Un giorno fu chiesto a Richard Feynman (1918-1988) uno dei più brillanti fisici teorici e divulgatori scientifici del Ventesimo Secolo quale fosse stata la scoperta scientifica più importante per l’umanità. Il Premio Nobel per la Fisica del 1965 rispose senza esitare: “La scoperta degli atomi”.
Se Feynman fosse ancora vivo oggi, probabilmente, sarebbe incerto se mettere al primo posto la simmetria che sembra governare tutte le leggi dell’universo. Si può addirittura affermare che la storia dell’universo è sostanzialmente una storia di simmetria che è strettamente connessa all’idea di un tempo cosmico universale. In altre parole senza la simmetria asserzioni come l’età dell’universo è di circa 13,8 miliardi di anni, non avrebbe senso.
La simmetria è ovunque, anche negli oggetti più banali del quotidiano. Prendete un piatto e giratelo come volete, si presenterà sempre nella medesima forma simmetrica. La simmetria innerva tutte le leggi fisiche ed è alla base del concetto che queste leggi valgono in qualunque punto del nostro universo, qui sul piccolo pianeta Terra, così come su una stella lontana miliardi di anni luce.
Un acrobata che si allena per effettuare un esercizio ginnico particolarmente complesso a Firenze, può ragionevolmente essere certo che le leggi della fisica che governano i suoi salti e le sue piroette saranno le stesse quando gareggerà a Mosca o a Seoul. Questa proprietà si chiama simmetria (o invarianza) traslazionale e vale per la fisica classica di Newton e di Maxwell, per la relatività ristretta e generale di Einstein e per la meccanica quantistica.
Intendiamoci se il nostro acrobata gareggiasse sulla Luna, gli effetti delle sue piroette sarebbero diversi, poiché la massa gravitazionale del nostro satellite è diversa da quella della Terra, ma questa diversità è prevista e calcolabile dalle leggi della fisica e quindi non scalfisce il principio di simmetria che le governa.
Non possiamo essere totalmente sicuri che le leggi della fisica valgano effettivamente in ogni luogo dell’universo, ma se così non fosse , si deve trattare di luoghi remotisssimi perchè tutte le osservazioni fin qui effettuate che riguardano regioni estremamente lontane del nostro universo confermano che leggi della fisica e la simmetria agiscono allo stesso modo. Questo risultato ha permesso ai cosmologi, pur confinati, su un piccolo granello roccioso di una galassia che non ha niente di speciale, di studiare e conoscere i segreti dell’universo, perché quello che accade qui da noi, accade dappertutto.
La simmetria (o invarianza) rotazionale si basa sull’assunto che nello spazio tutte le direzioni sono equivalenti. Nello spazio profondo non esiste infatti un su e giù o un sinistra o destra. La nostra percezione di queste coordinate sulla Terra è il prodotto di caratteristiche ambientali che non mettono in discussione questo principio. La Terra infatti non è sopra o sotto niente, o a destra o sinistra di niente.
Le simmetrie non sono conseguenze delle leggi che governano la natura, sono le fondamenta stesse di queste leggi. La simmetria ha un ruolo fondamentale anche nel nostro concetto di tempo. Una delle funzioni del tempo è quella di registrare il cambiamento, come affermava un celebre fisico, John Wheeler Il tempo è quella cosa che impedisce che tutto accada nello stesso istante.
L’esistenza del tempo si basa quindi sull’assenza di simmetria. Se esistesse una perfetta simmetria tra il prima ed il dopo, il tempo come lo concepiamo non esisterebbe. Questo non significa che anche il tempo su scala cosmica deve soddisfare un diverso principio di simmetria. Per capire questo aspetto poniamo una domanda solo apparentemente oziosa, sappiamo che in base alla relatività il tempo scorre in modo diverso in base alla velocità ed alla vicinanza di masse gravitazionali, ed allora perché quando gli astrofisici ed i cosmologi parlano dell’età dell’universo asseriscono in modo assoluto che è di circa 14 miliardi di anni?
Rispetto a cosa? E se esistessero degli alieni intelligenti in una lontana galassia, anche per loro l’età dell’universo sarebbe di 14 miliardi di anni? E se si come è possibile che i loro orologi siano sincronizzati con i nostri?
La risposta a queste ragionevoli domande va ricercata nella simmetria dello spazio e nella radiazione cosmica di fondo il residuo fossile del Big Bang che ha una temperatura di circa 2,7° sopra lo zero assoluto. Questa temperatura differisce da un punto all’altro del cielo per meno di un millesimo di grado. Questo ci permette di ipotizzare che l’universo giovane era molto uniforme e con un basso livello di entropia.
L’universo si è evoluto in modo quasi identico in ogni sua parte, se la temperatura è uguale sia sulla Terra che nella galassia M51. La radiazione cosmica di fondo è quindi il fossile che ci permette di dedurre l’uniformità delle leggi fisiche e delle condizioni ambientali medie in tutto il cosmo. E proprio questa uniformità che ci permette di parlare di un tempo assoluto che riguarda l’intero universo.
Ed è proprio grazie a questa uniformità che un fisico terrestre ed un fisico di un’ipotetica razza aliena della galassia del Girino, arriverebbero alle stesse conclusioni studiando l’età e l’evoluzione dell’universo.
Il tempo quindi è legato strettamente alla simmetria e come in un buon cocktail ci vuole una giusta dose di simmetria affinché il risultato sia perfetto. Se l’Universo fosse perfettamente e totalmente simmetrico dal punto di vista temporale (ovvero non mutasse mai) avremmo serie difficoltà a concepire la nozione di tempo. Allo stesso tempo se l’Universo non fosse perfettamente simmetrico dal punto di vista spaziale (ovvero la radiazione cosmica di fondo presentasse risultati diversi a seconda delle regioni cosmiche osservate) avrebbe poco senso parlare di un tempo cosmico.
Per fortuna il nostro universo ha una giusta dose di simmetria non troppa ne troppo poca e nel prossimo post ci addentreremo un po’ più in profondità nel concetto di evoluzione dell’universo.
