Astronomia da fantascienza 👉 -1

*Astronomia da fantascienza, a cura di Camilla Pianta*

Universo incostante, quando l’ordine cosmico è dinamico 🌌

E se la costanti universali fossero in realtà grandezze variabili?

COUNTDOWN VERSO APRILE 2026, IL CENTENARIO DELLA FANTASCIENZA: -1

 

“«Centrale» non è un nome insolito per un pianeta. Il suo analogo si può trovare in molte lingue e presso molte razze. Come gli equivalenti di Novaterra e Patria Nuova dei coloni giunti su altri pianeti, «Centrale» ha sempre lo stesso significato per le razze che arrivano a organizzarsi in vaste reti di comunicazione: il centro di smistamento-dati a velocità ultraluce, situato il più possibile lontano dalla Zona Lenta ed equidistante dai clienti che serve. Si può viaggiare per migliaia di anni luce intorno alla galassia e trovare migliaia di Centrali di comunicazione simili.
Ma nell’epoca in cui si svolge questa vicenda un Centrale superava di gran lunga la fama e le possibilità di ogni altro. I suoi introiti derivavano dal vasto sistema di transcevitori chiamato la Rete Conosciuta. Situato ventimila anni luce al di sopra del piano della galassia, Centrale aveva il modo di comunicare in linea retta ed a velocità ultraluce con almeno il trenta per cento dell’Esterno, compresi molti sistemi situati sul Fondo, dove le astronavi non potevano viaggiare a più di un anno luce al giorno.”

Famoso per aver coniato il termine “singolarità tecnologica” nel 1983 e per aver anticipato dibattiti scientifici odierni sull’intelligenza artificiale, Vernor Vinge (1944-2024) è stato uno scrittore statunitense con formazione accademica in matematica e informatica, che ha insegnato per anni alla San Diego State University in California. Nel romanzo Universo incostante (A Fire Upon The Deep), pubblicato per la prima volta nel 1992 dalla casa editrice americana Tor Books negli Stati Uniti e poi l’anno dopo in Italia dalla Editrice Nord per la traduzione di Gianluigi Zuddas, la galassia è un ambiente eterogeneo contraddistinto da una gerarchia verticale. Essa è infatti suddivisa in Zone con proprietà fisiche spazialmente variabili, la cui complessità aumenta con l’altezza rispetto al piano galattico. Dalla Zona Lenta, alle Profondità Imponderabili, fino all’Esterno, i vincoli su comunicazione e tecnologia divengono via via meno stringenti, tanto da ammettere la propagazione dell’informazione a velocità superluminale attraverso la Rete Conosciuta. Il pianeta Centrale costituisce un nodo strategico all’interno della Rete: la sua posizione ottimizza la trasmissione dei dati e la rapidità dei viaggi interstellari, rendendo raggiungibili aree altrimenti precluse. Nel 1993 l’opera ha vinto il Premio Hugo come miglior romanzo di fantascienza.

Un universo incostante quello concepito da Vinge, dove le leggi della fisica operano diversamente a seconda della Zona in cui ci si trova. Ma come si declina il concetto di incostanza nel nostro universo?

Si racconta che il fisico austriaco Wolfgang Pauli (1900-1958) abbia affermato che, da morto, la sua prima domanda al Diavolo sarebbe stata quale fosse il suo significato, e che il suo collega statunitense Richard Feynman (1918-1988) l’abbia definita un numero magico incomprensibile. Stiamo parlando della costante di struttura fine, una grandezza adimensionale dal valore di α ≈ 1/137.036 indipendentemente dal sistema di misura in cui viene espressa. Gli studi indicano che, se questo numero variasse anche solo di pochi punti percentuali, nell’universo non potrebbe esistere la vita come la conosciamo. È per questo motivo che c’è chi si spinge perfino a ritenere che la costante di struttura fine sia stata “tarata” appositamente per essere compatibile con l’emergere della vita. Ciononostante, non può essere predetta direttamente dalla teoria, ma deve essere misurata sperimentalmente. Invero, essa compare tra i 19 parametri liberi del Modello Standard della fisica delle particelle (di cui abbiamo scritto in una precedente puntata) e fa parte delle cosiddette costanti di accoppiamento, che determinano l’intensità delle forze associate alle interazioni elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte. Nello specifico, è la costante di accoppiamento della forza elettromagnetica, poiché rappresenta l’intensità dell’interazione tra due particelle cariche: per esempio tra protoni ed elettroni negli atomi, oppure tra protoni nei nuclei atomici (dove si manifesta come repulsione coulombiana tra cariche positive, ossia dello stesso segno).

La costante α fu introdotta per la prima volta nel 1916 dal fisico tedesco Arnold Sommerfeld (1868-1951), che estese il modello atomico del fisico danese Niels Bohr (1885-1962) introducendo correzioni relativistiche alle orbite elettroniche. Nel modello di Bohr gli elettroni, aventi carica negativa, ruotavano attorno a un nucleo positivo composto da protoni e neutroni, occupando livelli energetici fissi chiamati orbitali. Gli elettroni potevano passare da un orbitale all’altro assorbendo (per salire di livello) o emettendo (per scendere di livello) una data quantità di energia sotto forma di fotoni. Tuttavia, col tempo il modello di Bohr si rivelò troppo semplicistico, dal momento che non teneva conto dello spin degli elettroni, il quale provocava un’ulteriore divisione degli orbitali in due livelli distinti caratterizzati da una lieve separazione energetica. Fu proprio Sommerfeld a individuare la presenza di questi suborbitali, costituenti la struttura fine dell’atomo: da qui il nome della costante α, che doveva riprodurre matematicamente tale struttura.

Il valore di α viene stabilito attraverso esperimenti di spettroscopia e interferometria atomica, che permettono di osservare come l’elettrone si comporta in un campo magnetico esterno, come quello generato nei ciclotroni. Questa risposta, detta momento magnetico, dipende dallo spin e dalla carica elettrica della particella: le piccole deviazioni tra il valore misurato e quello previsto dall’equazione relativistica del fisico britannico Paul Dirac (1902-1984) per l’elettrone sono chiamate anomalie del momento magnetico e servono per calcolare con precisione in elettrodinamica quantistica. Dal punto di vista fisico, il fatto che sia molto piccola implica che la forza elettromagnetica sia piuttosto debole: ciò significa che gli elettroni orbitano a una distanza mediamente grande dal nucleo, risultando di conseguenza meno legati. La loro disponibilità allo scambio con altri atomi è dunque maggiore e facilita l’avvenire delle reazioni chimiche, comprese quelle necessarie allo sviluppo della vita. Se, al contrario, fosse significativamente maggiore o minore, le condizioni favorevoli al verificarsi di tali reazioni chimiche non sarebbero soddisfatte e la vita non sarebbe possibile. In altre parole, si trova esattamente nella cosiddetta Goldilocks zone, la finestra critica al di fuori della quale l’universo non potrebbe ospitare configurazioni idonee alla complessità biologica.

Il collegamento tra α e la chimica della vita si ritrova anche nell’astrofisica, grazie al lavoro dell’astrofisico britannico Fred Hoyle (1915-2001) sul processo di produzione di elementi pesanti — come carbonio, azoto e ossigeno — all’interno delle stelle. Nel 1957, egli scoprì che l’abbondanza cosmica di carbonio poteva essere spiegata solo grazie all’esistenza di uno stato eccitato all’energia di 7,654 MeV (lo stato di Hoyle) nel nucleo del carbonio-12. Si trattava di uno stato risonante, in quanto la sua energia coincideva quasi esattamente con l’energia richiesta per combinare tre nuclei di elio nella reazione triplo-alfa, attraverso la quale il carbonio-12 poteva formarsi. Tale stato sembrava, in sostanza, “finemente posizionato” per aumentare la probabilità che la reazione triplo-alfa avesse luogo. A partire dagli anni 2000, si cominciarono ad utilizzare modelli di struttura nucleare e di evoluzione stellare per analizzare la sensibilità della reazione triplo-alfa alla posizione dello stato di Hoyle nel carbonio-12, con l’obiettivo di stimare il grado di influenza delle forze  nucleare forte ed elettromagnetica sulla soglia energetica a cui essa poteva considerarsi efficiente. In particolare, il fisico austriaco Heinz Oberhummer (1941-2015) e collaboratori scoprirono che una variazione di circa 0,5–4% del valore di α sarebbe bastata per spostare la risonanza, modificando drasticamente la nucleosintesi del carbonio. L’alterazione si sarebbe tradotta in una differente repulsione coulombiana tra i protoni dei nuclei di carbonio-12, che avrebbe portato a una rottura dell’equilibrio con la forza nucleare forte, deputata a tenere insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici. Il mancato bilanciamento tra le due forze avrebbe così impedito la coincidenza energetica tra i nuclei di elio reagenti e quelli di carbonio prodotti.

A prima vista, la costante di struttura fine appariva quindi come una quantità universale e immutabile. La consapevolezza che, in realtà, esisteva una relazione tra essa e la temperatura si sviluppò di pari passo con l’elettrodinamica quantistica: si otteneva α ≈ 1/137.036 alla temperatura T ≈ 2 K, ovvero alla temperatura dell’universo attuale, ma α ≳ 1/127 a T ≈ 10¹⁵ K, la temperatura dell’universo primordiale. Ne deriva che α era maggiore in prossimità del Big Bang, quando l’universo era molto caldo, ragion per cui può essere ritenuta costante soltanto nel limite delle basse temperature. L’idea che le costanti di accoppiamento dipendano dalla scala energetica — vale a dire dalla temperatura, misura dell’energia media in fisica delle particelle — prende il nome di running delle costanti e discende dall’introduzione della tecnica di rinormalizzazione in elettrodinamica quantistica.

Si tratta di una procedura matematica, usata per eliminare i termini divergenti nelle formule della teoria, che consiste nel riscrivere i parametri fondamentali (come la carica e la massa dell’elettrone) in forma finita tramite sostituzione dei valori calcolati con quelli misurati sperimentalmente. Ciò consente di effettuare predizioni numeriche sensate e confrontabili con le osservazioni, in funzione dell’energia del sistema fisico esaminato. Tali contributi infiniti sono dovuti alle fluttuazioni quantistiche del vuoto, un fenomeno per cui si assume che lo spazio vuoto sia in verità popolato da coppie virtuali (cioè non osservabili direttamente) particella-antiparticella che si formano e annichiliscono continuamente. Seppur invisibili e molto poco durature, esse incidono sul campo elettrico delle particelle reali, riducendone l’intensità percepita a distanza.

Quando, per esempio, un elettrone reale (che ha carica negativa) è immerso nel vuoto, le particelle virtuali (supponiamo coppie elettrone-positrone) risentono del suo campo e si ridistribuiscono in base al segno della loro carica: quelle con carica opposta (i positroni virtuali) vengono attratte e si avvicinano, mentre quelle con la stessa carica (gli elettroni virtuali) vengono respinte e si allontanano. Questo effetto, chiamato polarizzazione del vuoto, fa sì che si crei una nube di particelle virtuali attorno alla particella reale, che ne scherma parzialmente la carica e attenua il campo elettrico. Alle basse energie (o temperature), la schermatura è massima, cosicché la carica efficace, ossia quella rilevata, risulta inferiore a quella “nuda” e, di riflesso, l’interazione elettromagnetica s’indebolisce. Ora, la temperatura T ≈ 2 K corrisponde a energie dell’ordine di 10^-4 eV, troppo piccole perché le interazioni elettromagnetiche tra particelle riescano a penetrare nella regione più interna della nube che circonda ciascuna carica reale presente. Ergo, la carica misurata sperimentalmente, che entra nel computo di α, nel caso dell’universo attuale è quella schermata, non quella effettiva.

Nondimeno, non è l’unico esempio di “costante incostante”: tutte le costanti che regolano le interazioni fondamentali (α_s per la forza forte, α_w per la forza debole e G per la forza gravitazionale) sono sensibili alla scala energetica. Che cos’è allora una costante in fisica?

Storicamente, per “costante” si intendeva un numero assoluto subordinato alla ricerca dell’universalità delle leggi fisiche, che dovevano valere in ogni punto dello spazio e istante di tempo. Invece, la fisica moderna mostra un cosmo dinamico, in cui la nozione di costanza diventa plastica, trasformandosi conformemente allo stato di questo. Come in Universo incostante, “costanza” è spesso sinonimo di una stabilità locale e contingente. La precarietà insita nell’accezione fisica di costanza non deve però spaventare: essa suggerisce semplicemente che la realtà non è rigidamente deterministica e che, anzi, il nostro universo è solo una delle possibili configurazioni che la natura avrebbe potuto realizzare. Immaginare altri scenari, magari con un tocco di fantascienza, è poi tanto sbagliato? A voi, lettrici e lettori, la risposta.

Nus, 3 marzo 2026

 

Astroglossario

temperatura dell’universo T: temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde (Cosmic Microwave Background, CMB), il campo di radiazione elettromagnetica fossile che permea uniformemente l’universo e rappresenta la luce emessa quando materia e radiazione si sono disaccoppiate, circa 380.000 anni dopo il Big Bang. Essa è composta dai fotoni che da allora si propagano liberamente nello spazio e le cui lunghezze d’onda sono state progressivamente “stirate” fino al dominio delle microonde a causa dell’espansione cosmica. Questo fenomeno, detto redshift cosmologico, provoca la diminuzione dell’energia dei fotoni (direttamente proporzionale alla loro lunghezza d’onda), e quindi della temperatura della CMB.
spin elettronico: proprietà intrinseca dell’elettrone che indica la sua orientazione rispetto a un campo magnetico. Si tratta di una grandezza quantizzata che può assumere solo due valori distinti, “su” (up) e “giù” (down).
polarizzazione: fenomeno per cui le cariche di segno opposto vengono attratte, mentre quelle dello stesso segno respinte, da un campo elettrico esterno, creando una ridistribuzione di carica.
coppie particella-antiparticella: unione temporanea di una particella e della sua corrispondente antiparticella, avente stessa massa e carica elettrica opposta.
interazioni fondamentali: le quattro forze di base che governano tutti i fenomeni fisici nell’universo, determinando come le particelle elementari si influenzano tra loro. Esse sono la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole.
Modello Standard delle particelle elementari: teoria fisica, sviluppata tra la fine degli anni Sessanta e gli anni Settanta, che descrive i costituenti della materia e le interazioni fondamentali ad eccezione della gravità.
elettrodinamica quantistica: teoria che descrive l’interazione tra particelle cariche e campo elettromagnetico, combinando i principi della meccanica quantistica e della relatività ristretta. Essa tiene conto dei processi di emissione e assorbimento di fotoni — i mediatori dell’interazione elettromagnetica — da parte delle particelle e degli effetti delle fluttuazioni del vuoto quantistico, che porta alla formazione di coppie virtuali particella-antiparticella.
nucleosintesi stellare: processo attraverso il quale gli elementi chimici più pesanti dell’idrogeno vengono prodotti all’interno delle stelle tramite reazioni di fusione nucleare. Gli elementi sintetizzati nei vari cicli di fusione, progressivamente rimescolati fino a raggiungere gli strati più esterni, vengono espulsi via venti stellari o esplosioni di supernova, arricchendo il mezzo interstellare circostante di nuovo materiale per la formazione di stelle, pianeti e, in ultima istanza, della vita.
sintonia fine (fine-tuning): condizione per cui i parametri fondamentali di una teoria o dell’universo devono possedere valori estremamente precisi affinché si possano ottenere i risultati osservati o misurati sperimentalmente.

 

Riferimenti bibliografici

Internet Speculative Fiction Database: Vernor Vinge, Universo incostante, tutte le edizioni

Giovanni De Matteo, “Universo incostante”, Fantascienza.com, 3 luglio 2007

Arnold Sommerfeld, “Zur Quantentheorie der Spektrallinien”, Annalen der Physik, vol. 356, issue 17, pp.1-94, 1° gennaio 1916, in tedesco

Paul Adrien Maurice Dirac, “The quantum theory of the electron”, Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences, vol. 117, issue 778, pp. 610–624, 1° febbraio 1928, in inglese

E. Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William A. Fowler, W. A., Fred Hoyle, “Synthesis of the elements in stars”, Reviews of Modern Physics, vol. 29, issue 4, pp. 547–650, 1° ottobre 1957, in inglese

Heinz Oberhummer, Attila Csótó, Helmut Schlattl “Fine-tuning carbon-based life in the universe by the triple-alpha process in red giants”, in V. Burdyuzha, G. Khozin (Eds.), “The Future of the Universe and the Future of our Civilization” Conference (July 2-6, 1999, Budapest, Hungary), pp. 197-205, World Scientific Publishing, 2000, in inglese – versione su arxiv senza paywall

Ethan Siegel, “Ask Ethan: What Is The Fine Structure Constant And Why Does It Matter?”, Forbes, 25 maggio 2019, in inglese

Maura Sandri, “E se l’universo avesse un nord e un sud?”, Media INAF, 29 aprile 2020

Natalie Wolchover, “Physicists Nail Down the ‘Magic Number’ That Shapes the Universe”, Quanta Magazine, 2 dicembre 2020, in inglese

Molly Templeton, “Vernor Vinge, 1944—2024”, Reactor, 22 marzo 2024, in inglese

Steve Holland, “Vernor Vinge Obituary”, The Guardian, 29 marzo 2024, in inglese

Chary, Mark “Exploring the Habitability Goldilocks Zone: The Delicate Balance for Life”, Journal of Astrobiology & Outreach, vol. 13, issue 2, no. 374, 29 gennaio 2025, in inglese

 

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