In cerca di vita nel multiverso – 2) Parte seconda: la vita senza la forza debole

Molti fisici sostengono che un piccolo cambiamento delle costanti universali o delle leggi fisiche fondamentali avrebbero un esito disastroso che altererebbe l’evoluzione cosmica rendendo impossibile la nostra esistenza.

Ma c’è chi pensa che è perfettamente possibile che esistano altri universi abitabili privi di una delle forze della natura ma diversi dal nostro.
Secondo voi è possibile?
Beh! non c’è niente di meglio che andare a scoprirlo insieme.

I fisici hanno dimostrato che si possono apportare modifiche alle leggi della fisica delle particelle in modo che, togliendone una, il comportamento delle tre solo forze rimanenti insieme ad altri parametri cruciali come le masse dei quark resti invariato rispetto al nostro mondo.

Delle quattro forze la più canditata ad essere eliminata, secondo gli scienziati, è la forza debole.
Ecco il ragionamento.

La forza nucleare debole permette le reazioni che trasformano i neutroni in protoni e viceversa.
Nell’universo senza forza debole la normale fusione dei protoni in nucleo di elio-4 diventa impossibile visto che richiede la trasformazione di due protoni in neutroni.
Ma la sintesi degli elementi potrebbe seguire vie diverse.

Per esempio il nostro universo contiene un enorme eccesso di materia rispetto all’antimateria. Ma una piccola correzione dei parametri di questa asimmetria permette alla nucleo-sintesi del Big Bang di produrre una quantità rilevante di nuclei di deuterio.
Quest’ultimo chiamato anche idrogeno-2 è l’isotopo dell’idrogeno il cui nucleo contiene un neutrone in più al solito neutrone.

Le stelle quindi continuerebbero a brillare grazie alla fusione di un protone ed un nucleo di deuterio in un nucleo di elio-3.

Ma chiariamo meglio le idee.

L’Universo con le quattro forze fondamentali.

Compaiono le quattro forze fondamentali.
Data la temperatura estremamente elevata dell’universo la forza debole non permette alla materia di avere massa. (10^-40 secondi)
Il raffreddamento indebolisce la forza debole quindi le particelle della materia cominciano ad avere massa. (10^-12 secondi)
I quark Su e Giù si combinano per la presenza della forza debole in protoni (nuclei di idrogeno) e neutroni. (10^-4 secondi)

Alcuni protoni si fondono in nuclei di elio-4. Questa reazione dipende dalla forza nucleare debole che trasforma i protoni in neutroni, elettroni e antineutrini. (1 secondo – 3 minuti)
Si formano le prime stelle seguite dalle galassie. La combustione delle stelle è alimentata soprattutto dalla fusione dell’idrogeno in elio-4.

Nelle stelle si verifica anche la fusione dell’elio-4 che produce il carbonio ed altri elementi del sistema periodico fino al ferro. (150.000 anni – 7 miliardi di anni).
Generazioni di stelle collassano in supernove. Le supernove disperdono i propri elementi nello spazio.
Si forma il sistema solare. La Terra è il terzo pianeta a partire dal Sole.
Si evolvono esseri intelligenti che iniziano a chiedersi perché il proprio universo è fatto così. (8 miliardi di anni – 13,7 miliardi di anni)

L’Universo con tre forze fondamentali

Compare un numero più piccolo di particelle elementari. Ma le particelle hanno già massa.
I quark Su e Giù si combinano in protoni (nuclei di idrogeno) e neutroni.

Alcuni protoni e neutroni si fondono in deuterio e poi in nuclei di elio-3. I protoni non possono trasformarsi in neutroni.

Si formano le prime stelle seguite dalle galassie. La combustione è formata soprattutto dalla fusione del deuterio e idrogeno in elio-3. Le stelle sono più fredde.

Grazie alla fusione del deuterio le stelle producono anche una certa quantità di elio-4 la cui fusione successiva produce carbonio fino ad arrivare al ferro. Gli altri elementi pesanti sono praticamente assenti.
Il collasso delle stelle non si trasformano in supernove, ma alla semplice estinzione della stella. Alcune stelle però possono esplodere dopo aver accumulato altro materiale disperdendolo nello spazio.
Si forma il sistema solare. Una terra abitabile deve avere una distanza inferiore a quella di Mercurio dal nostro Sole.
Si evolvono esseri intelligenti che iniziano a chiedersi perché il proprio universo è fatto così.

Bene! Credo che così le cose sono più chiare. Spero.
Allora andiamo avanti.

Come sarebbe formato allora questo nuovo universo?

Dimensioni ed elementi pesanti
Le stelle di un universo senza la forza debole sono più piccole e più fredde rispetto a quelle del nostro cosmo.
Secondo simulazioni al computer condotte dall’astrofisico Adam Burrows della Princeton Univerity, queste stelle potrebbero bruciare per circa 7 miliardi di anni (circa la metà del nostro Sole) e irradiare energia con un tasso equivalente a una frazione del nostro sole.

Come le stelle del nostro universo, quelle di un cosmo privo della forza debole sintetizzano elementi con il peso atomico simile al ferro o minore, con ulteriori reazioni di fusioni.
Al contrario delle reazioni nelle stelle conosciute che generano elementi più pesanti del ferro, nelle stelle prive di forza debole le ulteriori reazioni diventano impossibili. Soprattutto perché i nuclei hanno a disposizione pochi neutroni da catturare per formare elementi di peso atomici più elevato.

Nel nostro universo le esplosioni delle supernove sintetizzano alcuni elementi e disperdono nello spazio gli elementi prodotti dalla stella morente.
Ci sono diversi tipi di supernove: nell’universo senza la forza debole le esplosioni di una supernova dovute al collasso di stelle super massicce non possono avvenire, perché l’emissione di neutrini, prodotti tramite la forza debole, non riesce a trasferire l’energia all’esterno del nucleo stellare.

Tuttavia è possibile un secondo tipo di supernova. Ovvero l’esplosione termonucleare di una stella innescata da fenomeni di accrescimento e accumulo di materia e non di un collasso gravitazionale.
In questo modo gli elementi si possono disperdere nello spazio dove possono formare nuove stelle e pianeti.

Temperatura
Dato che le stelle in un universo senza forza debole sono relativamente più fredde, un corpo di tipo terrestre dovrebbe essere sei volte più vicino alla propria stella per avere la temperatura simile a quella della Terra.
Gli abitanti di questo pianeta vedrebbero il Sole molto più grande.

Fin qui ci siete? Bene, allora vado avanti tranquillo?
Le differenze non si fermano qui.

Tettonica a placche
La tettonica a placche e l’attività vulcanica della Terra sono alimentate dal decadimento radioattivo dell’uranio e del torio nelle profondità della Terra.
In un universo privo di questi elementi pesanti, un pianeta terrestre avrebbe una attività geologica limitata.

La chimica
La chimica invece rimarrebbe uguale a quella che conosciamo. Il sistema periodico però si fermerebbe al ferro con tracce infinitesimali di materiali più pesanti.
Questo limite, tuttavia, non impedirebbe la evoluzione di forme di vita simile a quella conosciuta.

Quindi un universo privo della forza debole, ovvero con tre forze fondamentali potrebbe essere adatto alla vita.

Ma quale vita? Sono possibili forme di vita intelligente?

Chimica del carbonio.
Sembra plausibile che forme di vita intelligenti richiedano una chimica organica che per definizione è la chimica del carbonio.
Le proprietà chimiche di questo elemento derivano dal fatto che il suo nucleo ha una carica elettrica pari a sei. Quindi sei elettroni che orbitano attorno al nucleo di un atomo neutro.
Questa proprietà permette al carbonio la formazione una varietà immensa di molecole complesse.
Nel contempo la formazione di molecole complesse richiede la presenza di elementi come l’idrogeno e l’ossigeno con le rispettive cariche (H₁-O₈).
Per capire se la chimica in un universo alternativo può funzionare è necessario capire se i nuclei non subiscono un decadimento radioattivo prima di partecipare a formare una reazione. In altre parole bisogna capire la stabilità del nucleo.

Allora andiamo a vedere le condizioni di stabilità dei nuclei.

La chimica dei quark.
Nel nostro universo le particelle sono formate da due o tre quark. Sappiamo che i quark Su e Giù si combinano in neutroni e protoni. Vediamo cosa succede se andiamo a modificare la masse dei quark.
Sappiamo che la stabilità di un nucleo dipende in parte dalla sua massa, che a sua volta è funzione della massa dei barioni (composizione di tre quark) di cui è formata. Calcolare la massa dei barioni è complicato anche nel nostro universo, ma i fisici teorici ci hanno provato. Ecco il risultato.

Quark Su e quark Giù

Nel nostro mondo il neutrone pesa lo 0,1 pe cento in più del protone.
Se moltiplichiamo le masse dei quark in modo che il neutrone pesi più del 2 per cento del protone non otteniamo forme statili di carbonio ed ossigeno.
Se modifichiamo le masse dei quark per far pesare il protone più del neutrone, il protone del nucleo di ossigeno cattura l’elettrone dall’orbitale trasformandolo in neutrone.
Come risultato avremo che gli atomi di idrogeno avrebbero una vita più breve. Tuttavia il deuterio e trizio (idrogeno 3) e alcune forme di ossigeno e di carbonio possono essere stabili, infatti le forme stabili di idrogeno non sono possibili se il protone pesa oltre il 2 per cento del neutrone.

Se sostituiamo l’idrogeno con il deuterio ed il trizio gli oceani diventano composti di acqua pesante che ha proprietà fisiche e chimiche leggermente differente dall’acqua normale.
Ma ancora una volta un mondo del genere non sembra presentare ostacoli alla formazione di vita organica.

Quark Strano.

Nel nostro universo il terzo quark più leggero è il quark Strano. Ma è troppo pesante per partecipare alla fisica del nucleo.
Se però la sua massa viene ridotta di un fattore superiore a dieci, i nuclei possono essere composti non solo da protoni e neutroni, ma anche da altri barioni contenenti quark Strani.

Inoltre i ricercatori hanno dimostrato che possono esistere universi paralleli in cui i quark Su e Strano hanno circa la stessa massa mentre il quark Giù è molto più leggero. In questo caso i nuclei non sarebbero formati da neutroni e protoni, ma da neutroni e un barione chiamato sigma negativo.

Instabilità dei barioni

Il quark Su da solo è troppo leggero per formare una chimica stabile. Un unicerso così formato non è adatto alla vita.

La chimica organica sarebbe impossibile in un universo dove le messe dei tre quark più leggeri avessero valori più o meno simili. Ciascun nucleo con più di due unità di carica elettrica finirebbero per decadere quasi subito.

Conclusione.

Quindi anche un universo drasticamente diverso dal nostro potrebbe ospitare forme stabili di idrogeno, carbonio ed ossigeno, e quindi una chimica organica.

Tuttavia non si sa se questi elementi sarebbero prodotti in quantità sufficienti all’evoluzione degli esseri umani. In ogni caso la vita emergerebbe in modo simile a quanto avvenuto al nostro mondo.
Nel nostro mondo infatti la chimica organica esisterebbe se le masse dei quark Su e Strano sono molto diverse.

Se c’è la possibilità che possa esistere un universo senza la forza debole, questa è la dimostrazione teorica che possono esitere i molti universi (multiversi).

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(fonte: Le Scienze 01/03/2010)

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