Le grandi incognite della scienza: 20 domande irrisolte

Di cosa è fatto l’universo?

LONDRA – Gli astronomi devono affrontare un enigma imbarazzante: non sanno di cosa è fatto il 95% dell’universo. Gli atomi, che formano tutto ciò che vediamo intorno a noi, rappresentano solo un misero 5%. Negli ultimi 80 anni è diventato chiaro che il sostanziale resto è composto da due entità oscure: la materia oscura e l’energia oscura. La prima, scoperta per la prima volta nel 1933, agisce come un collante invisibile, legando insieme le galassie e gli ammassi di galassie. Svelata nel 1998, la seconda spinge l’espansione dell’universo a velocità sempre maggiori. Gli astronomi si stanno avvicinando alla vera identità di questi intrusi invisibili.

Come è nata la vita?

Quattro miliardi di anni fa, qualcosa ha cominciato a muoversi nel brodo primordiale. Alcune semplici sostanze chimiche si unirono e crearono la biologia – apparvero le prime molecole capaci di replicarsi. Noi esseri umani siamo legati dall’evoluzione a quelle prime molecole biologiche. Ma come hanno fatto le sostanze chimiche di base presenti sulla Terra ad organizzarsi spontaneamente in qualcosa che assomiglia alla vita? Come abbiamo ottenuto il DNA? Che aspetto avevano le prime cellule? Più di mezzo secolo dopo che il chimico Stanley Miller ha proposto la sua teoria del “brodo primordiale”, non siamo ancora d’accordo su cosa sia successo. Alcuni dicono che la vita è iniziata in pozze calde vicino ai vulcani, altri che è stata avviata da meteoriti che hanno colpito il mare.

Siamo soli nell’universo?

Perché no. Gli astronomi hanno setacciato l’universo alla ricerca di luoghi in cui mondi d’acqua potrebbero aver dato origine alla vita, da Europa e Marte nel nostro sistema solare a pianeti lontani molti anni luce. I radiotelescopi hanno origliato nei cieli e nel 1977 è stato udito un segnale che portava le caratteristiche potenziali di un messaggio alieno. Gli astronomi sono ora in grado di analizzare le atmosfere di mondi alieni alla ricerca di ossigeno e acqua. I prossimi decenni saranno un periodo eccitante per essere un cacciatore di alieni con fino a 60 miliardi di pianeti potenzialmente abitabili solo nella nostra Via Lattea.

Cosa ci rende umani?

Solo guardando il tuo DNA non te lo dirà – il genoma umano è identico al 99% a quello di uno scimpanzé e, per quel che conta, al 50% a quello di una banana. Tuttavia, abbiamo un cervello più grande della maggior parte degli animali – non il più grande, ma imballato con tre volte più neuroni di un gorilla (86 miliardi per essere esatti). Molte delle cose che una volta pensavamo ci distinguessero – il linguaggio, l’uso degli strumenti, il riconoscersi allo specchio – si vedono in altri animali. Forse è la nostra cultura – e il suo conseguente effetto sui nostri geni (e viceversa) – che fa la differenza. Gli scienziati pensano che la cucina e la nostra padronanza del fuoco possano averci aiutato a ottenere grandi cervelli. Ma è possibile che la nostra capacità di cooperazione e scambio di competenze sia ciò che rende questo un pianeta di umani e non di scimmie.

Che cos’è la coscienza?

Non ne siamo ancora sicuri. Sappiamo che ha a che fare con diverse regioni del cervello collegate in rete tra loro piuttosto che con una singola parte del cervello. Il pensiero è che se capiamo quali parti del cervello sono coinvolte e come funziona il circuito neurale, capiremo come emerge la coscienza, qualcosa che l’intelligenza artificiale e i tentativi di costruire un cervello neurone per neurone possono aiutare. La domanda più difficile, più filosofica, è perché qualcosa dovrebbe essere cosciente in primo luogo.

Un buon suggerimento è che integrando ed elaborando molte informazioni, così come concentrandosi e bloccando piuttosto che reagire agli input sensoriali che ci bombardano, possiamo distinguere tra ciò che è reale e ciò che non lo è e immaginare molteplici scenari futuri che ci aiutano ad adattarci e sopravvivere.

Perché sogniamo?

Per un terzo della nostra vita dormiamo. Considerando quanto tempo passiamo a farlo, si potrebbe pensare di sapere tutto al riguardo. Ma gli scienziati sono ancora alla ricerca di una spiegazione completa del perché dormiamo e sogniamo. I sostenitori del punto di vista di Sigmund Freud credevano che i sogni fossero espressioni di desideri inappagati – spesso sessuali – mentre altri si chiedono se i sogni non siano altro che gli spari casuali di un cervello addormentato.

Gli studi sugli animali e i progressi nell’imaging del cervello ci hanno portato a una comprensione più complessa che suggerisce che il sogno potrebbe avere un ruolo nella memoria, nell’apprendimento e nelle emozioni. I ratti, per esempio, hanno dimostrato di riprodurre le loro esperienze di veglia nei sogni, apparentemente aiutandoli a risolvere compiti complessi come la navigazione nei labirinti.

Perché c’è roba?

Non dovresti proprio essere qui. La “roba” di cui sei fatto è la materia, che ha una controparte chiamata antimateria che differisce solo per la carica elettrica. Quando si incontrano, entrambi scompaiono in un lampo di energia.

Le nostre migliori teorie suggeriscono che il big bang ha creato quantità uguali dei due, il che significa che tutta la materia dovrebbe aver incontrato la sua controparte di antimateria, distruggendoli entrambi e lasciando l’universo inondato solo di energia. Chiaramente la natura ha un sottile pregiudizio per la materia, altrimenti non esisterebbe. I ricercatori stanno setacciando i dati del Large Hadron Collider per cercare di capirne il motivo, con la supersimmetria e i neutrini i due principali contendenti.

Esistono altri universi?

Il nostro universo è un posto molto improbabile. Alterate anche solo leggermente alcune delle sue impostazioni e la vita come la conosciamo noi diventa impossibile. Nel tentativo di risolvere questo problema di “fine tuning”, i fisici si rivolgono sempre più alla nozione di altri universi. Se ne esiste un numero infinito in un “multiverso”, allora ogni combinazione di impostazioni verrebbe riprodotta da qualche parte e, naturalmente, ci si ritrova nell’universo in cui si è in grado di esistere. Può sembrare assurdo, ma le prove della cosmologia e della fisica quantistica puntano in quella direzione.

Dove mettiamo tutto il carbonio?

Negli ultimi duecento anni, abbiamo riempito l’atmosfera di anidride carbonica – liberandola bruciando combustibili fossili che una volta rinchiudevano il carbonio sotto la superficie terrestre. Ora dobbiamo rimettere tutto quel carbonio, o rischiare le conseguenze del riscaldamento del clima. Ma come facciamo? Un’idea è quella di seppellirlo in vecchi giacimenti di petrolio e gas. Un’altra è quella di nasconderlo in fondo al mare. Ma non sappiamo quanto tempo rimarrà lì, o quali potrebbero essere i rischi. Nel frattempo, dobbiamo proteggere i depositi naturali e duraturi di carbonio, come le foreste e le torbiere, e iniziare a produrre energia in un modo che non ne eroghi ancora di più.

Come possiamo ottenere più energia dal sole?

La diminuzione delle scorte di combustibili fossili significa che abbiamo bisogno di un nuovo modo per alimentare il nostro pianeta. La nostra stella più vicina offre più di una possibile soluzione. Stiamo già sfruttando l’energia del sole per produrre energia solare. Un’altra idea è quella di usare l’energia della luce solare per dividere l’acqua nelle sue parti componenti: ossigeno e idrogeno, che potrebbe fornire un carburante pulito per le auto del futuro. Gli scienziati stanno anche lavorando ad una soluzione energetica che dipende dal ricreare i processi che avvengono all’interno delle stelle stesse – stanno costruendo una macchina a fusione nucleare. La speranza è che queste soluzioni possano soddisfare i nostri bisogni energetici.

Cosa c’è di così strano nei numeri primi?

Il fatto che tu possa fare acquisti sicuri su Internet è grazie ai numeri primi – quelle cifre che possono essere divise solo per se stesse e per uno. La crittografia a chiave pubblica – il cuore pulsante del commercio su Internet – utilizza i numeri primi per creare chiavi in grado di bloccare le tue informazioni sensibili da occhi indiscreti. Eppure, nonostante la loro importanza fondamentale per la nostra vita quotidiana, i numeri primi rimangono un enigma. Un modello apparente al loro interno – l’ipotesi di Riemann – ha stuzzicato alcune delle menti più brillanti della matematica per secoli. Tuttavia, finora, nessuno è stato in grado di domare la loro stranezza. Farlo potrebbe semplicemente rompere internet.

Come possiamo battere i batteri?

Gli antibiotici sono uno dei miracoli della medicina moderna. La scoperta di Sir Alexander Fleming, vincitrice del premio Nobel, ha portato a medicine che hanno combattuto alcune delle malattie più mortali e reso possibile la chirurgia, i trapianti e la chemioterapia. Eppure questa eredità è in pericolo – in Europa circa 25.000 persone muoiono ogni anno di batteri multi-resistenti ai farmaci. La nostra pipeline di farmaci è in stallo da decenni e abbiamo peggiorato il problema con l’overprescription e l’uso improprio di antibiotici – si stima che l’80% degli antibiotici statunitensi vada a stimolare la crescita degli animali da allevamento. Fortunatamente, l’avvento del sequenziamento del DNA ci sta aiutando a scoprire antibiotici che non sapevamo che i batteri potessero produrre. Insieme a metodi innovativi, anche se grossolani, come il trapianto di batteri “buoni” dalla materia fecale, e la ricerca di nuovi batteri nelle profondità degli oceani, possiamo ancora tenere il passo in questa corsa agli armamenti con organismi di 3 miliardi di anni più anziani.

I nostri tablet e smartphone sono mini-computer che contengono più potenza di calcolo che gli astronauti hanno portato sulla luna nel 1969. Ma se vogliamo continuare ad aumentare la quantità di potenza di calcolo che ci portiamo in tasca, come faremo? Ci sono solo così tanti componenti che si possono stipare su un chip di computer. È stato raggiunto il limite, o c’è un altro modo per fare un computer? Gli scienziati stanno considerando nuovi materiali, come il carbonio atomicamente sottile – il grafene – così come nuovi sistemi, come il quantum computing.

Cureremo mai il cancro?

La risposta breve è no. Non una singola malattia, ma un gruppo sciolto di molte centinaia di malattie, il cancro esiste dai tempi dei dinosauri e, essendo causato da geni impazziti, il rischio è cablato in tutti noi. Più a lungo viviamo, più è probabile che qualcosa vada storto, in qualsiasi modo. Perché il cancro è un essere vivente – in continua evoluzione per sopravvivere.

Anche se è incredibilmente complicato, attraverso la genetica stiamo imparando sempre di più su cosa lo causa, come si diffonde e migliorando il trattamento e la prevenzione. E sappiate questo: fino alla metà di tutti i tumori – 3,7 milioni all’anno – sono prevenibili; smettete di fumare, bevete e mangiate moderatamente, rimanete attivi ed evitate l’esposizione prolungata al sole di mezzogiorno.

Quando potrò avere un maggiordomo robot?

I robot possono già servire bevande e portare valigie. La moderna robotica può offrirci uno “staff” di robot individualmente specializzati: preparano i vostri ordini Amazon per la consegna, mungono le vostre mucche, smistano le vostre e-mail e vi traghettano tra i terminal degli aeroporti. Ma un robot veramente “intelligente” ci richiede di decifrare l’intelligenza artificiale. La vera domanda è se lascereste un maggiordomo robotico da solo in casa con vostra nonna. E con il Giappone che punta ad avere assistenti robotici che si prendono cura dei suoi anziani entro il 2025, ci stiamo pensando bene ora.

Cosa c’è in fondo all’oceano?

Il novantacinque per cento dell’oceano è inesplorato. Cosa c’è là sotto? Nel 1960, Don Walsh e Jacques Piccard scesero per sette miglia, nella parte più profonda dell’oceano, in cerca di risposte. Il loro viaggio ha spinto i confini dell’impresa umana, ma ha dato loro solo un assaggio della vita sul fondo del mare. È così difficile raggiungere il fondo dell’oceano che per lo più dobbiamo ricorrere all’invio di veicoli senza equipaggio come esploratori.

Le scoperte che abbiamo fatto finora – da pesci bizzarri come il barreleye, con la sua testa trasparente, a un potenziale trattamento per l’Alzheimer fatto dai crostacei – sono una piccola frazione dello strano mondo nascosto sotto le onde.

Cosa c’è sul fondo di un buco nero?

È una domanda a cui non abbiamo ancora gli strumenti per rispondere. La relatività generale di Einstein dice che quando un buco nero viene creato da una stella massiccia morente che collassa, continua a sprofondare fino a formare un punto infinitamente piccolo e infinitamente denso chiamato singolarità.

Ma su queste scale anche la fisica quantistica ha probabilmente qualcosa da dire. Tranne che la relatività generale e la fisica quantistica non sono mai state le più felici compagne di letto – per decenni hanno resistito a tutti i tentativi di unificarle. Tuttavia, un’idea recente – chiamata M-Theory – potrebbe un giorno spiegare il centro invisibile di una delle creazioni più estreme dell’universo.

Possiamo vivere per sempre?

Viviamo in un’epoca sorprendente: stiamo iniziando a pensare all'”invecchiamento” non come un fatto della vita, ma come una malattia che può essere trattata e possibilmente prevenuta, o almeno rimandata per molto tempo. La nostra conoscenza di ciò che ci fa invecchiare – e di ciò che permette ad alcuni animali di vivere più a lungo di altri – si sta espandendo rapidamente.

E anche se non abbiamo ancora capito tutti i dettagli, gli indizi che stiamo raccogliendo sui danni al DNA, l’equilibrio dell’invecchiamento, il metabolismo e la capacità riproduttiva, più i geni che regolano tutto ciò, stanno riempiendo un quadro più grande, che potenzialmente può portare a trattamenti farmacologici.

Ma la vera domanda non è come vivremo più a lungo, ma come vivremo bene più a lungo. E poiché molte malattie, come il diabete e il cancro, sono malattie dell’invecchiamento, trattare l’invecchiamento stesso potrebbe essere la chiave.

Come risolviamo il problema della popolazione?

Il numero di persone sul nostro pianeta è raddoppiato a più di 7 miliardi dagli anni ’60 e si prevede che nel 2050 saremo almeno 9 miliardi. Dove vivremo tutti e come faremo a produrre abbastanza cibo e carburante per la nostra popolazione in continua crescita? Forse possiamo spedire tutti su Marte o iniziare a costruire condomini sottoterra. Potremmo anche iniziare a nutrirci con carne coltivata in laboratorio. Queste possono sembrare soluzioni fantascientifiche, ma potremmo iniziare a prenderle più seriamente.

I viaggi nel tempo sono possibili?

I viaggiatori nel tempo camminano già tra noi. Grazie alla teoria della relatività speciale di Einstein, gli astronauti in orbita sulla Stazione Spaziale Internazionale sperimentano il tempo che scorre più lentamente. A quella velocità l’effetto è minuscolo, ma aumentando la velocità l’effetto significa che un giorno gli uomini potrebbero viaggiare migliaia di anni nel futuro. La natura sembra essere meno entusiasta delle persone che vanno nella direzione opposta e tornano al passato, tuttavia alcuni fisici hanno elaborato un elaborato progetto per un modo per farlo usando wormhole e astronavi. Potrebbe persino essere usato per farsi un regalo il giorno di Natale, o per rispondere ad alcune delle molte domande che circondano le grandi incognite dell’universo.

“Le grandi domande della scienza: The Quest to Solve the Great Unknowns,” è pubblicato da Andre Deutsch.