L'amore non può convivere con il timore
Seneca Lettere a Lucilio
In questo articolo si cercherà di dare una spiegazione scientifica sulla nascita dell'Universo, anche se a livello scientifico, ci poniamo ancora molte domande. Per affrontare l'argomento è necessario partire dal concetto di vuoto quantistico, argomento che è già stato affrontato in un precedente articolo.
La visione moderna del vuoto ci è fornita dalla meccanica quantistica. Essa ci presenta un’immagine del tutto nuova di vuoto come uno spazio pervaso da continue fluttuazioni energetiche. Lo spazio vuoto non è affatto vuoto: appare tale solo perché la creazione e la distruzione incessante di particelle si verifica su intervalli temporali brevissimi, tali da non lasciare allo sperimentatore il tempo per la loro rilevazione. Il vuoto appare calmo su scala macroscopica come appare piatto e uniforme il mare visto da un aereo che vola ad alta quota mentre, se visto da una barca, si mostra ben diverso, con onde e flutti. La meccanica quantistica ci dice che non è possibile creare una regione di spazio totalmente svuotata di materia ed energia. Una delle sue leggi fondamentali, il principio di indeterminazione di Heisenberg, afferma che è impossibile conoscere contemporaneamente posizione e velocità di una particella. Di conseguenza, se possediamo informazione precisa dell’assenza di ogni particella in ogni punto di un determinato spazio, allora non possiamo possedere alcuna informazione sullo stato di moto e, di conseguenza, sull’energia all’interno di quello spazio. Affermare che esiste un vuoto che non contiene assolutamente nulla viola il principio di indeterminazione: esiste sempre una quantità minima di energia al di sotto della quale non si può scendere. Questo implica che qualunque regione finita di spazio vuoto è piena di energia. La fisica moderna individua nel vuoto lo stato in cui questa energia è la minore possibile. Nel gergo scientifico, questa energia è chiamata “energia di punto zero".
Esistono diverse dimostrazioni scientifiche riguardanti l'esistenza del vuoto quantistico qui citerò solo l'effetto Casimir. Hendrik Casimir concepì, nel 1948, un esperimento concettualmente semplice per dimostrare che l’energia di punto zero è reale e non un artificio matematico. Il vuoto, tra le varie entità di cui è popolato, è anche un mare quantistico di onde elettromagnetiche di punto zero con tutte le lunghezze d’onda possibili. Se inseriamo nel vuoto due lamine di metallo parallele leggermente distanziate tra loro, esse perturberanno le onde elettromagnetiche alterando l’energia di punto zero del vuoto. Infatti, i metalli sono ottimi conduttori di elettricità e si può dimostrare come l’effetto delle piastre sia quello di consentire al loro interno l’esistenza delle sole onde con un numero intero esatto di lunghezze d’onda.All’interno delle piastre mancheranno quindi delle onde rispetto a quelle esistenti nello spazio circostante. Questa differenza darà origine a una diversa pressione esercitata sulle piastre interne ed esterne dall’energia di punto zero. Questo effetto si tradurrà in una forza complessiva che spinge le piastre verso l’interno. Dopo anni di tentativi, questa (piccolissima) forza è stata effettivamente misurata nel 1996.
La teoria che, oggi, ha il maggior riscontro sperimentale è quella che va sotto il nome di inflazione cosmica. La teoria parte dall'idea che l'Universo sia passato per lo stato di vuoto di un campo quantistico denominato inflatone. Tale campo era l'unico che esisteva (gli altri campi e le relative particelle sarebbero comparsi in seguito) ed era distribuito in tutto lo spazio, che poteva avere un'estensione infinita. Come il campo di Higgs, l'inflatone presentava un profilo energetico tale per cui poteva trovarsi in un falso vuoto, senza trovarsi in uno stato di minima energia.
Configurazione del campo dell'inflatone.
Dalla figura si nota che lo stato di falso vuoto dell'inflatone presenta un profilo energetico tendenzialmente piatto, prima di cadere nello stato di vuoto reale. Secondo la teoria l'inflatone durante la sua caduta verso lo stato di vuoto reale, presenterebbe gravità repulsiva il che darebbe luogo a una grande espansione dello spazio in cui si trovi. Quando decade nel vero vuoto il campo deve disperdere l'energia che aveva quando si trovava nel falso vuoto e la liberazione di energia avviene con la creazione di campi e particelle associate. Di conseguenza, i campi dell'Universo che emersero al principio e che generarono i campi e le particelle associate così come li conosciamo si originarono durante la transizione dal falso vuoto al vuoto reale del campo dell'inflatone. Dopo aver raggiunto lo stato di vuoto reale il ritmo dell'espansione si ridusse a quello necessario alla cosmologia standard poichè il vuoto non presentava più la proprietà della gravità repulsiva.
Il big bang con l'influenza dell'inflatone. Nessuna delle attuali teorie fisiche può descrivere correttamente cosa sia accaduto nell'era di Planck, che prende il nome dal fisico tedesco Max Planck e diverse teorie forniscono diverse previsioni. In questa era le quattro forze fondamentali – elettromagnetica, nucleare debole, nucleare forte e gravità – hanno la stessa intensità, e sono forse unificate in una sola forza fondamentale.
La teoria di Einstein della relatività generale prevede che l'universo abbia avuto inizio con una singolarità gravitazionale, caratterizzata da valori infiniti di temperatura e densità, un punto adimensionale. In tutte le applicazioni della matematica a problemi fisici il verificarsi di una singolarità matematica identifica regioni del dominio in cui la teoria fisica perde di validità; in questo caso i fenomeni gravitazionali sono alterati dagli effetti quantistici. I fisici sperano che le teorie della gravità quantistica, come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop portino a una migliore comprensione di questa fase.
Il modello inflazionario prevede, quindi, che prima che l'Universo avesse origine, lo spazio infinito fosse pieno di un campo, l'inflatone, che si trovava in uno stato di falso vuoto che, grazie a fluttuazioni quantistiche proprie, cadde in uno stato di minore energia.
L'inflatone responsabile dell'espansione dopo 10^-35 secondi dall'inizio del bing bang (repoca di Planck) .
Tuttavia la transizione dell'inflatone dal falso al vero vuoto non si sarebbe prodotta nello stesso istantee in tutto l'Universo. La teoria inflazionistica prevede che basterebbe che in una regione dello spazio tanto piccola quanto 10^-28 cm si producesse una fluttuazione, per fare uscire l'inflatone dal falso vuoto e 10^-38 secondi per farlo arrivare allo stato di vuoto reale. In questo lasso di tempo la regione nella quale il campo subisce questo processo aumenta la sua dimensione fino ad arrivare a 1 cm. E' qui che i campi vengono creati in un piccolo flash dall'energia in eccesso dovuta alla transizione dal falso al vero vuoto. A partire da questo momento l'evoluzione di tale regione viene descritta dalla teoria standard della cosmologia. I modelli inflazionari suggeriscono che il nostro universo è immerso in uno spazio maggiore rispetto a quello dell'inflazione allo stato di falso vuoto. Il nostro Universo sarebbe una bolla nel mezzo di questo spazio nel quale si è prodotta la transizione. Questa osservazione ha portato alcuni scienziati a ipotizzare una situazione di multiuniverso.
RICAPITOLANDO. Nel 1979, l'astrofisico statunitense Robert Dicke tenne una conferenza alla Stanford University. Il tema era la teoria del Big Bang. Tra il pubblico c'era Alan Guth, uno studente post–dottorato trentaquattrenne, che rimase affascinato dalle parole di Dicke. Tre anni dopo, nel 1981, Guth tenne una serie di conferenze in cui presentò ciò che aveva sviluppato in quei tre anni: la teoria dell'inflazione. Oggi, questa teoria è una parte fondamentale di quella del Big Bang, e quasi nessuno scienziato osa contraddirla.
Nella sua serie di conferenze, Guth visitò anche l'Università di Harvard, dove Paul J. Steinhardt si era da poco laureato. Steinhardt rimase affascinato dall'argomento, tanto che – come egli stesso afferma – ci pensò ogni singolo giorno, fino a oggi. Ma ora, ha cambiato idea – e non solo lui.
La teoria del Big Bang prevede che l'Universo sia nato 13,7 miliardi di anni fa dall'esplosione di una particella densissima e caldissima. Questa sfera minuscola esplose e si espanse a velocità vertiginose e inimmaginabili.
Eppure, prima che il termine "inflazione" venisse introdotto nei vocabolari cosmologici, c'era un anello mancante nella teoria del Big Bang. Tra l'anello precedente e l'anello successivo c'era una differenza enorme, e per colmare questo buco Guth sviluppò, appunto, la teoria dell'inflazione, proponendo in sostanza che per un brevissimo periodo di tempo l'espansione dell'Universo raggiunse una velocità ancor più vertiginosa, così da combaciare esattamente con l'anello successivo.
Ancor prima di Guth, una simile idea era stata proposta. Ma queste teorie precedenti "obbligavano" l'Universo ad avere delle determinate condizioni di partenza. Per esempio, doveva essere estremamente uniforme, con al massimo alcune impercettibili variazioni nella distribuzione della materia e dell'energia. Inoltre, il tessuto dell'Universo doveva essere geometricamente piatto, ossia non doveva avere curve o deformazioni in grado di deviare i raggi di luce e oggetti in movimento.
Ed è qui che Guth scende in campo con la sua teoria dell'inflazione. Anche se l'Universo nei primi anelli della catena fosse stato totalmente disordinato, un'espansione esponenziale come quella proposta dalla sua teoria era in grado di riorganizzare la materia e l'energia e ridistribuirle abbastanza egualmente nell'Universo.
E' facile capire che una simile idea fece nascere alcune perplessità. Ma, in questi 30 anni, le prove a favore della teoria dell'inflazione sono cresciute enormemente.
L'inflazione è talmente famosa che non c'è molto da dire.
«L'inflazione si affida a un ingrediente speciale noto come "energia inflazionaria" che, mischiato alla gravità, può causare un'espansione dell'Universo incredibile in un breve periodo di tempo» commenta Steinhardt in un suo articolo. «L'energia inflazionaria deve essere incredibilmente densa, e la sua densità deve rimanere praticamente costante durante il periodo di inflazione. La sua proprietà più inusuale è che la gravità deve separare invece di attrarre».
Ciò che convinse gli scienziati a credere in Guth fu il fatto che, paradossalmente, erano già state scoperte alcune possibili sorgenti di quest'energia. Tra queste, quella più accreditata è un ipotetico parente del campo magnetico noto come campo scalare che, in questo particolare contesto, è noto come inflatone. «La famosa particella di Higgs deriva da un altro di questi campi scalari» continua Steinhardt.
Campi come questo possiedono una loro forza che distribuiscono "a piacere" nello spazio. A seconda della distribuzione, un campo può essere più o meno forte, e ciò naturalmente influenza anche gli altri campi di quella particolare regione. La forza a sua volta determina la quantità di energia contenuta nel campo. Questa quantità viene definita "energia potenziale".
«La relazione tra la forza e l'energia può essere rappresentata da una curva in un grafico» continua Steinhardt. «Per l'inflazione, i cosmologi ipotizzano che questa curva sia simile alla sezione trasversale di una valle che termina con un altopiano in lieve pendenza (vedi immagine sopra)».
L'energia potenziale dell'inflatone può portare a un'improvvisa e rapidissima accelerazione dell'Universo – ossia quella ipotizzata da Guth – sempre che il campo rimanga abbastanza sull'altopiano da tirare lo spazio in ogni direzione.
A questo punto, l'Universo (che in questo caso possiamo immaginarci come una pallina) scende giù dall'altopiano lungo la valle, e l'energia potenziale si trasforma in energia oscura.
«L'Universo entra in un periodo di espansione modesta, nel quale la materia si aggrega formando enormi strutture cosmiche» spiega Steinhardt.
L'inflazione è dunque terminata. Allungando e tirando una gomma, rendiamo meno visibili le piccole "rughe", ma esse ci sono comunque. In modo simile, l'inflazione lascia qualche imperfezione nell'Universo, dato che non agisce con la stessa forza ovunque, un obbligo dettato dalla fisica quantistica e dalle sue fluttuazioni. Terminando lievemente prima (oppure dopo) in diverse regioni, le riscalda anche in modo diverso. Da queste differenze, secondo gli scienziati, nascono stelle e galassie.
Concludendo, possiamo riassumere il discorso in tre punti. Primo: l'inflazione è inevitabile. Lo dimostrano studi e osservazioni, tanto che campi simili a quello proposto da Guth compaiono in centinaia di altre teorie – come quella delle stringhe.
Secondo, l'inflazione spiega come mai l'Universo è così piatto e uniforme oggigiorno. «Nessuno sa quanto uniforme o piatto l'Universo fosse poco dopo la sua nascita, ma con l'inflazione non c'é bisogno di saperlo dato che un periodo di espansione accelerata ha plasmato l'Universo formando ciò che vediamo oggi» prosegue Steinhardt.
Terzo, la teoria di Guth ha azzeccato le previsioni di molte osservazioni, tra cui quella della radiazione cosmica di fondo e della distribuzione delle galassie.
Giova sottolineare che in realtà nessuno sa se ci sia stato davvero un big bang; si è giunti a questa idea per estrapolazione, comprimendo nel passato ciò che oggi si sta espandendo. Tuttavia al momento zero dell'Universo la densità e la temperatura erano così elevate (teoricamente infinite e i fisici aborrono il termine infinito), che nessuno sa, con sicurezza, quale fisica si possa applicare per quell'istante. Il tempo più remoto dal quale si possono prevedere le proprietà fisiche con un certo grado di precisione, anche se minimo, è l'era di Planck, cioè 10^-42 secondi circa dopo il tempo zero. Per avere un'idea della complessità di sviluppare una teoria fisica in questa era basti sapere che l'orizzonte aveva le dimensioni di una particella elementare. A 10^-35 secondi ebbe inizio l'era dell'inflazione della quale, peraltro esistono diverse teorie, tutte però hanno qualcosa in comune: spiegano perchè l'universo è piatto e omogeneo. Quello che è l'Universo, oggi, è l'eredità di ciò che avvenne nell'era dell'inflazione, quando l'indice barotropico era negativo e l'Universo si espandeva accelerando in modo esponenziale.
BIBLIOGRAFIA
Cox B., Forshaw, J,.
L'universo quantistico svelato, Hoepli, 2013
Ferreira P,.
La teoria perfetta, Rizzoli, 2014
Thorne, K.S.,
Buchi neri e salti temporali, Castelvecchi, 2000
Eugenio Caruso - 13-01-2016
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