Dalle coincidenze dell’universo la confutazione del naturalismo

Nucleosintesi
di Giorgio Masiero*
*fisico

Si sente dire spesso che l’immensità dell’Universo prova l’esistenza d’innumerevoli altre forme di vita nelle galassie, cui filosofeggiando si fa seguire come corollario l’irrilevanza cosmica dell’esistenza umana. È un fatto scientifico, invece, che una vita fondata sulla chimica del carbonio (com’è la nostra) o su qualsiasi altro supporto fisico, non potrebbe esistere in un mondo più piccolo. E che, nonostante tutte le risorse profuse in un secolo nelle rispettive ricerche, non abbiamo il minimo indizio di vita aliena, né la minima idea di come si sia originata quella nostrana.

È del 1929 la scoperta da parte di Edwin Hubble dell’espansione dell’Universo, rivelata dallo spostamento verso il rosso dello spettro luminoso delle galassie lontane. Da essa si poté desumere che la grandezza dell’Universo (una quindicina di miliardi di anni luce) è strettamente legata alla sua età (una quindicina di miliardi di anni). Dall’altro lato, a partire da un lavoro di Hans Bethe del 1939, la fisica nucleare sa che le stelle hanno un ciclo di vita durante il quale i nuclei d’idrogeno, di cui sono inizialmente composte, si fondono progressivamente ad assemblare tutti gli elementi della tavola di Mendeleev fino al ferro. Quest’attività della durata di 10 miliardi di anni circa si chiama nucleosintesi stellare. Anche gli atomi che compongono il nostro corpo, in particolare gli elementi ossigeno, carbonio, azoto e fosforo del DNA, furono sintetizzati nella fornace di un’antica stella, tra le prime nate dopo il Big Bang, in un lavorio durato 10 miliardi d’anni. Nell’esplosione finale, durante cui apparvero gli elementi chimici più pesanti, si staccò il frammento che è la nostra Terra e noi uomini siamo forme pensanti, organizzate sul fango di quella proto-stella ormai svanita.

Fra 5 miliardi di anni, quando avrà esaurito il suo combustibile nucleare, anche il nostro Sole uscirà dalla sequenza principale di produzione. Simile ad una cipolla dagli strati contenenti ordinatamente tutti gli isotopi dall’idrogeno al ferro 56, esso si dilaterà allora a “gigante rossa”, inghiottendo la Terra e i pianeti più interni. Gli oceani terrestri bolliranno a milioni di gradi e ogni forma di vita terrestre, ammesso che sia sopravvissuta fino ad allora, scomparirà nell’inferno di plasma. Qualche centinaio di milioni di anni dopo, la gigante rossa esploderà come una bolla di sapone in supernova, producendo gli isotopi più pesanti e disperdendo nello spazio il suo magazzino di prodotti chimici finiti, dall’idrogeno all’uranio.

Un Universo più piccolo di 10 di miliardi di anni luce non avrebbe l’età per aver ospitato il ciclo completo di una stella e pertanto non conterrebbe corpi celesti freddi con gli atomi necessari alla vita, ma solo fornaci nucleari in ebollizione e nubi sparse d’idrogeno e di elio. Facciamoci quattro conti in tasca:

Una decina di miliardi di anni per la nucleosintesi e l’esplosione in supernova della proto-stella;
mezzo miliardo di anni per il raffreddamento del frammento Terra, il suo aggancio ad un Sole nuovo di zecca e la precipitazione dell’abiogenesi dei primi batteri;
3,5 miliardi di anni per la speciazione, culminata in Homo sapiens sapiens;
Totale: 14 miliardi di anni (e un Universo grande 14 miliardi di anni luce).

Aveva dunque ragione Gilbert K. Chesterton a dire che l’Universo non è affatto grande per noi, ma “è pressappoco il buco più piccolo in cui un uomo può ficcare la sua testa”. Solo chi non si rende conto della complessità fisica della materia-energia, della complessità chimica della vita nella complessità del suo habitat fisico, e del mistero dell’Io umano può credere il contrario…

Come avviene la sintesi degli elementi nelle stelle? Si è scoperto che questo è un processo accuratamente confezionato al momento del Big Bang da una serie di coincidenze nei valori di alcune costanti fisiche. Altrove ho spiegato che, come la nube degli elettroni intorno al nucleo atomico ha configurazioni energetiche discrete, anche il sistema dei protoni e dei neutroni nel nucleo (i nucleoni) si dispone su livelli quantizzati, a righe nitidamente osservabili. Quando i nucleoni passano da un livello energetico ad uno più basso viene emessa energia e, all’opposto, l’immissione dall’esterno di energia può favorire la transizione del nucleo ad un livello più alto. Questa chimica nucleare a livelli quantizzati è alla base della catena di reazioni che avvengono nelle stelle.

Naturalmente la prima reazione che accade al centro di una stella giovane, in seguito alla pressione della gravitazione, è la fusione d’idrogeno in elio, con un’emissione di energia che momentaneamente allenta la pressione. Però la riserva d’idrogeno sarebbe destinata a svanire velocemente se poi, alla contrazione gravitazionale con densità di decine di tonnellate per litro, non corrispondesse anche una salita della temperatura a un centinaio di milioni di gradi, che fa scattare una seconda reazione nucleare: la fusione di elio in carbonio. La fisarmonica di reazioni esotermiche decongestionanti, seguite da contrazioni, seguite da aumento di temperatura e nuove reazioni sintetizzatrici di nuovi elementi chimici e passanti sempre per la produzione del carbonio, scandisce lo schema della sintesi di elementi sempre più pesanti nelle caldere stellari. Tuttavia, perché la fusione di elio in carbonio (3 He⁴ → C¹²) avvenga, è necessaria la concomitanza di 3 coincidenze.

Prima coincidenza. La fusione diretta per collisione di 3 isotopi dell’elio è un evento troppo improbabile per dar luogo ad una significativa produzione di carbonio. Resta la strada indiretta che passa attraverso la produzione intermedia di berillio: prima 2 atomi di elio fondono in berillio (2 He⁴ → Be⁸), e poi la collisione di un atomo di elio con il berillio produce il carbonio: He⁴ + Be⁸→ C¹². Perché ciò avvenga però, è necessario che l’isotopo di berillio abbia la durata di vita “giusta”, abbastanza lunga rispetto alla frequenza delle collisioni tra nuclei d’elio e alla loro durata (così da consentire anche la seconda reazione, che lo trasforma in carbonio), ma non troppo lunga da esser un elemento quasi stabile (e rendere la reazione violenta al punto da esaurire tutta la riserva d’idrogeno in berillio, senza produzione di altri elementi). Ebbene è risultato che il berillio ha una longevità di ~10^-17 secondi, che è lunga rispetto ai tempi d’urto dei nuclei di elio (~10^-21 s) ed ottimale per la produzione del carbonio e degli elementi successivi.

Seconda coincidenza. La longevità del berillio è una condizione necessaria, ma non sufficiente alla produzione di carbonio. Perché la fusione nucleare avvenga effettivamente, occorre che la somma dei livelli energetici dei nuclei di elio e berillio reagenti (7,37 MeV) sia leggermente inferiore al livello energetico del carbonio prodotto: solo così la reazione entra in “risonanza” e, con un piccolo ammontare di energia extra fornita dal calore di caldera, precipita. Ebbene, si è trovato che il livello quantico dell’isotopo 12 del carbonio è 7,66 MeV, appena superiore a quello dei reagenti! Se esso fosse inferiore, la reazione non potrebbe accadere; se la sua superiorità fosse più marcata, la reazione sarebbe rara. Con questi valori, essa accade e produce abbondante carbonio.

Terza coincidenza. La storia spericolata del carbonio non finisce qui. Sul neonato ora incombe la minaccia di una repentina eliminazione, con la sua trasformazione in ossigeno: He⁴ + C¹² → O¹⁶. L’evento (catastrofico per l’apparizione di futuri osservatori) può essere controllato solo se il livello quantico dell’isotopo 16 dell’ossigeno è leggermente inferiore alla somma dei livelli dei reagenti (7,16 MeV). Ciò che, come il lettore ormai ha desunto dal fatto di essere vivo, risulta puntualmente: 7,12 MeV è infatti il livello energetico dell’ossigeno, con un’inferiorità giusto dello 0,6%.

Ecc., ecc., in una serie di altre, felici concomitanze per gli elementi chimici successivi. Come si spiegano queste coincidenze stellari senza cui, come notò per primo Fred Hoyle nel 1953, non esisterebbe la vita? In ultima istanza scientifica, esse derivano dai rapporti di forza dei campi fisici e di massa di nucleoni ed elettroni. Una ventina di Numeri che a priori, in ipotetici universi, potrebbero essere qualsiasi, nel nostro Universo invece hanno fin dal Big Bang i valori necessari per la (futura) comparsa di osservatori come noi umani. Né potrebbe essere altrimenti, se siamo qui a rilevarlo! Questa ovvia considerazione si chiama “principio antropico” (debole) ed è un’assunzione scientifica, capace di predizioni controllabili. Per es., con riferimento alla seconda coincidenza del carbonio, Hoyle prima previde col principio antropico l’esistenza di una risonanza dell’isotopo C¹² “intorno ai 7,7 MeV” e solo dopo furono sperimentalmente cercate e misurate le righe che confermarono la sua predizione.

La cosa sorprendente però è un’altra: è la sintonizzazione “ultrafine” di questi Numeri, stante nel fatto che una minima variazione dei loro valori al Big Bang avrebbe reso impossibile qualsiasi forma di vita. Se uno solo dei Numeri – che infine regolano i giochi di fisica, chimica e biologia – fosse appena diverso, l’Universo sarebbe un singolo buco nero, o un insieme di buchi neri, o una polvere di particelle non interagenti, o sarebbe costituito di solo elio, e così via. In tutti i casi l’uniformità del paesaggio (ad entropia costante, quindi senza trasformazioni termodinamiche, quindi zero chimica, quindi no metabolismi) impedirebbe ogni forma di vita immaginabile. Per dare un’idea della finezza della sintonia, dirò solo che se la costante di gravitazione G o d’interazione nucleare debole g_W fossero diverse per 1 parte su 10⁵⁰, noi non saremmo qui.

Dalla sintonia fine io traggo una confutazione del naturalismo: il nostro Universo fisico non è una realtà chiusa, auto-esplicativa. Ogni spiegazione della sintonia fine infatti, può solo poggiarsi sull’esistenza di una seconda realtà inosservabile, che “trascende” l’Universo fisico in cui viviamo. Questa realtà metafisica si riduce infine a 2 opzioni: o un’Agenzia Trascendente Razionale (che tutti chiamano “Dio”) ha creato questo Universo, ordinandolo fin dal principio per la vita; o un’Agenzia Trascendente Cieca ha prodotto infiniti universi paralleli (il “multiverso”), con leggi fisiche e costanti cosmologiche disparate, e noi per caso ma necessariamente ci troviamo in una (rara) isola abitabile. Se, nel primo scenario, la scienza consiste nello scoprire le leggi di Natura – che vuol dire “conoscere i pensieri di Dio” (A. Einstein) –, mi chiedo: che cosa significa “scienza” per chi crede nel multiverso?