ASTRONOMIA E STORIA

ASTRONOMIA E STORIA

DI GIANFRANCO BENEGIAMO*

CENTO ANNI DI ESPANSIONE DELL’UNIVERSO

COMPIE UN SECOLO IL MODELLO COSMOLOGICO DI ALEXANDER FRIEDMANN CHE PORTÒ ALLA TEORIA DEL BIG BANG

ASTRONOMIA E STORIA

L’Universo eterno, statico e infinito immaginato dagli antichi veniva seriamente messo in discussione un secolo fa dal matematico russo Alexander Friedmann. Che rivelava le soluzioni non statiche delle equazioni della Relatività generale, rendendo così ammissibile un cosmo in evoluzione nel tempo e nello spazio. Il protagonista di questa vicenda, nato nel 1888 a San Pietroburgo, aveva mostrato già da bambino un grande talento per la matematica che lo fece accedere anzitempo al ginnasio e poi agli studi universitari: dopo la laurea, nel 1910, lavorò principalmente nel campo della fisica matematica applicata alla meteorologia. Durante la Prima guerra mondiale, prestò servizio in aviazione sul fronte austriaco come istruttore di balistica. Prese parte a diversi voli di ricognizione aerea e per i suoi atti di coraggio ricevette la croce militare. Dopo la rivoluzione del febbraio 1917, seguita dalla deposizione dello zar Nicola II, ottenne la prima cattedra a Perm, vicino ai monti Urali, ma nel 1920 tornò nella città natale, per lavorare presso l’Osservatorio geofisico, del quale assunse poco dopo la direzione. Svolse ricerche teoriche nel campo dell’aerodinamica e alla fine della guerra civile iniziò a occuparsi della Relatività generale, con la ripresa della diffusione delle pubblicazioni scientifiche occidentali.

NASCE LA COSMOLOGIA MODERNA

La cosmologia era diventata un ramo della scienza nel 1917, quando Einstein utilizzò la Relatività generale per delineare il primo modello cosmologico, basandosi su due assunti: l’Universo su larga scala non cambia nel tempo e la materia è distribuita uniformemente al suo interno. Così, immaginò un Universo temporalmente infinito che su grande scala evolveva senza espandersi e senza contrarsi. Sorgeva però il problema di come controbilanciare l’attrazione gravitazionale che potrebbe causare il collasso dell’Universo; ciò costrinse Einstein a introdurre la cosiddetta “costante cosmologica” nelle equazioni del campo. Tali modifiche portarono l’astronomo olandese Willem de Sitter a immaginare un Universo ancora statico, ma completamente privo di materia e caratterizzato dal fatto che introducendo in questo modello matematico alcune particelle, queste si allontanavano dall’osservatore con una velocità crescente con la distanza (vedi l’articolo dedicato a de Sitter su Cosmo n. 29). I due modelli di Universo disponibili all’inizio degli anni 20 avevano bisogno della costante cosmologica, erano entrambi omogenei, isotropi e soprattutto statici. L’Universo di Einstein richiedeva materia, ma non prevedeva il redshift (lo spostamento verso il rosso della radiazione proveniente da galassie lontane); quello di de Sitter non richiedeva materia, ma prevedeva il redshift. Nel corso di quello stesso decennio, l’Universo avrebbe rivelato la contemporanea presenza di materia e di redshift.

IL NUOVO PARADIGMA COSMOLOGICO

Rompendo il vecchio paradigma, nell’articolo Sulla curvatura

ASTRONOMIA E STORIA

DI GIANFRANCO BENEGIAMO

dello spazio, pubblicato nel 1922 dalla rivista Zeitschrift für Physik, Friedmann presentò delle soluzioni che aprivano la strada a Universi non chiusi e non statici, in grado di evolvere con modalità diverse. In uno dei modelli individuati, chiamato “mondo periodico”, l’Universo nasceva da una “singolarità”, espandendosi con accelerazione decrescente sino a raggiungere la massima estensione spaziale e poi iniziava a contrarsi, per tornare nuovamente una singolarità: un particolare stato previsto dalla Relatività generale, in cui la densità della materia raggiunge valori tanto elevati da provocare il collasso gravitazionale dello spazio-tempo. Friedmann lasciava poco spazio alla descrizione delle conseguenze anche filosofiche aperte dai suoi nuovi mondi, mentre nel libro World as Space and Time, pubblicato l’anno successivo, affrontava molteplici aspetti e tra questi anticipava la teoria del Big Bang: “Un Universo non statico rappresenta una varietà di casi. Per esempio, è possibile che il raggio di curvatura aumenti costantemente da un certo valore iniziale; è anche possibile che il raggio cambi periodicamente. In quest’ultimo caso, l’Universo si comprime in un punto (nel nulla), poi aumenta il suo raggio fino a un certo valore, e poi di nuovo si comprime in un punto. Qui si può ricordare l’insegnamento della filosofia indiana sui cicli della vita. Offre anche l’opportunità di parlare del mondo creato dal nulla. Ma tutti questi scenari devono essere considerati come curiosità che non possono essere attualmente supportati da solidi dati astronomici sperimentali”. Nonostante ignorasse i risultati ottenuti da Vesto Slipher nell’Osservatorio Lowell in Arizona, che aveva misurato i redshift crescenti con la distanza delle nebulose a spirale, Friedmann si avventurava già a stimare l’età del suo modello dinamico: “Se si comincia a calcolare, giusto per curiosità, il tempo trascorso dal momento in cui l’Universo è stato creato da un punto fino al suo stato presente, per determinare il tempo trascorso dalla creazione del mondo, si otterrà un valore pari a decine di miliardi dei nostri anni ordinari”. Un valore che si avvicina, almeno come ordine di grandezza, ai 13,8 miliardi di anni su cui convergono attualmente le stime più attendibili.

IL DISAPPUNTO DI EINSTEIN

Come la quasi totalità dei fisici del tempo, Einstein era talmente convinto della staticità dell’Universo, da bocciare senza dubbi il lavoro di Friedmann. In una nota inviata alla rivista tedesca affermava: “I risultati relativi al mondo non stazionario contenuti nel lavoro [di Friedmann] mi appaiono sospetti. In realtà, la soluzione fornita risulta non soddisfare le equazioni”. Il matematico gli scrisse una lunga lettera per dimostrare la bontà del suo articolo, ma fu poi un collega russo a chiarire ogni dubbio durante un incontro con il fisico a Leida in Olanda. Einstein scrisse nuovamente alla rivista, per riconoscere la validità del lavoro che aveva criticato, ammettendo con onestà: “Sono convinto che i risultati ottenuti da Friedmann siano corretti e chiarificatori. Mostrano che oltre a soluzioni statiche, le equazioni di campo hanno anche soluzioni mutevoli nel tempo, con una struttura spaziale simmetrica”. Riconobbe la bontà dei calcoli, ma considerava fisicamente assurdi i risultati ottenuti e ancora nel 1927 definiva abominevole l’idea di un Universo in espansione. Le prove astronomiche raccolte nel frattempo - in particolare le osservazioni condotte da Edwin Hubble e Humason Milton all’Osservatorio di Monte Wilson - riuscirono finalmente a minare le convinzioni del fisico tedesco. Nel 1931 riconobbe che le soluzioni trovate dal matematico russo erano applicabili anche al mondo reale e propose di conseguenza l’eliminazione della costante cosmologica. Discutendo la natura poco chiara di tale costante, in un’esposizione popolare della Relatività generale, scriveva: “Friedmann ha individuato una via d’uscita da questo dilemma. Il suo risultato ha poi trovato una sorprendente conferma nella scoperta di Hubble dell’espansione del sistema stellare”.

LA PRECOCE SCOMPARSA

E IL LUNGO OBLIO

Nel luglio 1925 Friedmann eseguì un’ascesa da record in mongolfiera fino alla quota di 7400 metri, per eseguire osservazioni meteorologiche e mediche. Tornato nella sua città, nel frattempo ribattezzata Leningrado, dopo qualche settimana gli fu diagnosticato il tifo e venne ricoverato in ospedale, dove morì il 16 settembre.

*GIANFRANCO BENEGIAMO LAUREATO IN CHIMICA, NUTRE DA SEMPRE UN PROFONDO INTERESSE PER I MOLTEPLICI ASPETTI TECNICI E STORICI DELL’ASTRONOMIA.

ASTRONOMIA E STORIA

» L’evoluzione dell’Universo immaginata da Alexander Friedmann trova riscontro in questa recente rappresentazione grafica (Nasa/Wmap Science Team).

In quanto cristiano ortodosso, Friedmann venne presto dimenticato. Il regime stalinista, considerandolo un creazionista per avere destabilizzato l’Universo immutabile ed eterno, caro al materialismo marxista, si curò poco della sua memoria e ancor meno della sua tomba. Le ricerche della sua sepoltura si sono svolte solo nel 1988, durante un seminario di cosmologia organizzato a San Pietroburgo in occasione dei cento anni dalla nascita di Friedmann. La tomba è stata rintracciata grazie all’aiuto di un vecchio alunno, che la ricordava vicina a quella un tempo occupata dal matematico Leonhard Euler. Oblio ingiusto nei confronti di chi ha dato alla moderna cosmologia un importante contributo che una sua biografia riassume così: “Friedmann è visto come un pensatore profondo, indipendente e audace, che distrugge pregiudizi, miti e dogmi scientifici; il suo intelletto vede ciò che gli altri non vedono, e non vedrà ciò che gli altri credono sia ovvio, ma senza prove reali. Rifiuta la tradizione secolare che ha scelto, prima di ogni esperienza, di considerare l’Universo eterno ed eternamente immutabile. Compie una vera rivoluzione nella scienza. Come Copernico fa girare la Terra intorno al Sole, così Friedmann fa espandere l’Universo”.