La ricerca del mistero e i buchi neri
(Rafael Lima)
Recentemente il mondo si è fermato per godersi la prima foto di un Buco Nero. Nei social, sui giornali, in televisione, ovunque abbiamo visto tutti la strana immagine: un anello di fuoco che circonda uno spazio scuro. Che cos’è un buco neo? Qual è la sua importanza per la scienza? Che cosa implica per l’uomo comune? E cosa cambia per l’uomo di fede? Probabilmente queste sono state le domande più ripetute in quei giorni. Cercheremo di dare una risposta, per quanto essa sia imperfetta.
Le equazioni di Einstein
Nel 1783, John Michell, un filosofo naturale inglese previde qualcosa che chiamò “stella scura” (dark star). L’idea è semplice. Ogni corpo di massa elevata come la terra, il sole o la luna hanno una propria velocità di fuga, vale a dire una velocità minima necessaria a un corpo (per esempio un missile) per sfuggire al proprio campo gravitazionale. Per esempio, la velocità di fuga della terra è di 11 chilometri per secondo. Un missile dunque deve avere velocità iniziale uguale a, oppure più grande di quella per raggiungere lo spazio. Dall’altro lato un corpo, per sfuggire al sole, deve avere una velocità di 617 chilometri al secondo poiché il sole ha molta più massa rispetto alla terra. Mitchell ragionò sull’idea che la stessa luce sarebbe composta di particelle con massa (una cosa che noi oggi sappiamo non essere vera) e usando le Leggi di Newton sul movimento teorizzò che se una stella avesse abbastanza massa, tale che la sua velocità di fuga fosse uguale a 299.792 Km/s (la velocità della luce) allora anche la luce sarebbe stata capace di sfuggire alla stella e dunque la stella sarebbe stata scura.
Tuttavia, le leggi di Newton non avrebbero rappresentato l’ultima parola sul funzionamento della gravità. Nel 1915 Einstein pubblicò la sua Teoria della relatività in una serie di quattro articoli che avrebbero cambiato tutta la nostra comprensione non solo in ordine a che cosa sia la gravità ma anche su ciò che sono lo spazio e il tempo. In sintesi, Einstein sostituì l’ottica newtoniana in cui la gravità è una forza che agisce a distanza tra oggetti aventi una massa, con una visione geometrica dello stesso spazio. Per Newton lo spazio non era altro che l’ambito in cui le particelle, i pianeti e le persone agiscono e si muovono. Per lui il tempo non sarebbe stata una costante che andava dal passato al futuro sempre alla stessa velocità. Il mondo di Einstein non è così. Lo spazio e il tempo non sono dimensioni indipendenti per i loro attori e non possono neanche essere deinterlacciati l’uno dall’altro. Si è sostenuto che fu Hermann Minkowski, fisico e professore di Einstein, che coniò il termine “spazio–tempo” per designare il nuovo concetto fisico. Per Einstein la gravità nasce dalla deformazione geometrica nello spazio–tempo dovuta alla presenza di corpi con massa notevole. Sebbene non sia possibile immaginare come funzionino le cose nello spazio quadri–dimensionale (le tre dimensioni dello spazio + il tempo) è possibile quanto meno usare una metafora bi–dimensionale per fornire un’idea grossolana. Immaginate un trampolino. Mettete una palla da bowling nel suo centro. La palla deformerà il trampolino. Adesso, prendete una pallina da ping–pong e lasciatela libera sul trampolino. È certo che la pallina sarà “attratta” dalla palla da bowling. Nella relatività accade qualcosa del genere tra le stelle e i pianeti. Il nostro sole distorce enormemente lo spazio che lo circonda e questo è ciò che i pianeti “avvertono”.
Le equazioni di Einstein sono molto complesse e la loro prima applicazione fu fatta per approssimazione. Ma anche così, esse furono capaci di grandi risultati, impossibili per le Leggi di Newton. Uno dei primi successi della relatività fu quello di dimostrare l’origine della precessione nell’orbita di Mercurio. Fin dal XVII secolo gli astronomi avevano osservato che l’orbita ellittica di questo pianeta non è immutabile ma ruota costantemente intorno al suo perielio (il punto più vicino al sole). Le Leggi di Newton non poterono mai spiegare questo fenomeno, se non includendo un nuovo pianeta sconosciuto, chiamato Vulcano. Vulcano non fu mai osservato e l’idea fu completamente abbandonata quando Einstein fu capace di spiegare precisamente le osservazioni grazie alla sua nuova teoria. Un altro grande punto in favore della relatività. Un’altra predizione fatta con la teoria fu quella secondo la quale le masse rilevanti potevano alterare la traiettoria della stessa luce.
Questa predizione fu confermata il 29 Maggio del 1919 durante l’ecclissi solare totale, osservata nelle città di Sobral in Brasile e di Sao Tame e Principe sulla costa africana. Fu posibile vedere come il sole cambiava il percorso della luce dalle stelle più lontane. La conferma lanciò Einstein nella categoria delle celebrità mondiali.
C’è un certo numero di predizioni fatte sulla base delle Equazioni di Einstein che sono state confermate. Per esempio, il 14 Settembre 2015 furono osservate per la prima volta le onde gravitazionali. E l’ultima prova a favore della relatività di Einstein, in ordine di tempo, fin dalla data di pubblicazione del suo saggio è costituita proprio dall’immagine dell’ombra di un Buco Nero.
Pochi mesi dopo che Einstein pubblicò il suo articolo, l’astrofisico e matematico tedesco Karl Schwarzschild pubblicò la prima, accurata soluzione delle Equazioni di Einstein. Questo colpì Einstein per due ragioni. Primo, come commentò, non si aspettava che un’esatta soluzione fosse rinvenuta in così breve tempo. Egli stesso aveva usato le sue equazioni per approssimazione. La seconda ragione che può averlo colpito sta nella stessa soluzione, poiché essa prefigurava un Buco Nero.
Il Buco Nero
La soluzione di Schwarzschild fa riferimento fondamentalmente a un oggetto centrale, sferico, non rotante. Gli astrofici lo usano costantemente per studiare alcuni tipi di stelle. In sostanza lo usiamo per studiare una stella dall’esterno. Questo significa che tale soluzione ci dice molto bene come funziona la gravità intorno a una stella o a qualsiasi oggetto sferico. Ma com’è l’intera soluzione? Bene è qui che cominciano le cose strane. Essa prevede una singolarità, vale a dire un punto centrale che non ha alcun senso matematico. La soluzione prevede anche una zona di non ritorno, chiamata Evento Orizzonte, una regione dalla quale neanche la luce è capace di sfuggire.
Una stella vive a partire dalla combustione del suo combustibile nucleare, per esempio mutando idrogeno in elio. Questo processo è definito fusione nucleare, e il calore e le radiazioni sprigionate è ciò che protegge la stella contro la compressione causata dalla sua propria gravità. Ma quando una stella ha consumato tutta la sua energia ci sono alcuni possibili esiti. Uno di essi è definita la morte della stella, quando non ha più energia al suo interno per contrastare la forza gravitazionale e tutta la materia della stella collassa verso il suo centro. Questa è la nascita di un Buco Nero. Si consideri questo: dall’esterno, a distanza, un Buco Nero si comporta come qualsiasi altro corpo dotato di massa. Se il nostro sole fosse sostituito da un Buco Nero della stessa dimensione, le orbite dei circostanti pianeti resterebbero le stesse.
Ma la soluzione di Schwarzschild mostra che c’è un limite, una regione di sicurezza massima di approssimazione. Si tratterebbe, per fare l’esempio, un punto in cui, sul nostro trampolino, la pendenza sarebbe così accentuata che la pallina non avrebbe forza per sfuggire alla caduta nella singolarità. Infatti, neanche la luce è così veloce da sfuggire all’evento orizzonte.
E qui torniamo all’importanza della foto rilasciata dal team di EHT (Event Horizon Telescope). Il fatto rientra nella grande lista di prove della Relatività Generale di Einstein e personalmente ritengo che sia una delle più impressionanti. In primo luogo, come è possibile avere un’immagine di qualcosa che non emette luce e che inoltre inghiotte la luce che attraversa la sua strada? Come è stato detto, a parte l’orizzonte degli eventi, i Buchi Neri sono esseri abbastanza normali, considerando anche che quello in questione, al centro della galassia M87 è un vero mostro i suoi 6.5 miliardi di massa solare. Quello che noi vediamo nella foto come un anello di fuoco è l’immagine di materia surriscaldata che orbita intorno al Buco Nero. Questa materia ruota in un enorme campo gravitazionale con una tale violenza da surriscaldarsi ed emettere onde radio. Sono state proprio queste onde radio a essere catturate dal telescopio EHT. Ma ciò che impressiona veramente non è tanto ciò che si vede nella foto ma ciò che non si vede, vale a dire, l’ombra del Buco Nero. A scapito di tutti i test che la Teoria generale della Relatività ha superato (e ha vinto!) nessuno ma ha saputo quale sarebbe stata la sembianza di un Buco Nero. Siamo riusciti ad avere simulazioni via computer? Sì. Abbiamo avuto prefigurazioni? Molte. Ma nessuno ha mai potuto dire con certezza che la teoria non avrebbe a un certo punto fallito.
Infatti, molti scienziati pensano che la Teoria Generale della Relatività a un certo punto fallirà, e non rappresenta l’ultima parola. Comunque, non è questa la volta in cui è fallita, in quanto adesso abbiamo l’immagine della bocca del mostro, lo stesso orizzonte degli eventi come un’ombra circolare. Questa foto è indubbiamente uno dei più grandi successi della razza umana.
Ma che cosa sta cercando l’uomo?
Ma che cosa sta cercando veramente la nostra razza con queste grandi imprese? Non sto parlando di successi che generano benessere ma di ciò che genera cose che chiameremmo “terene”. Io sostengo che gli esseri umani cercano il “mistero”. È ironico che la foto di EHT mostra la cosa più misteriosa esistente nell’universo fisico. Poiché che cosa c’è di più misterioso di una regione dalla quale è strettamente impossibile ricevere luce e, dunque, impossibile per noi da esplorare?
Nessuno sanno di mente direbbe che l’importanza della Nona sinfonia di Beethoven stia nel profitto che ha portato al suo autore. Nello stesso modo che cosa spinge la nostra specie a voler cercare eventi che accadono in un’altra galassia, 54 milioni di anni luce distante da noi?
L’essere umano ha in sé un desiderio smisurato, un desiderio che non può essere espresso ma che tuttavia lo muove. Agostino sosteneva che questo insaziabile desiderio nasce dal potenziale rapporto che gli uomini hanno con Dio. Un desiderio che non potrebbe essere saziato altro che dall’incontro con l’infinito. E infatti il grande scrittore cristiano C.S. Lewis ha giustamente definito questo sentimento “desiderio dell’infinito”. A proposito di questo desiderio innominabile nel suo libro A viso scoperto, uno dei personaggi dice: “Era nel momento in cui ero massimamente felice che io desideravo di più. Era un giorno felice, quando eravamo sulla sommità della collina, … con il vento e il sole … E poiché era così bello, mi sentivo di cercare, e cercare ancora. Ci sarebbe stato qualcosa di ancora più bello”. Cioè, non abbiamo questo desiderio nonostante le più pure gioie terrene, ma lo abbiamo proprio in ragione di queste. Anche la più profonda delle felicità sembra puntare a qualcosa di più grande, qualcosa che sta oltre. Non è inusuale ascoltare da persone di successo una nota di tristezza, come se tutti i loro successi non fossero abbastanza. Detto in altro modo, è impossibile per gli esseri umani essere dei materialisti allo stato puro, al 100%. Su questo punto il giornalista e scrittore G.K. Chesterton ha scritto: “Il materialismo storico, quello secondo il quale tutta la politica e tutta l’etica sono espressione dell’economia è di fatto una semplice fallacia (…) è come dire che poiché un uomo può camminare unicamente con due gambe, non camminerà mai eccetto se non acquisti delle scarpe e dei calzini”.
È possibile che questo sentimento che va oltre l’ordinario e il mondano stia al cuore dell’impresa scientifica. Certo, molta della scienza moderna ha a che fare con ciò che è terreno e mondano. In altre parole, ci sono molti settori della ricerca scientifica che hanno al proprio centro dei problemi comuni, come per esempio lo stesso benessere dell’essere umano. Ma è un fatto che nelle scienze esiste un’altra faccia della medaglia. Einstein stesso una volta disse: “Non sono interessato in questo o in quest’altro fenomeno, voglio conoscere i pensieri di Dio – il resto non sono altro che dettagli”.
È improbabile che Einstein si riferisse al Dio cristiano, ma che usasse la parola Dio come sinonimo per i misteri più profondi dell’universo. Spesso la scienza può apparire fredda con le sue leggi ed equazioni, ma la scienza è fatta dagli uomini, e nel cuore umano pulsa una volontà per l’infinito. Per questo diamo importanza a cose che possono non portare beneficio economico come la musica, l’arte la filosofia e la fisica pura. Ma può essere vero che sono proprio queste cose “inutili” che ci definiscono come esseri umani. Per Tommaso d’Aquino tutto ciò che è bello, vero e buono punta alla sua origine divina in Dio. Tutti i cristiani dovrebbero dunque cercare scientemente queste cose poiché, dopotutto, è Dio che dà la bellezza, la verità e la bontà di ciò che esiste. Conoscere l’artista significa conoscere la sua opera. Ma c’è un ulteriore fattore da considerare. Perché dovremmo aspettarci che i nostri scarabocchi matematici abbiano qualcosa a che fare con il mondo naturale?
Il cuore dell’uomo è pronto per l’infinito?
Il fisico Eugene Wigner ha scritto un interessante articolo il cui titolo suona come una domanda disperata: “The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences”. Fondamentalmente, non abbiamo motivo di pensare che la matematica abbia a che fare con il mondo reale. In un senso, sarebbe come sperare che le regole degli scacchi ci aiutassero nelle politiche di una monarchia. È chiaramente un non senso. Ma nel caso della matematica si tratta di una realtà. In ingegneria, meteorologia o medicina. La matematica è usata non solo come uno strumento di lavoro ma anche come un oracolo per predire il futuro. Esattamente; per predire gli esiti di alcuni eventi quali i solstizi, le ecclissi, i lanci di missi, e i buchi neri. Una prefetessa greca sarebbe stupefatta nel vedere il potere di previsione che noi oggi diamo per scontato.
Infatti è qualcosa di sorprendente che oggi possiamo scoprire le leggi con cui funzionano le stelle e scoprire le regole con le quali muoiono. E dunque nel cuore dell’uomo non c’era semplicemente un insormontabile volontà di semplificare il mondo. Se fosse solo questo, non sarebbe un dono ma una maledizione. Ma si tratta di un dono poiché l’essere umano in qualche modo è dotato della capacità di portare avanti questo compito. Sappiamo che se avvertiamo fame, la plachiamo con il cibo. Se sete, possiamo placarla con l’acqua. Se abbiamo il desiderio di conoscere la natura, abbiamo la capacità di creare strumenti matematici per svolgere questo compito. Ma che ne è del desiderio dell’infinito? Lewis sostenne che questa potrebbe essere l’unica aspirazione che non ha un modo di essere soddisfatta. Anche le rivelazioni delle bellezze naturali e matematiche, anche la musica e tutte le arti del mondo non possono spegnerla.
Non sappiamo cos’altro sarà scoperto di questi buchi neri nello spazio in quanto abbiamo appena ricevuto la prima immagine di uno di essi. Ma assumiamo il presente stato di fatto come una metafora della ricerca dell’essere umano di saziare la sua curiosità. Dopo la matematica, dopo questa incredibile impresa umana, abbiamo ricevuto la conferma che nei fatti ci sono regioni dell’universo che sono inaccessibili ai nostri occhi. Un vero mistero. In un senso, la nostra fame di sapere non è mai saziata e continuiamo a correre verso l’orizzonte in cerca di un arcobaleno che continua a spostarsi in avanti. L’infinito è sempre un passo più in là. Come hanno detto in molti, ciò che l’essere umano desidera ardentemente non è questo Universo, ma ciò che sta oltre, e non mi sto riferendo a ciò che si trova al di là dell’orizzonte degli eventi dei buchi neri.
Rafael Lima, PhD in Fisica, è professore di Fisica presso l’Università Statale di Santa Catarina in Brasile e si è specializzato in Astrofisica Relativistica presso l’Università La Sapienza di Roma.