere a quesiti elementari. Per esempio: Perché la notte è buia? Non è domanda banale: anche se il sole sta dall'altra parte della Terra, se il cosmo è infinito e uniforme, in qualunque direzione guardiamo dovremmo vedere altre stelle anche molto lontane che insieme costituirebbero una cortina luminosa splendente. Perché, allora non è sempre giorno? Una prima risposta è: «La luce delle stelle lontane è intercettata da polvere interstellare presente nel piano della nostra galassia (la Via Lattea) e impedisce di vedere le altre galassie fuori da questo piano». Seconda risposta: «La maggior parte della materia presente nel cosmo è oscura e copre le stelle lontane». Terza risposta: «Arriva a noi solo la luce che proviene da distanze inferiori a 15 miliardi di anni luce, perché è questa l'età del cosmo: le stelle più lontane non possono farci arrivare la loro luce perché non esistevano». Comunque sia, dato che il cosmo ha struttura frattale, la densità decresce con la distanza e, quindi, non ci arriva luce da vaste zone vuote. I misteri non sono rutti risolti. Le distanze cosmiche si calcolano in funzione dell'abbassamento delle frequenze dovuto all'effetto Doppler. La legge di Hubble spiega che tale spostamento delle frequenze indica velocità di allontanamento tanto maggiori quanto più lontane da noi sono le galassie (ne sono state analizzate centinaia di migliaia e il numero cresce di continuo). La costante di Hubble è il fattore di proporzionalità fra velocità di allontanamento e distanza. Sul suo valore permangono dubbi: si valuta fra 50 e 100 km/sec per ogni Mpc (Megaparsec) di distanza. La legge di Hubble comincia a funzionare alla distanza di alcuni Mpc e indica, poi, velocità enormemente crescenti. A distanze estreme (di Gigaparsec) la misura sembra indicare velocità di alcune volte maggiori di quella della luce che la teoria della relatività indica come impossibile da superare. Queste osservazioni, allora, si interpretano non come prove di velocità così alte, ma come dati empirici che riflettono una "velocità apparente". Le frequenze si sposterebbero verso il rosso anche per effetti gravitazionali, cioè per la perdita di energia dei fotoni che si allontanano da un corpo di grande massa. Lo spettro solare è già percepito da noi spostato verso il rosso di 106, il che sembrerebbe corrispondere a una velocità di allontanamento del Sole dalla Terra di 30 m/sec, che in realtà non si verifica. Altra spiegazione: sarebbe lo spazio intermedio a espandersi di continuo dando l'impressione di velocità in effetti non reali. I misteri da investigare sono molti. Perfino le vere cause dell'inerzia sono un mistero. L'astrofisico Edward Harrison ha scritto: «Alla domanda "Dove va l'energia in un universo che si espande e da dove viene in un universo che sta collassando?" rispondo: da nessuna parte perché in questo caso l'energia non si conserva». L'idea che non valga il basilare principio di conservazione dell'energia ci turba profondamente. La fisica che ci hanno insegnato sembra tremare. La situazione è simile a quella che s'incontra in elettrodinamica quantistica, quando ammettiamo che un effetto si verifichi prima della causa che lo produce. Gli asrrofisici Barishev e Teerikorpi scrivono: «Dobbiamo ammettere che l'Universo e le teorie che lo descrivono contengono cose che sorpassano i nostri poteri di immaginazione. I nostri occhi sono ottimizzati per vedere il massimo nello spettro della luce solare. Il nostro cervello è costruito per affrontare efficientemente i problemi nel nostro ambiente locale. Non ci stupiamo che i tentativi di penetrare in regioni del mondo molto piccole e molto grandi siano così eccitanti e pieni di sfide». I fisici spiegano i dettagli del Big Bang illustrando perfino cosa accadde quando l'Universo aveva dimensioni di 10-33 centimetri (un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro). Gli scettici fra noi considerano queste affermazioni come extrapolazioni audaci oltre ogni limite. |
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