domenica 20 dicembre 2015

La favola dei fotoni all'inizio dell'universo

Come augurio di Buone Feste, ho pensato di raccontare una breve favola, la storia dei fotoni all'inizio dell'universo, che magari potrete raccontare anche ai vostri figli e nipoti prima di fara la nanna.

C'era una volta un tempo in cui l'universo era pieno di personaggi molto gelosi e possessivi. Stiamo parlando di tempi bui, in cui di luce neanche l'ombra (ah, bella questa!); alcuni dicono addirittura che tutto ciò accadde 380 mila anni dopo la nascita dell'universo. Se pensate che oggi l'universo si ritenga abbia 13.7 miliardi di anni, potete ben capire che stiamo parlando proprio degli inizi. 
Fino a quel tempo avevamo i nuclei atomici di alcuni elementi, come idrogeno ed elio, che stavano per i fatti loro e dall'altra parte elettroni e fotoni che giocavano ad acchiapparello, cioè interagivano continuamente tra loro. Beh, questo generava problemi seri perché, come noi tutti sappiamo, un atomo è composto, appunto, da un nucleo e da elettroni che girovagano nei dintorni del nucleo stesso. Invece all'epoca nuclei ed elettroni vivevano vite diverse con i fotoni che facevano da terzo incomodo.
In pratica, nuclei ed elettroni erano separati come ad una festa della scuola media lo sono di solito ragazzi e ragazze (almeno una volta, eh!). E abbiamo visto che la colpa di tutto ciò era dei fotoni che continuavano a bazzicare attorno agli elettroni.
Dal punto di vista fisico, questo accadeva perché la probabilità di un fotone e di un elettrone di acchiapparsi era molto alta. Ad un certo punto della storia dell'universo però, questa probabilità scese.

Domanda lecita: perché la probabilità degli incontri fotone-elettrone si abbassò? A causa dell'espansione dell'universo: infatti, l'espansione dell'universo modifica le densità (che scalano come l'inverso del volume) e quindi ad un certo punto per un fotone diventò difficile trovare un compagno di giochi. Se a questo poi aggiungiamo che gli elettroni non persero tempo e se ne andarono con i nuclei, possiamo dire che il tradimento fu completo.

In tutto questo marasma di relazioni complicate, però non tutti i fotoni ne uscirono allo stesso modo. Certo, lo stato d'animo fu più o meno lo stesso per tutti perché i fotoni vennero abbandonati più o meno durante lo stesso periodo e infatti possiamo osservare il CMB avere una ben definita "temperatura" media di circa 2.73 gradi Kelvin. Però il punto è che c'erano regioni più dense di nuclei di altre e quindi, in pratica in alcune regioni i fotoni dovettero sfuggire ad una alta concentrazione di concorrenti (nella storia con gli elettroni) mentre in altre regioni la faccenda si dimostrò più agevole. Questo risultò in una non perfetta uguaglianza tra le "temperature" dei fotoni: chi leggermente più caldo e chi leggermente più freddo, ma di pochissimo eh, circa una parte su centomila (per capirci, differenze dell'ordine di 0.00001 gradi Kelvin).

E quindi gli elettroni riuscirono finalmente ad accoppiarsi con i nuclei, formando così i primi atomi completi e a i fotoni non restò, come penitenza, che vagare soli nell'universo per l'eternità senza che nessuno li notasse. Questo almeno fino al 1964-1965 quando i fotoni vennero osservati in quello che oggi chiamiamo fondo cosmico a microonde o, per dirla all'inglese CMB, cioè Cosmic Microwave Background. 

In parole povere, i nostri fotoni li vediamo oggi tutti abbastanza freddi, segno che la delusione cocente è ormai passata: tuttavia il modo in cui si è sfuggiti al tradimento degli elettroni (che sono scappati con i nuclei) ha influito in maniera diversa sui fotoni a seconda di come era la situazione.

Per esempio, un fotone circondato da tanti nuclei (cioè che si trovava in una regione più densa dell'universo) ha fatto più fatica in quei momenti a venirne fuori da quella zona ma possiamo dire che alla fine ha metabolizzato meglio la situazione e ne è uscito più freddo della media, proprio perché ha speso tutte le sue energie migliori per lasciarsi la delusione alle spalle. Invece un fotone circondato da pochi nuclei (quindi proveniente da una regione meno densa dell'universo) non ha ancora passato quella fase di rancore, in quanto ha fatto meno fatica a lasciare nuclei ed elettroni; possiamo pensarla come se questi ultimi fotoni, data la regione poco densa e abbastanza isolata in cui si trovavano, non siano stati testimoni del tradimento di massa degli elettroni e quindi non si siano ancora rassegnati.
Perciò, in definitiva, vediamo fotoni più freddi della media che provengono dunque dalle regioni più dense e fotoni più caldi della media che provengono da regione meno dense. Ripeto che si tratta di differenze di una parte su centomila, eh.

In rosso, i fotoni leggerissimamente più caldi di 2.73 K; in blu, quelli leggerissimamente più freddi di 2.73 K.





E alla fine, dunque, i fotoni tuttora vagano nell'universo, senza una meta precisa, come nelle peggiori delusioni amorose. Eppure, è solo grazie a questo dramma esistenziale dei fotoni all'inizio dell'universo che possiamo studiare tante cose e capirne ancor di più su come funziona tutto ciò che ci circonda.

Morale della favola, direi, è che l'amore può deludere ma la scienza probabilmente, con tutte le meraviglie da studiare e scoprire, non lo farà mai. E in un certo senso, anche voler cercare di comprendere come funziona l'universo è una forma di amore, un amore per la vita stessa che, in qualche modo, prese il via anche grazie a quei meravigliosi fotoni all'inizio dell'universo.