Le speculazioni generali sulla natura del mondo sono antiche quanto i filosofi pre-socratici greci, ma una cosmologia veramente scientifica non poteva essere formulata fino a quando non ci fosse una certa conoscenza delle leggi fondamentali della natura. La scoperta di Isaac Newton della gravità universale del quadrato inverso offrì la prima seria opportunità per un tale sforzo. Poiché la gravità è attraente, un problema immediato era spiegare perché l’universo non collassasse su se stesso., I moti planetari impedirono che ciò accadesse nel sistema solare, ma che dire delle “stelle fisse”? La prima risposta suggerita era che in un universo di estensione infinita, popolato uniformemente da stelle, le forze attraenti in direzioni diverse si annullerebbero a vicenda, dando equilibrio.
Tuttavia, c’era un problema con l’idea di un cosmo senza limiti. Ogni linea di vista dovrebbe terminare da qualche parte sulla superficie di una stella. Nel 1823 Wilhelm Olbers ha sottolineato che ciò implicherebbe che il cielo notturno era ovunque uniformemente luminoso., La risoluzione moderna di questo paradosso si basa sul fatto che la velocità finita della luce e l’età finita dell’universo insieme significano che solo un numero finito di stelle è effettivamente visibile a noi.
Un’importante scoperta fu fatta alla fine del XVIII secolo da Sir William Herschel. Scoprì che la banda di luce nota come Via Lattea è in realtà composta da una moltitudine di stelle, costituendo una vasta galassia di cui il sistema solare è solo una piccola componente. I primi speculatori, tra cui Immanuel Kant (1724-1804), avevano proposto che questo potesse essere il caso., Hanno anche suggerito che le macchie luminose chiamate nebulose potrebbero essere altri “universi insulari”, simili alla Via Lattea ma a grandi distanze da essa. La questione non è stata finalmente risolta fino al ventesimo secolo, ma l’idea era già nell’aria che la realtà creata potesse essere molto più ampia di quanto si supponesse in precedenza.
Le distanze dalle stelle vicine possono essere misurate dalla parallasse, il leggero spostamento in posizione celeste apparente mentre la Terra si muove attorno alla sua orbita., Oltre tale intervallo, la stima della distanza dipende dalla creazione di una candela standard, una fonte di luce di intensità nota il cui oscuramento osservato consente quindi una misura della sua distanza. Stelle di luminosità regolarmente fluttuante, chiamate variabili cefeidi, forniscono questa misura, poiché è noto che la loro luminosità intrinseca è strettamente correlata al periodo della loro variazione. Nel 1924 Edwin Hubble usò questo metodo per stabilire che la nebulosa di Andromeda è una galassia lontana, ora nota per essere a circa due milioni di anni luce dalla Via Lattea.,
Hubble ha poi continuato a fare la sua più grande scoperta. La luce proveniente da galassie lontane è risultata arrossata rispetto alla stessa luce proveniente da una fonte terrestre. Questo è interpretato come dovuto all’effetto del movimento recessivo e il grado di arrossamento indotto è correlato alla velocità della recessione. L’effetto (spostamento Doppler) è simile al cambiamento di frequenza di una sirena di ambulanza a causa del movimento del veicolo. Hubble scoprì che la velocità con cui una galassia si sta allontanando è proporzionale alla sua distanza., Questo è stato poi interpretato come un effetto dovuto all’espansione dello spazio stesso. Proprio come le macchie sulla superficie di un pallone si allontanano l’una dall’altra mentre il pallone viene gonfiato, così come lo spazio si espande porta con sé le galassie. La scoperta dell’universo in espansione da parte di Hubble ebbe un profondo effetto sullo sviluppo della teoria cosmologica.
Cosmologia relativistica
Newton considerava lo spazio come un contenitore all’interno del quale il moto degli atomi materiali avveniva nel corso del flusso del tempo assoluto., La scoperta di Albert Einstein della teoria della relatività generale ha completamente cambiato questa immagine.
Nel 1908 Einstein aveva quello che considerava il suo pensiero più felice. Si rese conto che se dovesse cadere liberamente, sarebbe completamente inconsapevole della gravità. Questa osservazione apparentemente piuttosto insignificante lo ha portato a riconoscere il principio di equivalenza, che sta alla radice della relatività generale., Ci sono due significati concettualmente distinti di massa: massa inerziale (misura la resistenza di un corpo ad avere il suo stato di moto cambiato) e massa gravitazionale (misura la forza dell’interazione del corpo con un campo gravitazionale). Nonostante la loro distinzione concettuale, queste due misure sono sempre numericamente identiche. Quantitativamente, la massa inerziale e gravitazionale sono equivalenti. Ciò implica che tutti i corpi si muovono allo stesso modo in un campo gravitazionale., Raddoppiando la massa raddoppierà la resistenza inerziale a un cambiamento di movimento, ma raddoppia anche la forza gravitazionale che effettua il cambiamento. Di conseguenza il movimento risultante è lo stesso. Questo comportamento universale significa che gli effetti della gravità sui singoli corpi possono essere reinterpretati come una conseguenza generale delle proprietà dello spazio stesso, o più precisamente, tenendo conto della precedente scoperta di Einstein della stretta associazione reciproca tra spazio e tempo della relatività speciale, le proprietà dello spaziotempo quadridimensionale., I concetti di spazio, tempo e materia, tenuti ben distinti da Newton, sono stati uniti da Einstein in un unico pacchetto. Ha trasformato la fisica gravitazionale in geometria. La materia curva lo spaziotempo e la curvatura dello spaziotempo a sua volta influenza i percorsi della materia. Non c’è tempo senza spazio e materia, un punto che Agostino aveva realizzato quindici secoli prima.
Einstein si mise al lavoro per scoprire le equazioni che avrebbero dato espressione quantitativa alla sua idea. La ricerca fu lunga, ma nel novembre 1915 li colpì., Immediatamente fu in grado di dimostrare che avevano predetto una piccola deviazione nel comportamento del pianeta Mercurio, che era già stato osservato ma che aveva sfidato la spiegazione newtoniana. Più tardi, nel 1919, le osservazioni di un’eclissi solare totale confermarono un’altra previsione, relativa alla flessione della luce stellare da parte del Sole. Durante la notte Einstein divenne nell’immaginazione del pubblico l’iconico eroe scientifico.
Questa integrazione di spazio, tempo e materia in un’unica teoria offrì l’opportunità di costruire un resoconto veramente scientifico dell’intero universo. Tuttavia, sembrava esserci un problema., A quel tempo, i fisici credevano ancora che la teoria cosmologica dovesse produrre un’immagine statica. La fisica doveva essere l’ultima delle scienze a riconoscere il vero significato della temporalità e del processo di dispiegamento. I geologi erano arrivati lì alla fine del XVIII secolo, e verso la metà del XIX secolo i biologi, con la pubblicazione di Charles Darwin’s Origin of Species nel 1859, avevano seguito l’esempio. All’inizio del XX secolo, i fisici detenevano ancora la nozione aristotelica di un cosmo eternamente immutabile. Einstein non riusciva a trovare una soluzione statica delle sue equazioni., Di conseguenza, quando pubblicò le sue proposte cosmologiche nel 1918, armeggiò con le equazioni, aggiungendo un termine extra (la costante cosmologica). Rappresentava una sorta di antigravità, una forza repulsiva progettata per controbilanciare su grandi distanze la forza attraente della gravità convenzionale.
Einstein in seguito chiamò questa aggiunta il più grande errore della sua vita., Aveva perso l’occasione di prevedere un universo in espansione, poiché le sue equazioni non modificate avevano soluzioni (scoperte dal meteorologo russo Alexander Friedmann e dal sacerdote belga Georges Lemaître) che corrispondevano al comportamento osservato in seguito da Hubble. Inoltre, la sua soluzione statica proposta in realtà non ha funzionato, perché era instabile e sarebbe crollato sotto disturbo.
Cosmologia del Big Bang
Se le galassie si stanno attualmente allontanando, allora in passato devono essere state più vicine tra loro., Questo porta alla conclusione che l’universo che osserviamo oggi sembra essere emerso dal Big Bang, uno stato primordiale di materia immensamente condensata ed energetica. Le stime attuali datano questa emergenza a 13,7 miliardi di anni fa.
Preso alla lettera, il Big Bang stesso è un istante di infinita densità ed energia, una singolarità che va oltre il potere della scienza convenzionale di analizzare. (Alcune idee altamente speculative sull’universo primordiale, vicino al Big Bang, saranno discusse di seguito., Anche se alcuni religiosi (tra cui Papa Pio XII) cedettero alla tentazione di parlare del Big Bang come “il momento della creazione”, questo fu chiaramente un errore teologico. La dottrina giudeo-cristiana-islamica della creazione riguarda l’origine ontologica (perché c’è qualcosa piuttosto che niente?), piuttosto che l’origine temporale (come è iniziato tutto?). Dio è il Creatore oggi come Lo era Dio 13,7 miliardi di anni fa. La cosmologia del Big Bang è molto interessante scientificamente, ma non criticamente significativa teologicamente.,
Tuttavia, tre cosmologi, Hermann Bondi, Fred Hoyle e Thomas Gold, temevano che la cosmologia del Big Bang potesse favorire la religione, e così negli anni ‘ 60 proposero una teoria alternativa dello stato stazionario, l’immagine di un universo eterno sempre sostanzialmente la stessa. Questo ritorno alle idee aristoteliche si conciliava con la recessione delle galassie attraverso la supposizione della continua creazione della materia, che avveniva ad una velocità troppo piccola per essere osservata ma sufficiente nel tempo a colmare le lacune lasciate dal moto delle galassie già esistenti., Ulteriori risultati osservazionali hanno eliminato questa idea.
Mentre l’universo si espande, si raffredda. Quando era vecchio di un microsecondo, la sua temperatura era già al livello in cui i processi cosmici in atto avevano energie sufficientemente basse per consentire agli scienziati di possedere una comprensione affidabile della loro natura. La discussione è ulteriormente semplificata dal fatto che l’universo primordiale era quasi uniforme e senza struttura, rendendolo un sistema fisico molto semplice da considerare.,
Quando aveva circa tre minuti, l’universo si era raffreddato al punto che le interazioni nucleari cessarono su scala cosmica. Di conseguenza la struttura nucleare grossolana del mondo si è fissata a quello che è ancora oggi, tre quarti di idrogeno e un quarto di elio. Quando il cosmo aveva circa mezzo milione di anni, un ulteriore raffreddamento lo aveva portato al punto in cui le radiazioni non erano più abbastanza energetiche da rompere gli atomi che cercavano di formarsi. Materia e radiazione poi disaccoppiati e quest’ultimo è stato lasciato semplicemente raffreddare ulteriormente come espansione cosmica continuato., Oggi questa radiazione è molto fredda, tre gradi sopra lo zero assoluto. Fu osservato per la prima volta nel 1964 da Arno Penzias e Robert Wilson. Conosciuta come radiazione cosmica di fondo, forma un deposito fossilizzato rimasto dall’era del big bang, che ci dice com’era l’universo quando aveva mezzo milione di anni. Una delle cose che impariamo è che il cosmo era allora molto uniforme, con fluttuazioni circa la densità media pari a non più di una parte su diecimila., Questa radiazione di fondo ha pagato la teoria dello stato stazionario, che non ha potuto spiegare le sue proprietà nel modo naturale possibile per la cosmologia del Big Bang.
La gravità ha l’effetto a lungo termine di migliorare le piccole fluttuazioni. Un po ‘più di materia qui che là ha prodotto un po’ più di attrazione qui che là, innescando così un effetto valanga con cui l’universo alla fine è diventato grumoso di galassie e stelle. Con un’era cosmica di un miliardo di anni questo processo era in pieno svolgimento. Mentre le stelle si condensavano, si riscaldavano e le reazioni nucleari ricominciavano su scala locale., Inizialmente, le stelle bruciano convertendo l’idrogeno in elio. In una fase successiva dello sviluppo stellare, elementi più pesanti, come carbonio e ossigeno, sono formati da ulteriori processi nucleari. All’interno di una stella questa sequenza non può andare oltre il ferro, la più stabile delle specie nucleari. Alla fine della loro vita, tuttavia, alcune stelle esplodono come supernove, non solo disperdendo gli elementi che hanno fatto nell’ambiente, ma anche, nel processo esplosivo stesso, generando gli elementi mancanti oltre il ferro. In questo modo i novantadue elementi chimici alla fine divennero disponibili., Uno dei grandi trionfi dell’astrofisica del ventesimo secolo è stato svelare i dettagli dei delicati processi della nucleosintesi. Quando si formò una seconda generazione di stelle e pianeti, c’era a disposizione un ambiente chimico sufficientemente ricco da permettere lo sviluppo della vita. Iniziò così uno dei più notevoli sviluppi della storia cosmica a noi noti. Con l’alba finale dell’autocoscienza l’universo divenne consapevole di se stesso.,
Il principio antropico
Quando gli scienziati arrivarono a comprendere i processi evolutivi della storia cosmica, iniziarono a rendersi conto che la possibilità per lo sviluppo della vita basata sul carbonio dipendeva criticamente dai dettagli delle leggi della natura effettivamente operanti nell’universo. La raccolta di intuizioni che puntano a questa conclusione è stato dato il nome del principio antropico, anche se principio di carbonio sarebbe stata una scelta migliore in quanto è la generalità della vita, piuttosto che la specificità di Homo sapiens, che è coinvolto., Molti esempi sono stati dati di questi antropici ” fine-tunings.”
Uno è fornito dai processi stellari mediante i quali si sono formati gli elementi necessari per la vita. Ogni atomo di carbonio in ogni corpo vivente era una volta all’interno di una stella, e il processo con cui quel carbonio è stato fatto dipende criticamente dai dettagli quantitativi della fisica nucleare. Tre nuclei di elio devono combinarsi per produrre carbonio. Ci si aspetterebbe un processo in due fasi, due eli prima di fondersi per formare il berillio, e poi un terzo elio viene aggiunto per produrre carbonio., Tuttavia, c’è un problema perché il berillio è molto instabile e questo rende problematico il secondo passo. In realtà è possibile solo perché ci risulta essere un effetto di miglioramento sostanziale (una risonanza) che si verificano esattamente alla giusta energia. Se le forze nucleari fossero diverse da ciò che sono in realtà, questa risonanza sarebbe nel posto sbagliato e non ci sarebbe affatto carbonio. Quando Hoyle ha scoperto questa straordinaria coincidenza, ha sentito che non poteva essere solo un felice incidente, ma ci deve essere una certa Intelligenza dietro di esso.
Gli esempi possono essere moltiplicati., Lo sviluppo della vita su un pianeta dipende dalla sua stella che fornisce una fonte di energia duratura e affidabile. Le stelle bruciano in questo modo nel nostro universo perché la forza di gravità è tale da permetterlo. La più esigente messa a punto antropica si riferisce alla costante cosmologica di Einstein. Il pensiero moderno ha rianimato questa nozione, ma la sua forza deve essere estremamente debole per evitare che l’universo collassi o soffi a pezzi. Molti cosmologi credono che la forza (solitamente chiamata energia oscura ) sia effettivamente presente, ma ad un livello che è solo 10-120 di quello che si considererebbe il suo valore naturale., Qualsiasi cosa più grande di questo piccolo numero avrebbe reso l’evoluzione della vita, o qualsiasi struttura cosmica complessa, del tutto impossibile.
Queste intuizioni scientifiche non sono controverse, ma ciò che il loro significato più profondo e metascientifico potrebbe essere considerato è stato fortemente contestato. Pochi sono disposti a trattare queste coincidenze antropiche come semplici incidenti felici, e così due proposte esplicative contrastanti sono state ampiamente esaminate., Si vede l’universo come una creazione divina, spiegando la sua specificità finemente sintonizzato come espressione della volontà del Creatore che dovrebbe essere in grado di avere una storia fruttuosa. L’altro è l’approccio del multiverso, supponendo che questo particolare universo sia solo un membro di un vasto portafoglio di diversi mondi esistenti, ognuno separato l’uno dall’altro e ciascuno con le proprie leggi e circostanze naturali. Il nostro universo è semplicemente quello in questa immensa matrice cosmica dove, per caso, lo sviluppo della vita basata sul carbonio è una possibilità., Sebbene ci siano idee scientifiche altamente speculative che potrebbero in qualche modo incoraggiare il pensiero multiversale (vedi sotto), la prodigalità non osservabile dell’approccio multiverso lo fa sembrare una proposta metafisica di notevole stravaganza, che sembra fare solo un pezzo di lavoro esplicativo nel disinnescare la minaccia del teismo.
L’Universo Primordiale
Più gli scienziati si avvicinano al Big Bang, più estremi sono i regimi coinvolti e quindi più speculativo è il loro pensiero.,
Molti credono che quando l’universo aveva circa 10-36 secondi, si verificò una sorta di ebollizione dello spazio, chiamata inflazione, che espanse l’universo molto grandemente e con immensa rapidità. L’idea non è solo supportata da alcuni argomenti teorici, ma guadagna anche credibilità attraverso la sua capacità di spiegare alcuni fatti significativi sull’universo., Uno è l’isotropia cosmica: la radiazione di fondo appare praticamente la stessa in tutte le direzioni nonostante il cielo contenga molte regioni che, in una semplice estrapolazione al Big Bang, non sarebbero mai state in contatto causale l’una con l’altra. Su un quadro inflazionistico, tuttavia, queste diverse regioni derivano da un dominio inizialmente molto più piccolo in cui ci sarebbe stato il contatto causale necessario per produrre uniformità di temperatura e densità., L’inflazione avrebbe anche avuto un effetto levigante, spiegando così l’omogeneità su larga scala dell’universo e lo stretto equilibrio tra effetti espansivi e gravitazionali che viene effettivamente osservato (e che, di fatto, è un’altra ne-cessità antropica).
Molto più speculativo è il tentativo di comprendere l’era di Planck, prima di 10-43 secondi, quando l’universo era così piccolo che deve essere capito meccanicamente quantistico. La corretta unificazione della teoria quantistica e della relatività generale non è stata raggiunta., Di conseguenza ci sono molti diversi resoconti ipotetici della cosmologia quantistica. Un tema frequente è che gli universi possono continuamente sorgere dall’inflazione delle fluttuazioni nel vuoto ur della gravità quantistica, e il nostro universo è solo un membro di questo multiverso proliferante. L’affermazione che questo processo rappresenterebbe la capacità della scienza di spiegare la creazione dal nulla, è solo un abuso del linguaggio. Un vuoto quantico è un mezzo altamente strutturato e attivo, molto diverso dal nihil.,
Destino Cosmico
Sulla più grande scala, la storia del cosmo comporta un tiro alla fune tra le tendenze espansive del Big Bang e la forza contrattiva di gravità. Se alla fine vince la gravità, ciò che è iniziato con il Big Bang finirà nel big crunch, mentre l’universo collassa su se stesso. Se l’espansione vince (l’opzione attualmente favorita), l’universo continuerà ad espandersi per sempre, diventando progressivamente più freddo e più diluito, alla fine decadendo in un lungo pianto morente.,
Nel suo pensiero escatologico, la teologia deve tener conto di queste affidabili previsioni scientifiche dell’eventuale inutilità del processo attuale. In definitiva, un semplice ottimismo evolutivo non è una possibilità praticabile.
Vedi anche
Fisica e religione.
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