Rizzoli: BUR Le scoperte, le invenzioni

Che cos’è davvero il big bang? Fino a quando brillerà il sole? Qual è l’origine dell’acqua sulla Terra? Come si è formata la Luna? E l’universo è sempre stato un luogo pieno di stelle? In tutti noi il cosmo suscita meraviglia e moltissima curiosità, ed è proprio da queste e altre domande che parte Amedeo Balbi – astrofisico e noto divulgatore scientifico – per provare a spiegare fino a dove arrivano le nostre conoscenze oggi e che cosa dobbiamo ancora scoprire. Negli interventi raccolti in questo libro – originariamente pubblicati sulla rivista “Le Scienze” e appositamente rivisti per l’occasione – Balbi affronta una serie di argomenti fondamentali per l’astrofisica, dall’origine dell’universo alla nascita della vita sulla Terra, dalle esplorazioni su Marte alle leggi che governano la vita e la morte delle stelle e delle galassie. Il risultato è un viaggio appassionante fino alle frontiere dello spazio e del tempo, una traversata tra le più recenti scoperte dell’astrofisica che ci permettono di immergerci nella meraviglia del cosmo.

Un fisico teorico del CERN di Ginevra torna in treno da un convegno, gli occhi fissi su un articolo di cosmologia quantistica. All’improvviso, la voce di una bambina interrompe le sue riflessioni. “Cosa stai leggendo?” “È la storia dell’universo.” “Se racconta tutta la storia dell’universo, parla anche di me?” Da questa domanda, e dall’urgenza di spiegare la storia del cosmo e delle teorie che lo descrivono, prende avvio questo libro: un viaggio attraverso l’evoluzione dell’universo che si snoda tra relatività generale e costante cosmologica, meccanica quantistica e geometrie non euclidee, principio di indeterminazione di Heisenberg e multiverso. Gian Francesco Giudice – direttore del Dipartimento di Fisica Teorica del CERN – ripercorre il dibattito che ha animato fisici e astronomi di fronte all’ipotesi e poi alla conferma del Big Bang: non l’“Inizio di Tutto”, l’ipotizzato evento all’origine dello spazio-tempo a cui spesso si collega questa espressione, ma il fenomeno fisico ormai assodato che segna l’avvento del cosmo descrivibile dalle leggi fisiche conosciute, “l’istante iniziale di una zuppa calda che contiene tutti gli ingredienti dell’odierno universo”. Una parabola affascinante e stimolante, che affronta concetti complessi con la fluidità del racconto e ci permette di comprendere meglio l’universo attorno a noi.

“Poco prima della sua morte, Hawking mi disse che era tempo di scrivere un nuovo libro. È quello che avete tra le mani.” Com’è stato possibile che le leggi cosmiche abbiano plasmato un universo dotato proprio delle caratteristiche necessarie per lo sviluppo della vita come la conosciamo? È questo l’interrogativo posto dal cosiddetto «principio antropico», forse la domanda più impegnativa a cui Stephen Hawking ha cercato di rispondere, lavorando per più di vent’anni con il suo collaboratore più stretto – Thomas Hertog – alla definizione di una nuova teoria del cosmo capace di offrire una risposta. Oggi Thomas Hertog è pronto a condividere con noi il risultato di tali ricerche, grazie alle quali lui e Hawking hanno individuato un livello di evoluzione cosmologica più profondo, in cui le stesse leggi fisiche si trasformano. Una scoperta che li ha portati a un’idea rivoluzionaria: quelle leggi non sono scolpite nella pietra, ma sono nate e si sono sviluppate assieme all’universo cui stavano dando forma. Sull’origine del tempo ci offre una visione nuova e sorprendente della nascita dell’universo, capace di incidere nel profondo sul modo in cui pensiamo al nostro posto nel cosmo, e che potrebbe rivelarsi la più grande eredità scientifica lasciataci da Hawking.

Gli esseri umani sono da sempre affascinati dall’idea di abbandonare la Terra e viaggiare nel cosmo: nel 1966, mentre il programma Apollo era in pieno svolgimento, negli USA andava in onda per la prima volta la serie tv Star Trek in cui la nave stellare Enterprise viaggiava alla ricerca di «strani, nuovi mondi». Lo stesso sogno è alimentato oggi dai nuovi imprenditori spaziali, proposto anche come possibile risposta ai cambiamenti climatici e ad altre minacce per la sopravvivenza dell’umanità. Ma – si domanda Amedeo Balbi, astrofisico e apprezzato divulgatore scientifico – è realistico pensare di fondare colonie umane su altri pianeti o satelliti? Quali sono le difficoltà tecniche da affrontare? Come ci si può adattare ai nuovi ambienti? E, soprattutto, ne vale la pena? In un affascinante e inedito percorso fra immaginazione e scienza, il libro – vincitore del Premio letterario Galileo per la divulgazione scientifica – analizza ogni aspetto delle sfide che andrebbero affrontate: dai tempi di viaggio alla disponibilità di risorse, dalle richieste energetiche ai rischi per la salute. E contemporaneamente invita il lettore a una riflessione profonda sul senso della scienza, sui limiti del progresso e sul rapporto fra l’universo e l’umanità.

Fra tutte le teorie scientifiche, la relatività è quella che più ci affascina e ci sconcerta. Andando contro la nostra rassicurante percezione del mondo, ci costringe a prendere atto che spazio e tempo non sono due dimensioni fisse e separate, ma si contraggono e si dilatano, sfumando l’una nell’altra, fino a perdere la loro individualità. Tutto ciò può sembrare misterioso o comprensibile solo per gli scienziati. Ma non è così: Einstein stesso arrivò a formulare la teoria della relatività seguendo intuizioni nate da immagini molto semplici. Ispirandosi a questo stesso metodo dell’“esperimento mentale”, con straordinario talento da divulgatore, Amedeo Balbi accompagna passo dopo passo il lettore in un entusiasmante viaggio concettuale, con l’aiuto di situazioni concrete e degli scenari della migliore fantascienza (da 2001: Odissea nello Spazio a Star Wars, fino a Interstellar), illuminando così anche gli argomenti che potrebbero sembrare più inaccessibili – dalla relatività ristretta a quella generale, dai buchi neri alle onde gravitazionali. Inseguendo un raggio di luce è una lettura preziosa su una delle più alte creazioni dell’ingegno umano, la vetta del pensiero di Einstein: la relatività, uno strumento fondamentale per interpretare la realtà dell’universo, diventa in questo libro un’esperienza vertiginosa per la nostra immaginazione.

“Le idee spesso sono come un boomerang: partono in una direzione ma poi vanno a finire altrove. Se si ottengono risultati interessanti e insoliti, le applicazioni possono apparire in campi assolutamente imprevisti.” Realtà sperimentali che sembrano sfuggire a ogni legge, ricerche che portano a scoperte che sorprendono lo stesso ricercatore, l’intuizione fisica e matematica che lampeggia inaspettata: questo è il mondo che Giorgio Parisi, vincitore nel 2021 del premio Nobel, indaga da oltre mezzo secolo. Dall’ingresso, nel 1966, all’istituto di Fisica di Roma al Nobel sfiorato già all’età di venticinque anni, dagli studi pionieristici sulle particelle all’interesse per fenomeni enigmatici come le trasformazioni di stato, i “vetri di spin” e il volo degli storni; dalle riflessioni su come nascono le idee a quelle sul senso della scienza nella nostra società, "In un volo di storni" – qui presentato in un’edizione completamente riveduta e aggiornata e con una nuova prefazione dell’autore – è un viaggio nella mente geniale di un fisico che ha cercato le regole dei sistemi complessi, perché quelli semplici gli sono sempre sembrati un po’ troppo noiosi.

Uno dei più profondi misteri del nostro universo è costituito dal problema della sua origine: il Big Bang ci spiega la sua nascita, ma cosa ci predice della sua fine? Roger Penrose, premio Nobel per la Fisica nel 2020, si interroga su questa domanda da tutta una vita, da quando era allievo a Oxford e compagno di studi di Stephen Hawking. Sfruttando e rileggendo in modo originale le più grandi scoperte degli ultimi decenni – dalla materia all’energia oscura, fino ad arrivare alla radiazione cosmica di fondo ai buchi neri – Penrose azzarda una nuova teoria unitaria detta CCC, “cosmologia ciclica conforme”, nella quale ci spiega la storia dell’universo come una (infinita) successione di eoni, dove la fase finale dell’uno coincide con l’inizio di quello seguente. Risolvendo così una serie di incongruenze date dalla teoria della continua espansione, Roger Penrose descrive in uno stile illuminante e comprensibile, ma ricco di apparati e possibilità di approfondimento per i lettori più esperti, una teoria che è una sorta di eterno ritorno dell’uguale cosmologico, compiendo ulteriori passi avanti nella scoperta del nostro universo e aprendo a prospettive di studio completamente nuove.

Cosa sappiamo davvero del pianeta che abitiamo, del cosmo che lo ospita, della loro nascita ed evoluzione? Una domanda solo in apparenza elementare, che nasconde in realtà la sfida più difficile, ma anche più nobile della storia dell'uomo: il progresso verso la conoscenza. Un progresso che ci sta aprendo orizzonti straordinari - reso possibile da scienziati a volte incompresi, capaci di superare convinzioni errate - fatto di esperimenti ambiziosi, di ricerche liquidate come impossibili e, appunto, delle grandi domande a cui vogliamo dare una risposta. Cosa sono il tempo e lo spazio? Come sono collegati al Big Bang? Qual è il nostro posto nell'universo? Da dove veniamo? Cosa ci attende in futuro? Siamo una specie interplanetaria o addirittura interstellare? Quali sono i confini attuali della cosmologia, dove potrà spingersi il nostro sapere nei prossimi anni e decenni? Fisico sperimentale tra i più importanti del panorama internazionale, già direttore dell'Agenzia Spaziale Italiana e responsabile di studi che hanno indagato i misteri del cosmo (per esempio quello coordinato assieme al premio Nobel C.C. Ting), Roberto Battiston è anche un divulgatore capace di guidarci con mano esperta e piglio narrativo alla scoperta dei più profondi misteri dello spazio. Questioni spinose - come la composizione di energia e materia oscura, la cui esistenza possiamo esplorare solo attraverso calcoli matematici e osservazioni indirette - e figure di spicco, scienziati semidimenticati e intuizioni rivoluzionarie, grandi conquiste e passi ancora da compiere, convinzioni ormai superate e nuove rivelazioni che si affacciano all'orizzonte... Da sempre in prima linea nelle ricerche più avanzate, Battiston è pronto a svelarci tutto questo e molto di più, delineando per noi lo sconcertante percorso intellettuale che ci ha portati all'attuale comprensione dell'universo, e intrecciando alle scoperte più recenti la passione e l'ambizione degli uomini che le hanno rese possibili.

Mai come oggi l'atmosfera terrestre, gli oceani e i continenti sono stati tanto sorvegliati dal punto di vista meteorologico e ambientale, e ogni anno la comunità scientifica internazionale produce migliaia di ricerche che confermano la portata epocale dei danni inflitti dalle attività umane al sistema-Terra. Non conosciamo tutto di come funziona il clima terrestre, ma ormai da anni ne sappiamo abbastanza per comprendere la gravità della situazione, il rischio di collasso degli ecosistemi da cui dipendiamo e l'urgenza di intervenire con azioni efficaci. A cosa servirebbero, infatti, secoli di avanzamento della conoscenza, se poi restassimo impreparati di fronte alla più grande sfida della storia umana, pur avendola prevista con decenni di anticipo? Luca Mercalli, ricercatore e divulgatore scientifico che da anni racconta agli italiani la meteorologia e l'attualità climatica e ambientale, ci aiuta a orientarci con questo libro, pubblicato per la prima volta nel 2009, e ora completamente revisionato alla luce dei molteplici aggiornamenti dal mondo della ricerca e dei negoziati internazionali. Dalla storia di chi ha scoperto il riscaldamento globale, alla fusione dei ghiacciai alpini, fino a ciò che possiamo fare nella vita quotidiana per alleggerire il nostro contributo climalterante, una base di informazione per costruire la consapevolezza necessaria a quel “salto evolutivo” che (se riusciremo a fare) permetterà alle prossime generazioni di vivere ancora dignitosamente su questo pianeta.

La matematica è rivoluzionaria. Attinge alla dimensione della libertà umana per creare mondi diversi e opposti, negando un codice già affermato per strutturarne liberamente un altro. Affermazioni matematiche all'apparenza inutili o sbagliate preannunciano quasi sempre vere e proprie rivoluzioni del pensiero. Il teorema di Bayes, per esempio, da puro gioco intellettuale è diventato un pilastro della diagnostica medica, della scienza forense, delle neuroscienze e nelle ricerche sull'intelligenza artificiale. In un viaggio che dai filosofi greci ci conduce alla Ultimate Machine di Claude Shannon, l'autore ci mostra che la matematica è rivoluzionaria anche in un modo più profondo: ci mette in grado di capire il mondo e di partecipare alla costruzione della società; di sconfiggere il tiranno: quello vero, ma soprattutto quello generato dal nostro stesso pensiero. Tutti possiamo intervenire, decidere se un ragionamento è corretto o meno, e tutti possiamo accedere agli assiomi iniziali e alle regole usate per svilupparli. Nel mondo fantastico dei numeri e dei teoremi non ci sono limiti all'immaginazione e in questo esercizio di fantasia siamo tutti liberi e tutti uguali. Non c'è nulla di controverso. "Sire", spiegò ad Alessandro Magno il suo precettore Menecmo, "in geografia esistono strade per i re e strade per il popolo, ma in geometria c'è un'unica strada per tutti."

Abitiamo un sottile guscio sferico, di pochi chilometri di spessore, intorno alla superficie della Terra. Anche se esploriamo gli abissi più profondi dell'oceano o scaliamo le vette dell'Himalaya, il nostro regno ha dimensioni ridicole. Per questo, se riflettiamo su quelle dell'universo, ci resta una sensazione di lieve sgomento. Non solo. Il nostro piccolo mondo è anche popolato di chimere, fantasmi e terribili inganni: pensiamo che quello che percepiamo sia reale, invece tutto cambia appena ci allontaniamo dall'angolo tranquillo in cui si svolge la nostra esistenza. Quando cerchiamo di capire i fenomeni che si osservano nel meraviglioso tappeto di galassie che ricopre la volta stellata, o quelli che caratterizzano la materia nei suoi componenti elementari, dobbiamo rinunciare alle certezze che governano la nostra vita e intraprendere un viaggio vertiginoso che lascia senza fiato. Guido Tonelli, fisico al Cern di Ginevra e uno dei padri della scoperta del bosone di Higgs, ci fa compiere questo viaggio irripetibile, al cospetto di fenomeni straordinari. Fino a raggiungere il non-luogo del non-tempo da cui tutto ha avuto origine e dove possiamo dar voce a quell'istinto che si annida dentro di noi quando continuiamo a chiederci da dove viene la meraviglia che ci circonda. Il mito e la scienza hanno in fondo la stessa funzione, dal momento che "ogni società si costituisce attorno a una cosmologia. E nessuna civiltà, grande o piccola che sia, può reggersi senza il grande racconto delle origini".

Alla metà degli anni Settanta, Stephen Hawking fece una serie di scoperte inquietanti, secondo cui i buchi neri potrebbero evaporare, o anche esplodere, e distruggere tutta l'informazione della materia caduta al loro interno. I fisici hanno impiegato i successivi quarant'anni a mettere ordine alle conseguenze di questo risultato, finora indimostrato. In queste due lezioni, Hawking ritorna sul tema chiave della sua ricerca per raccontarci qual è il punto della situazione, e cosa rimane da capire sullo spazio, sul tempo, sulla nostra parte nell'universo. "I buchi neri rappresentano una sfida al principio più fondamentale che riguarda la prevedibilità dell'universo e la certezza della storia", scrive. E ci coinvolge nell'ultima puntata di un'appassionata disputa scientifica, iniziata parecchi anni fa, tra la fisica classica della relatività generale e la fisica quantistica.