Le leggi della simmetria che governano il cosmo

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.

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