Antonio Ereditato, fisico
I RACCONTI DEI NEUTRINI
EVOLUZIONE DELL'UNIVERSO E ALTRE STORIE
La discussione della serata prende l'avvio da un'affermazione di Charles Percy Snow circa
l'incomunicabilità esistente tra scienziati e letterati, esplicitata nel testo Le due culture (1959).
Snow, che era al tempo stesso fisico e scrittore, in questo libro descrive una vera e propria frattura
tra il mondo della ricerca scientifica e quello degli studi umanistici, a causa della specializzazione
culturale. Esiste una sola via per uscire da questa situazione: un ripensamento del nostro sistema
educativo.
Il Fisico Antonio Ereditato, che è riuscito a coinvolgere a lungo gli ascoltatori parlando di
argomenti difficili, si è subito dichiarato convinto assertore dell'unitarietà della CULTURA: non si
può parlare di fisica senza coinvolgere la filosofia. Appare così naturale guardare il famoso dipinto
di Van Gogh con gli occhi un tempo della filosofia ed oggi dei fisici. Nei tratti incisivi, forti, quasi
violenti della pittura di Van Gogh vediamo il tormento dell'autore di fronte al cielo stellato; egli
dipinse in realtà le Galassie e in particolare la nostra Via Lattea.
Noi possiamo osservare la Via Lattea come una striscia molto luminosa che attraversa la volta
celeste. Sorge subito un problema: come mai si vede un oggetto celeste sottile se noi ci siamo
dentro? Per rispondere alla domanda è necessario conoscere la forma della nostra galassia del tutto
simile ad Andromeda, galassia che dista da noi 100 000 anni luce:
Andromeda
Via Lattea
la luce di Andromeda impiega 100 000 anni (viaggiando a 300 000 km/s circa) per giungere sulla
Terra, luogo dell'osservazione; per avere un'idea e fare la proporzione basta pensare agli 8 minuti
impiegati dalla luce del Sole per arrivare sulla Terra.
Noi terrestri ci troviamo alla periferia della Via Lattea, al centro della quale è molto probabile ci sia
un Buco Nero. È un disco sottile (10 000 anni luce), quindi se noi guardiamo verso il centro della
galassia vediamo il disco di taglio, ne vediamo la proiezione. Siamo in un oggetto grande, pieno di
stelle come il Sole (nell'ordine dei miliardi).
Quindi: che cos'è l'Universo?
È la storia che include tutte le altre, fuori dal nostro Universo non c'è nulla: si può definire
UNIVERSO tutto quello che sta intorno a noi, inclusi noi stessi.
L'universo rientra a pieno titolo nel termine evoluzione, infatti
EVOLUZIONE
progresso, sviluppo
concetto darwiniano
nel tempo l'Universo si evolve
L'uomo ha cominciato presto a preoccuparsi di questo problema, quindi inizialmente era Universo
l'ambiente attorno alla caverna, poi si è esteso fino alle Colonne d'Ercole, successivamente all'intero
Pianeta col Sole e la volta celeste; oggi ci rendiamo conto che noi, la Terra, il Sistema solare, la
nostra Galassia con miliardi di stelle fa parte di un Universo che contiene un numero enorme di
altre galassie.
Appena l'evoluzione ha permesso di passare dalle prime forme di vita elementari ad un cervello
pensante, l'Uomo ha cominciato a porsi domande sull'Universo, dapprima per motivi pratici (caccia,
dominio del territorio) poi in maniera sempre più complessa ed articolata.
Si può pensare ad un'evoluzione dell'universo così come accade per le specie viventi?
La scienza è fortemente antidemocratica e non ammette opinioni, sondaggi, voti, riconosce solo una
verità oggettiva perché dimostrata.
L'Uomo ha cominciato a guardare il cielo e l'Universo doveva includere tutto ciò che si conosceva.
Le osservazioni, motivate dalla “curiosità”, sono diventate misure sistematiche. Qualcuno ha tentato
di divulgare i risultati delle osservazioni ma è stato soppresso dalle autorità religiose in quanto le
osservazioni e le sperimentazioni contrastavano con il pensiero dettato dalla religione (Giordano
Bruno).
Una domanda fondamentale è: cosa muove il Sole, le stelle e tutti i pianeti?
Per dare una risposta a questo quesito sono nati i primi sistemi cosmologici e fino all'inizio del 1900
si scoprono stelle sempre più lontane e quindi un Universo sempre più grande.
Se noi osserviamo l'Universo notturno vediamo galassie distribuite in modo uniforme nello spazio e
ciò ha indotto (200 anni fa) lo scienziato H. W. Olbers (nel 1826) a chiedersi come mai il cielo
notturno è buio; se l'Universo è infinitamente popolato di stelle in qualunque direzione si guardi, da
quel punto dovrebbe giungere la luce di una stella.
La spiegazione al paradosso di Olbers viene dalla legge dell'inverso del quadrato che afferma che la
luce intesa come onda lineare emessa da una sorgente puntiforme emette una luminosità
inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente stessa; quindi nel caso delle
stelle, più la stella è distante meno è luminosa.
Da ciò si deduce che l'Universo non è infinito, come invece aveva ipotizzato Olbers.
Oggi le osservazioni con i radiotelescopi permettono ai fisici di interpretare i raggi cosmici
provenienti dallo spazio profondo (al CERN) e di ottenere informazioni sull'Universo lontano dallo
studio di altri messaggeri nel cosmo: i NEUTRINI.
Una sorgente di neutrini è l'esplosione delle Supernovae. Queste esplosioni sono il modo
individuato dalle stelle per morire. L'ultima Supernova osservata è esplosa il 23 febbraio del 1987 e,
sulla volta celeste, era il secondo oggetto più luminoso dopo la Luna. Non sono frequenti queste
esplosioni, ne avvengono 2 o 3 per secolo. Per rendersi conto dell'enorme quantità di energia
sprigionata basti pensare che una supernova emette in un minuto l'energia emessa dal sole in 200
anni. Solo lo 0,1 % dell'energia dell'esplosione va in luce , mentre il 99,9% va in neutrini. Quel
giorno di febbraio del 1987 ciascun essere umano fu attraversato da 10 000 miliardi di quei neutrini.
Cosmic Gall (Sfacciataggine cosmica)
-John Updike- scrittore statunitense vincitore di un premio Pulitzer
Neutrinos, they are very small.
They have no charge and have no mass
And do not interact at all.
The earth is just a silly ball
To them, through which they simply pass,
Like dustmaids through a drafty hall
Or photons through a sheet of glass.
They snub the most exquisite gas,
Ignore the most substantial wall,
Cold-shoulder steel and sounding brass,
Insult the stallion in his stall,
And scorning barriers of class,
Infiltrate you and me! Like tall
And painless guillotines, they fall
Down through our heads into the grass.
At night, they enter at Nepal
And pierce the lover and his lass
From underneath the bed-you call
It wonderful; I call it crass.
The New Yorker Magazine, Inc. , 1960
YOU are now being invaded by about 1014 neutrinos each second!
Dopo la lettura di questa poesia da parte della giornalista, Ereditato afferma che è giusto che gli
umanisti abbiano con questi fenomeni lo stesso rapporto che hanno con una tempesta.
Dopo la parentesi letteraria la serata procede con una nuova domanda: siamo figli delle stelle o delle
Supernovae?
[ ...“La ricetta per fare un uomo di media corporatura è la seguente: 15 kg di carbonio, 4 di
azoto, 1 di calcio, mezzo di fosforo, 200 g di sodio, 150 di potassio, 150 di cloro, qualche grammo
di una quindicina di altri elementi (tra i quali alcuni esotici, come il selenio, il litio e il vanadio
in dosi infinitesimali) e quattro secchi d’acqua da 10 litri. I 40 litri d’acqua a loro volta si
possono ottenere combinando 5 Kg di idrogeno e 35 Kg di ossigeno. Costo commerciale del tutto:
poche migliaia di lire. […] I 5 Kg di idrogeno e il pizzico di litio vengono dal big-bang, risalgono
a 15 miliardi di anni fa. Gli altri ingredienti sono più recenti, per produrli l’universo ha dovuto
evolversi per vari miliardi di anni, miliardi di stelle hanno dovuto nascere, splendere, morire,
rinascere nel seno di nebulose generate da collassi stellari. I 15 Kg di carbonio sono stati
costruiti dentro una stella nella fase terminale della sua vita, unendo 3 atomi di elio. I 35 Kg di
ossigeno derivano dalla fusione di carbonio ed elio nel nòcciolo di stelle caldissime. Il ferro è
cenere di stelle esaurite. Anche calcio, fosforo, zolfo, cloro, sodio e azoto vengono da caldissime
fucine stellari.
Le tracce di elementi ancora più pesanti ci arrivano dalle supernovae.
Insomma, siamo nati dalle stelle”.
Piero Bianucci, Nati dalle stelle ]
Gli elementi chimici più semplici vengono prodotti normalmente dalle stelle, quelli più pesanti
(come l'oro) vengono prodotti solo dalle Supernovae.
Il premio Nobel 2002 per la fisica Koshiba ha pensato di guardare un oggetto nello spazio rivelando
i neutrini (particelle abbondantissime nell’universo, seconde dopo i fotoni, dalla massa
incredibilmente piccola e dall’aristocratica avversione a relazionarsi con il resto della materia:
viaggia senza interagire con altre particelle) riescono a superare le difficoltà del viaggio nello spazio
e giungere sulla nostra Terra.
Supernova
PROTONI curvati dai campi magnetici
NEUTRINI passano
PROTONI assorbiti dalla polvere interstellare,
particelle che costituiscono il nucleo dell’atomo di
idrogeno
FOTONI particelle della luce, passano,
non hanno carica elettrica né massa e viaggiano a 300 mila km/secondo
Se si riesce a rivelare alcuni neutrini possiamo vedere molto lontano. Quindi il fisico Koshiba
costruì un rivelatore sotterraneo di neutrini in una miniera di zinco in Giappone. È un enorme
serbatoio d'acqua circondato da rivelatori dei lampi di luce Cherenkov prodotta quando i neutrini
interagiscono con i nuclei atomici delle molecole d'acqua. Con questo rivelatore è possibile
ricostruire l'energia e la direzione delle particelle provenienti dai neutrini. Ma per catturarne tanti è
necessario un grosso rivelatore, molto più grande di quelli costruiti che però, oltre ad essere
sottodimensionati sono anche costosissimi. Quindi si è pensato ad un serbatoio naturale economico,
efficace e di grande massa: i ghiacci dell'Antartide. Il progetto sfrutta questa grande massa di
ghiaccio dove sono state calate alcune migliaia di rivelatori grandi come palloni da pallacanestro,
organizzati in serie verticali, fino a 2 km di profondità. Quando il neutrino arriva, entra nel ghiaccio
e produce l'interazione, una collisione con un protone la quale produce la lucina Cherenkov.
Il produttore principe di neutrini è il Sole: 400 000 miliardi di neutrini ci colpiscono giorno e notte
(perché provengono da ogni direzione) ogni secondo. Per fortuna non interagiscono con il nostro
corpo. La stessa Terra è un enorme produttore di neutrini; anche l'uranio decadendo produce
neutrini. Per questo il neutrino ha con l'Uomo un rapporto di amore-odio: ogni secondo siamo
attraversati da un numero enorme di neutrini che comunque non si fanno prendere. Tradotta in cifre
la produzione di neutrini è ad esempio questa:
4 x 1014 Sole
5 x 1010
radioattività ambientale
si possono aggiungere neutrini fossili, quelli provenienti dalle esplosioni di supernovae, quelli dal
funzionamento delle stelle, quelli provenienti dalla radioattività ambientale o prodotti da centrali
nucleari e acceleratori, quelli che produciamo noi stessi attraverso il potassio radioattivo presente
nelle nostre cellule.
Ora cerchiamo di esplorare l'Universo allontanandoci sempre di più dal nostro Pianeta:
Terra, piccolo pianeta solido
Sole, stella di media grandezza, con un raggio 100 volte quello della Terra e di media età
Via Lattea, galassia con 200 miliardi di stelle, una delle 50 galassie del Gruppo Locale
Gruppo Locale, esteso 10 milioni di anni luce
Universo osservabile, 170 milioni di Galassie
quello che c'è oltre non si può osservare
con queste informazioni per noi l'Universo è infinito!
Cosa accade quando si guarda il cielo?
Osservando il Sole lo si vede com'era 8 minuti prima, guardare oggetti più lontani adesso significa
guardare indietro nel tempo e scoprire com'erano nel momento in cui la loro luce è partita per
giungere a noi dopo un tempo molto lungo.
Quando si guarda Andromeda, si guarda nel passato di 2 milioni di anni fa.
Con i telescopi si può guardare lontano e contemporaneamente guardare in un tempo passato.
Guardando più lontano, più lontano, più lontano, più lontano, …. posso vedere il BIG BANG!
Di nuovo l'abilità poetica si intreccia con la scienza, una poesia di Eugenio Montale del 1974: si
distingue una amarezza di fondo e una sottile ironia sul destino dell'Uomo:
BIG BANG O ALTRO
Mi pare strano che l’universo
sia nato da un’esplosione,
mi pare strano che si tratti invece
del formicolìo di una stagnazione.
Ancora più incredibile che sia uscito
dalla bacchetta magica
di un dio che abbia caratteri
spaventosamente antropomorfici.
Ma come si può pensare che tale macchinazione
sia posta a carico di chi sarà vincente,
ladro e assassino fin che si vuole ma
sempre innocente?
Eugenio Montale
BIG BANG: cose grandi osservate da uomini piccoli!
Pensare che siamo solo dei comprimari nell'Universo ci riempie davvero di pessimismo.
Guardare oggi le galassie lontane, significa vederle com'erano 10 miliardi di anni fa, quando
emettevano luce; il Sole è vecchio di 5 miliardi di anni, quindi nel momento in cui è partita la luce
da queste Galassie lontane, noi, che viviamo in periferia, non c'eravamo ancora. Si può affermare
così che l'Universo sia più antico di 11 miliardi di anni. Con questo gioco di distanze ed età si può
andare lontano e concludere che l'Universo sia inimmaginabilmente grande e vecchio. La Terra è
totalmente insignificante. A suffragio di questa affermazione si può dire che esistono almeno 6
miliardi di stelle che hanno sistemi solari con pianeti dove verosimilmente può essersi sviluppata la
vita; da un punto di vista statistico non siamo soli, anzi l'Universo può essere affollato. Esiste quindi
una vita extraterrestre ma le comunicazioni risultano impossibili date le enormi distanze non
compatibili con la vita di un uomo.
Come si stima e si misura l'età dell'Universo?
A partire da noi stessi:
ricordo diretto di nonni e bisnonni... nonni dei bisnonni....
storia scritta
miti, leggende, favole, religione (la Bibbia stima la nascita dell'Universo 6 000 anni fa! Un
dato che fa riflettere: oggi il 40% degli Americani crede che questo dato sia vero!) Sappiamo
però con CERTEZZA che la Terra ha più di 6 000 anni di età.
Nel 1929 E. Hubble scoprì che l'Universo si sta espandendo e che esiste una regolarità
nell'espansione stessa: la velocità delle stelle più lontane è più alta, mentre quella delle stelle più
vicine è più bassa. Ciò è tipico di un'esplosione. Tutto l'Universo si allontana da noi così come si
allontana dagli altri corpi celesti. Non siamo al centro dell'Universo, anzi TUTTI sono al centro
dell'UNIVERSO ESPANSO. Una bellissima animazione ce ne ha dato la dimostrazione
inequivocabile.
Hubble ha dimostrato l'espansione dell'Universo attraverso la legge dell'effetto Doppler: lo
spostamento verso il rosso. È il fenomeno per il quale, nell’osservazione dello spettro della luce
emessa da stelle e galassie, quest’ultimo appare spostato sempre più verso frequenze minori (verso
il rosso, per l’appunto) se osservato in tempi successivi. Il fenomeno indica l’allontanamento della
sorgente luminosa (stelle e galassie) rispetto all’osservatore (in questo caso noi) e, in senso più
generale, è riprova della costante espansione dell’Universo, iniziata miliardi di anni fa con il Big
Bang.
Il Big Bang è inteso come esplosione della materia nello spazio che prima non esistevano; prima
non esisteva né spazio né tempo, al di fuori della nostra capacità di comprensione. Poiché la grande
esplosione è avvenuta al tempo 0, non si può descrivere il momento, ma soltanto la prima infanzia
dell'Universo, è come vedere un film al contrario fino a circa 13,5 miliardi di anni fa.
Prima l'Universo era talmente denso e buio che nemmeno i fotoni passavano, solo dopo il Big Bang
si può parlare del momento “FIAT LUX” e finalmente si può cominciare a vedere.
Un altro modo per vedere i primi istanti dopo il Big Bang è l'osservazione dei neutrini prodotti
dall'esplosione. I neutrini esistenti in quel momento si sono disaccoppiati dalle altre particelle e
hanno iniziato a vagare per l’Universo. Uno dei grandi obiettivi è rivelare i neutrini fossili ancora
presenti per studiare l’archeologia dell’universo. Una sfida formidabile.
Due fisici Arno Penzias e Robert Wilson, ingegneri di una compagnia telefonica statunitense,
scoprirono casualmente, nel 1964, la radiazione cosmica di fondo (CMB - fondo cosmico a
microonde) mentre lavoravano con un nuovo tipo di antenna satellitare. Il loro compito era di
regolare l'antenna per eliminare i segnali di disturbo che impedivano una buona ricezione dai
satelliti. I due captarono un rumore di origine ignota, un disturbo con frequenze caratteristiche delle
microonde e di intensità costante. Pensando che la strumentazione non funzionasse bene, lavorarono
per correggere eventuali difetti; tuttavia i disturbi erano ancora presenti.
Le interferenze sembravano inoltre provenire da tutte le direzioni compreso lo spazio. Ignari della
natura del fenomeno, i due si rivolsero a Robert Dicke della Princeton University, il quale si rese
immediatamente conto che quel rumore altro non era che la radiazione cosmica di fondo
proveniente dall'esplosione inflattiva, catastrofica dello spazio che conteneva la materia.
Poiché lo spazio, nei primi momenti, si è espanso ad una velocità maggiore di quella della luce, una
parte della materia è andata perduta per sempre e l'osservazione si ferma a 13,8 miliardi di anni.
È molto interessante la biografia dell'Universo che Ereditato ha esposto a conclusione della serata e
che io non ho fatto in tempo a trascrivere per intero dalla slide ma che mi ha dato la misura
dell'EVOLUZIONE dell'Universo:
tempo 0 esplosione
tempo 10 -44 sec. comparsa della gravitazione
tempo 10 -35 sec. inizio inflazione
tempo 10 -34 sec. …....
…...
tempo 10 100 anni l'Universo sparirà
dopo questo tempo non ci è dato sapere.
L'immagine della nostra Terra da un punto di vista alternativo proposta a questo punto (fotografia
inviata da Marte) è davvero poetica, per tornare all'unitarietà della cultura e ci dà l'idea di quanto sia
importante lavorare insieme per uno scopo pacifico comune.
L'importante è non smettere di fare domande. Come disse Albert Einstein.
Grazie, professor Ereditato, per averci allargato l'orizzonte!
Chiara Morlin, classe 2^ ALS, Borgo Valsugana
Si dice che l'astronomia insegna la modestia, e io aggiungo, che è un’esperienza che costruisce il
carattere. Io penso che non c’è forse nessuna migliore dimostrazione della follia della
presunzione umana che questa immagine da lontano del nostro piccolo mondo. Secondo me,
essa sottolinea la nostra responsabilità di avere più gentilezza e compassione l'un con l'altro e di
preservare e curare teneramente quel pallido puntino blu, l'unica casa che noi abbiamo mai
conosciuto.
Carl Sagan, Riflessioni su un granello di polvere
