cosmologìa

Lessico

sf. [sec. XVIII; cosmo+ -logia].

1) Lo studio dell'Universo; in particolare, lo studio dell'evoluzione, degli stati passati e futuri e delle relative leggi.

2) Parte della filosofia naturale che ha per oggetto il Cosmo e ne studia la struttura, l'origine, lo sviluppo, le modificazioni.

3) Nella storia delle religioni, l'insieme di regole di ordine sacrale che pretendono di mettere in relazione gli uomini (la realtà umana) con il Cosmo.

Astronomia: generalità

La cosmologia moderna nasce dall'applicazione, a opera di A. Einstein (1917), dei principi della relatività generale ai dati sull'Universo forniti dalle singole scienze. Prima di allora i modelli della cosmologia esprimevano le istanze e le pretese della visione filosofica del mondo. Il modello aristotelico, base dei sistemi del mondo prima di Copernico, rappresentava un Universo finito, materiale e percettibile, sostanzialmente statico. La rivoluzione copernicana, con il declassamento del nostro pianeta, e l'impiego di strumenti sempre più potenti e perfezionati aprirono la strada, da Galileo in poi, al concetto di un Universo infinitamente esteso, popolato di stelle e galassie e soggetto a trasformazioni evolutive. Alla base della cosmologia moderna è il cosiddetto principio cosmologico secondo cui l'Universo è in media identico dappertutto. Esso, oltre a esprimere l'esigenza razionale della regolarità dei fenomeni, consente di costruire modelli fisico-matematici secondo un procedimento per lo più deduttivo, che implica poi una verifica in base ai fenomeni astronomici su grande scala. Su questa base epistemologica si sono costruiti di fatto numerosi modelli matematici di Universo, che hanno in comune la caratteristica di attribuire eccezionale importanza cosmologica alla gravità, che agisce su tutti i corpi e a qualsiasi distanza e che quindi prevale sugli altri tipi di interazioni, quando le masse sono molto grandi e su grandi scale spaziali, come quelle trattate dalla cosmologia. Comune è anche l'interpretazione dello spostamento verso il rosso delle righe spettrali delle galassie (red shift) in termini di espansione dell'Universo secondo la legge di Hubble, la quale permette di porre a circa 14 miliardi di anni fa la nascita dell'Universo (big-bang). La radiazione termica di fondo di ca. 2,7 K, scoperta nel 1964, ma misurata con precisione solamente nel 1992 dal satellite COBE, rappresenta una sorta di “eco” della grande esplosione. La bassa temperatura di tale radiazione “fossile” è dovuta al raffreddamento causato dall'espansione stessa, per cui essa è portata come principale prova dell'esistenza di un'evoluzione dell'Universo a partire da uno stato a densità e temperatura elevatissime. Nella cosmologia moderna, fondata sulle equazioni della relatività generale e sulla fisica delle particelle elementari, il parametro che descrive l'espansione dell'Universo, la scala metrica R(t), è funzione di numerose variabili, quali la densità della materia e della radiazione, ma anche del tipo di materia e di energia che dominano l'Universo al tempo t. La relatività generale, per di più, pone una stretta relazione tra l'evoluzione temporale dell'Universo e le sue caratteristiche geometriche. Di grandissimo rilievo è, inoltre, lo studio delle equazioni di Einstein in presenza della cosiddetta costante cosmologica, costante introdotta dallo stesso Einstein per giustificare un Universo statico, come allora si credeva, poi rigettata in seguito alle osservazioni di Hubble sull'allontanamento delle galassie e nuovamente tornata in auge verso la fine del sec. XX, in seguito a osservazioni sull'espansione a velocità crescente dell'Universo. La maggior fiducia che la teoria classica del big-bang si è andata guadagnando fino agli anni Settanta del Novecento proviene dalla congruità delle previsioni riguardanti la generazione dei nuclei atomici (nucleosintesi primordiale) e della radiazione (fotonica e neutrinica) con il comportamento delle particelle nella fisica atomica e subatomica. È stato peraltro individuato un certo numero di difficoltà che insorgono allorché si tenta di estrapolare il modello classico ai primissimi istanti cosmici. In sostanza, l'interpretazione relativistica della gravità non appare in grado di descrivere compiutamente tutte le condizioni fisiche in corrispondenza ai primi 10^–35 secondi di vita dell'Universo, quando questi era caratterizzato da densità dell'ordine di 10⁸⁰ g/cm³ e di temperature di 10²⁷ K. Oltre al problema della singolarità iniziale, il modello classico del big-bang non spiega lo stato di interconnessione causale che pur dovette assicurare, fin dall'origine, quelle interazioni fisiche atte a stabilire, fra le diverse parti di spazio-tempo, lo stato di generale omogeneità e isotropia cui attualmente assistiamo. Infatti, c'è da ipotizzare che regioni cosmiche, topologicamente distaccate, dovettero inizialmente essere animate da velocità di recessione reciproca superiori a quella della luce tale che, sottraendosi l'un l'altra al di là dei rispettivi “orizzonti cosmologici”, ne rimase impedita ogni ulteriore connessione fisica. È questo un secondo problema che i cosmologi definiscono problema dell'orizzonte. C'è poi il problema della continuità, consistente nell'incremento di otto ordini di grandezza nello stato di “disordine” (entropia), verificabile in seno al fluido cosmico. Infine, sussiste il problema della curvatura, ovvero la difficoltà nello spiegare perché l'Universo osservato abbia una curvatura geometrica così prossima a quella corrispondente a uno spazio esattamente euclideo. Per risolvere queste difficoltà, è stata sviluppata nell'ambito delle teorie di fisica delle particelle elementari – principalmente per opera di A. Guth – la teoria dell'“Universo inflazionario”, che tenta di superare i limiti di quella del big-bang. Le instabilità del campo avrebbero contraddistinto i primi 10^–35 secondi di vita dell'Universo, con un accrescimento esplosivo della sua scala metrica di ben 90 ordini di grandezza. L'Universo da noi sperimentabile non rappresenterebbe perciò – nel suo stato attuale – che uno dei tanti “domini” nati con la fase inflattiva e rimasto fisicamente connesso entro il proprio orizzonte cosmologico. In un tale dominio non avrebbe ragione di sussistere alcuna delle difficoltà concettuali sopra menzionate. Il cosmologo russo A. Linde ha tuttavia ampliato il concetto, richiamando l'attenzione sulle proprietà microscopiche di natura essenzialmente indeterministica, tipiche del continuo spaziotemporale. Il processo inflattivo avrebbe allora facoltà di ripetersi tutte le volte che, a seguito di una qualche fluttuazione quantistica, si verificasse in qualche luogo una rottura di simmetria delle forze: ciò infatti provocherebbe immediatamente la produzione di uno spazio-tempo autonomo, posto in espansione esplosiva. Questo nuovo Universo che emerge può rimanere unito al precedente mediante un wormhole (“galleria del tarlo”), una sorta di cordone ombelicale quadridimensionale che assicura la continuità fisica fra i due, almeno fino a quando esso non si spezza provocandone il disaccoppiamento definitivo. Dato che tali eventi possono verificarsi dovunque e nel modo più sporadico (nascono infatti dal principio d'indeterminazione), il continuo spaziotemporale diviene assimilabile a un fluido in continua “ebollizione”, dal quale si distacchino grumi ed esplodano bolle: in realtà una produzione caotica di universi. Sotto tale punto di vista non si può parlare di un unico big-bang iniziale, bensì di una molteplicità di atti creativi che – previe altrettante fasi d'inflazione – generano universi di differente contenuto energetico e ponderale, avviati a evolvere in modo del tutto autonomo. Alcuni metodi di analisi propri della matematica dei frattali sembrano rivelarsi il procedimento più appropriato per la costruzione della modellistica adatta a una cosmologia siffatta.

Astronomia: la ricerca

Lo studio delle anisotropie su piccola scala della radiazione di fondo cosmico, studio compiuto per esempio con il pallone BOOMERANG, nell'ambito di un progetto internazionale a larga partecipazione italiana, ha permesso di stabilire con una certa precisione la densità totale di energia dell'Universo e quindi la sua forma geometrica. In questo modo la principale conseguenza delle teorie inflazionarie, densità esattamente pari alla densità critica e geometria euclidea, è stata verificata empiricamente. Accanto a queste misure che hanno confermato sostanzialmente teorie già accreditate, per ciò che concerne l'evoluzione dell'Universo, gli ultimi anni del sec. XX hanno portato notevoli sviluppi. In accordo con dati provenienti dallo studio di supernovae lontane i cosmologi hanno scoperto che l'Universo si trova in una fase di espansione accelerata. Esso, cioè, sta aumentando e non diminuendo la velocità con cui si espande. Questo ha fatto nascere l'ipotesi che a governare l'evoluzione globale dell'Universo sia una forma di forza repulsiva, di origine attualmente sconosciuta, che contrasterebbe la forza gravitazionale attrattiva. Sebbene l'idea di un'espansione accelerata e la conseguente esistenza di una forma di energia con effetti repulsivi trovi numerosi punti di accordo con il fatto che l'Universo sia geometricamente piatto, è molto difficile interpretare fisicamente la natura di questa energia. La possibilità che quest'ultima sia rappresentabile con la costante cosmologica, a sua volta correlabile con la cosiddetta energia del vuoto, si scontra al momento con i calcoli delle teorie quantistiche (l'errore è di un fattore 10¹²⁰). Un'alternativa alla costante cosmologica può essere un nuovo campo quantistico, che a differenza della costante cosmologica, vari nel tempo e nello spazio e che permei l'Universo. L'idea di un simile campo, detto quintessenza in riferimento a un quinto elemento fondamentale oltre ai quattro classici della filosofia greca, renderebbe più semplice l'accordo con i dati sperimentali ma, analogamente al campo che ha generato l'inflazione, non avrebbe nessun collegamento con i campi attualmente noti nella fisica quantistica.

Filosofia

La storia della cosmologia inizia, si può dire, con le prime manifestazioni della civiltà stessa. Non v'è cultura, per arcaica e primitiva che sia, che non implichi una cosmologia, in genere in forma di un mito cosmogonico in cui è narrata la storia dell'origine del cosmo e insieme ne è rivelata la struttura. È questa la fase mitica della cosmogonia. La seconda fase, propriamente filosofica, è quella in cui dal mito si passa alla speculazione nel tentativo di dare una spiegazione razionale o naturale del cosmo. In ambiente greco questa fase inizia con la filosofia presocratica, tesa alla ricerca del principio che è all'origine del mondo e che ne costituisce il fondamento, principio riconosciuto di volta in volta nell'acqua (Talete), nell'aria (Anassimene), nel fuoco (Eraclito), nell'ápeiron o infinito (Anassimandro). I pitagorici e in particolare Filolao (sec. V a. C.) furono i primi a sostenere una concezione eliocentrica secondo la quale la Terra e tutti i corpi celesti si muovono attorno a un fuoco centrale. Ma la cosmologia più diffusa nell'antichità, al punto da diventare normativa per il mondo greco-romano, fu la cosmologia speculativa di Aristotele. Secondo la concezione aristotelica, il cosmo è limitato in estensione, illimitato nel tempo e ordinato geocentricamente. Al centro del mondo è posta la Terra, circondata dalle sfere della Luna, dei pianeti e delle stelle fisse. Dio è il motore immoto di questo mondo. L'Universo è diviso in due parti: il mondo sublunare, corruttibile e imperfetto, e il mondo celeste, incorruttibile e perfetto. Questa concezione cosmologica fu fatta propria dal cristianesimo e restò dominante per tutto il Medioevo. Il primo a metterla in dubbio fu Guglielmo di Occam, che insinuò la possibilità dell'infinità dell'Universo e dell'esistenza di più mondi. Ma è con Nicola Cusano che nel sec. XV sono decisamente affermate l'infinità dell'Universo e l'inesistenza di un suo centro. Questo nuovo modo di concepire il mondo prenderà sempre più piede nel corso del sec. XVI soprattutto grazie ai contributi dell'astronomia eliocentrica di Keplero, e troverà la propria sistemazione nella visione galileiana dell'Universo. La tendenza della fisica nuova, da Galilei a Newton, trova la sua espressione nella cosmologia meccanicistica di Cartesio, ispirata a un razionalismo matematico; Kant sostanzialmente identifica la conoscenza teoretica della natura con la fisica newtoniana e mette l'accento sulla distinzione di principio fra le scienze degli oggetti dell'esperienza e la metafisica. Dalla fine del Romanticismo in poi, il dibattito verte sul significato e la portata dell'immagine scientifica del mondo, costruita secondo la metodologia della fisica: materialismo, energetismo ed evoluzionismo applicheranno con scrupolosa fedeltà il risultato dei nuovi concetti scientifici; il positivismo (Comte e Mach) sottoporrà il metodo scientifico a una critica fondata sull'empirismo sensistico; Hartmann e Driesch invece affideranno alla filosofia naturale l'estensione e l'approfondimento delle scienze empiriche, perché risponda alle esigenze di una comprensione totale della causa e del fine del mondo.

Religione

La cosmologia si esplica sulle comunità umane facendole esistere come elementi cosmici, fornendo loro una giustificazione esistenziale come gruppo distinto da altri gruppi e, in seno a uno stesso gruppo, dando luogo a ripartizioni e suddivisioni varie che, per un giuoco di antitesi e di complementarità, creano un piccolo universo conchiuso (microcosmo) che ripete la concezione cosmica di quel gruppo. La cosmologia si esplica nello spazio con norme religiose che regolano l'orientamento dei templi e dei luoghi sacri, delle case, dei villaggi, delle città. In genere, ogni rito di fondazione è un'espressione della cosmologia: la creazione di nuove realtà porta alla ripetizione del mito cosmogonico in cui è narrata la creazione del mondo. Ma la cosmologia si proietta anche nel tempo, nel quale le esigenze cosmologiche delimitano un tempo sacro: nascono così i calendari festivi.

Bibliografia

Per l'astronomia

H. Bondi, Cosmology, Cambridge, 1961; G. C. M. McVittie, General Relativity and Cosmology, Londra, 1965; D. W. Sciama, L'unità dell'universo, Torino, 1965; A. Unsöld, Der Neue Kosmos, Berlino-Heidelberg, 1967; L. Gratton, Relatività Cosmologia e Astrofisica, Torino, 1968; F. Hogle, Galassie, nuclei e quasar, Torino, 1970; H. Alfvén, Due mondi speculari, Milano, 1971; P. J. B. Peebles, Physical Cosmology, Princeton (New Jersey), 1971; D. W. Sciama, Modern Cosmology, Cambridge, 1971; N. Della Porta, Sguardo sull'attuale cosmologia, Roma, 1986.

Per la filosofia

S. H. Nast, An Introduction to Islamic Cosmological Doctrines, Cambridge, 1964; M. Merleau Ponty, Cosmologie du XX siècle, Parigi, 1965; F. Selvaggi, Filosofia del mondo. Cosmologia filosofica, Roma, 1985.