L’universo è nato da un grande rimbalzo?

Crediti: shutterstock

Crediti: shutterstock

Un nuovo studio teorico riporta in auge la teoria secondo cui l’universo non avrebbe avuto origine da una gigantesca esplosione, come postula la teoria del big bang, ma da un grande rimbalzo, prima del quale è esistito uno spazio-tempo che si contraeva invece di espandersi, come accade oggi. Ma la teoria è controversa e i suoi detrattori, che sostengono la teoria dell’inflazione secondo cui l’universo si sarebbe espanso esponenzialmente poche frazioni di secondo dopo il big bang, affilano le armi.

L’universo ha avuto inizio con un’esplosione o con un “grande rimbalzo” (big bounce)? O con qualcosa di completamente diverso? La questione delle nostre origini è una delle più spinose della fisica, con poche risposte e un sacco di speculazioni e sensazioni forti. La teoria di gran lunga più popolare è l’inflazione, cioè l’idea che il cosmo si sia espanso esponenzialmente nelle prime frazioni di secondo dopo l’esplosione che l’ha fatto nascere.

Un’idea alternativa postula invece che la nascita dell’universo non sia stata l’inizio, perché in precedenza è esistita una versione dello spazio-tempo che poi si è contratta in un “big crunch”; successivamente, il processo si è invertito e l’universo ha iniziato a espandersi così come vediamo oggi. Ora, un nuovo studio che propone una svolta in questo scenario del “rimbalzo” ha entisiasmato i suoi seguaci e rinvigorito gli attacchi dei sostenitori dell’inflazione, secondo cui la teoria “rivale” continua a riemergere anche se è stata ripetutamente smentita.

L’inflazione ha molti estimatori, perché la rapida espansione che postula sembra spiegare molte caratteristiche dell’universo, come il fatto di apparire relativamente piatto (anziché curvo, su larga scala) e approssimativamente uniforme in tutte le direzioni (vi è circa la stessa quantità di materia dappertutto, sempre su larga scala). Entrambe le condizioni si verificano se le regioni dello spazio ora molto distanti tra loro erano inizialmente molto ravvicinate e in contatto.

Eppure le ultime versioni della teoria sembrano suggerire, o addirittura richiedere, che l’inflazione abbia creato non solo il nostro universo, ma un paesaggio infinito di universi in cui da qualche parte si è formato ogni possibile tipo di universo con ogni possibile insieme di leggi e caratteristiche fisiche.

Schema semplificato dell'evoluzione del cosmo: secondo la teoria inflazionaria, pochi istanti dopo il Big Bang avvenne un'espansione esponenziale dell'universo (Wikimedia Commons)

Schema semplificato dell’evoluzione del cosmo: secondo la teoria inflazionaria, pochi istanti dopo il Big Bang avvenne un’espansione esponenziale dell’universo (Wikimedia Commons)

Alcuni scienziati amano questa implicazione perché potrebbe spiegare perché esiste il nostro particolare universo, con le sue condizioni apparentemente casuali ma perfettamente calibrate per la vita: se là fuori c’è ogni tipo di universo, non c’è da meravigliarsi che il nostro sia così com’è. Ma altri fisici trovano l’idea del multiverso ripugnante, in parte perché la teoria predice che ogni possibilità si verificherà, ma non predice in modo univoco un universo come quello che abbiamo.

Le teorie del “grande rimbalzo” prevedono anche un cosmo piatto e uniforme, grazie a effetti di appaittimento dello spazio che possono avvenire durante la contrazione. Ma il punto critico del concetto di rimbalzo è il passaggio dalla contrazione all’espansione, che sembra richiedere l’idea tanto odiata di una “singolarità”, un momento in cui l’universo aveva un unico punto di densità infinita, considerato da molti come una proposta matematicamente senza senso, indice di una teoria fuori controllo. Ora i fisici sostengono di aver trovato un modo per contemplare il rimbalzo senza incontrare alcuna singolarità.

“Abbiamo scoperto di poter descrivere esattamente l’evoluzione quantistica dell’universo”, dice Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics, in Ontario, e coautore dello studio . “Abbiamo scoperto che l’universo passa senza problemi attraverso la singolarità ed esce dall’altra parte. Era ciò che speravamo, ma non ci eravamo mai veramente riusciti prima d’ora”. Turok e Steffen Gielen, dell’Imperial College di Londra, hanno pubblicato i loro calcoli sulle “Physical Review Letters” del mese scorso.

Un cosmo quantistico
La svolta è arrivata grazie a due tecniche adottate dai ricercatori. La prima consiste nel descrivere l’universo usando la nuova e ancora incompleta teoria della cosmologia quantistica, una fusione tra meccanica quantistica e relatività generale, al posto della relatività generale classica. La seconda consiste nel postulare che durante, l’infanzia del cosmo, la materia si comportasse come la luce: le leggi della fisica che la descrivono, in sostanza, non dipendevano dalla scala. Per esempio, la luce si comporta sempre allo stesso modo, indipendentemente dalla sua lunghezza d’onda. La fisica della materia, d’altra parte, di solito varia passando dalle piccole alle grandi scale.

“Sappiamo che nei primi 50.000 anni l’universo essenzialmente era pieno solo di radiazione”, dice Anna Ijjas, fisica della Princeton University, non coinvolta nella ricerca. “La materia normale che vediamo ora non era davvero molto significativa. Ritengo che le nostre attuali misurazioni suggeriscano proprio un universo primordiale senza scala”.

Turok e Gielen hanno scoperto che in queste condizioni l’universo non diventerebbe mai davvero una singolarità: in sostanza, passerebbe attraverso il punto critico saltando da uno stato “appena prima” a uno stato “subito dopo”.

Anche se evitare questo punto sembra barare, si tratta di un fenomeno provato in meccanica quantistica. Poiché le particelle non esistono come stati assoluti ma solo come aloni di probabilità, c’è una possibilità piccola ma reale di passare attraverso barriere fisiche per raggiungere luoghi apparentemente proibiti per loro: è l’equivalente, su scala microscopica, di camminare attraverso i muri.

“La confusione nello spazio e nel tempo e la materia si combinano per rendere più incerto il luogo in cui l’universo si trova in un determinato momento”, spiega Turok. “Questo permette all’universo di passare attraverso la singolarità.”

Altri grandi sostenitori della teoria del rimbalzo dicono che il lavoro è un progresso significativo. “Formulando queste due ipotesi plausibili, trovano un risultato molto interessante, e cioè che un rimbalzo può verificarsi”, dice Paul Steinhardt, fisico di Princeton non coinvolto nello studio di Turok e Gielen.

Steinhardt è stato tra i fondatori della teoria dell’inflazione ma recentemente è diventato uno dei suoi critici più accesi. “Ciò dimostra che, in linea di principio, una singolarità può essere evitata”.

Steinhardt e Ijjas hanno lavorato su un altro metodo per dimostrare matematicamente la possibilità di un rimbalzo: nel loro lavoro pubblicato il 28 giugno su arXiv.org, hanno introdotto nell’universo un tipo speciale di campo che provoca la trasformazione della contrazione in espansione ben prima che lo spazio diventi abbastanza piccolo da diventare una singolarità. La loro soluzione utilizza la relatività generale classica invece della cosmologia quantistica. “Ciò significa che sono possibili anche rimbalzi classici senza singolarità”, dice Steinhardt.

rimbalzo Entrambi gli studi sono ancora preliminari. Turok e Gielen sono stati in grado di calcolare il rimbalzo solo nel caso di un universo idealizzato che è completamente liscio e privo delle fluttuazioni di densità di piccole dimensioni che portano alla formazione di stelle e galassie nel cosmo reale. “I casi che si possono effettivamente risolvere in modo esatto sono universi molto semplici”, spiega Gielen. “La domanda è sempre: ‘Sara’ ancora tutto valido, se si va verso qualcosa di più complicato? ‘Questo è ciò su cui stiamo lavorando in questo momento”.

Se l’universo rimbalzò una volta, una domanda naturale è: lo farà di nuovo? Non tutte le teorie di rimbalzo suggeriscono che siamo destinati a un ciclo infinito di contrazioni ed espansioni; per esempio, anche se il nostro universo è già rimbalzato in passato, non abbiamo alcuna indicazione finora che stia andando verso un’altra contrazione. L’energia oscura, ipotizzata per rendere conto della più grande parte del budget totale della massa-energia del cosmo sembra che stia stirando il nostro universo a un ritmo sempre più accelerato. Ciò che è veramente ci riserva il futuro è molto incerto e aperto, almeno quanto la questione di come tutto è cominciato.

Cattivo sangue
Molti sostenitori della teoria dell’inflazione sono scettici su qualsiasi modello del rimbalzo, soprattutto perché dicono che i propugnatori di questi modelli hanno affermato ripetutamente di essere in grado di calcolare rimbalzi e senza singolarità, per poi essere regolarmente smentiti.

“Non mi piace il fatto che non ammettano che tutti i loro articolo precedenti dovrebbero essere ignorati”, dice Renata Kallosh, fisica della Stanford University, che ha evidenziato errori nei modelli del rimbalzo precedentemente proposti. “Ora fanno una nuova affermazione, alla quale non credo”.

Alan Guth, uno dei pionieri dell’inflazione che lavora al Massachusetts Institute of Technology, è d’accordo. “Dubito ancora che abbiano effettivamente raggiunto una soluzione non singolare,” spiega. “Vorrei aspettare e vedere come si sviluppa. Se sono riusciti a fare ciò che dicono, sono d’accordo sul fatto che sia molto importante, anche se non è il miglior modello per la storia dell’universo”.

Alcuni sostenitori della teoria dell’inflazione sono più indulgenti. “Penso che questa sia una linea di ricerca molto interessante”, spiega Marc Kamionkowski della Johns Hopkins University. “Gli scenari del rimbalzo, anche se non ancora sviluppati allo stesso livello dell’inflazione, sono promettenti, ed è imperativo cercare di svilupparli ulteriormente. Questo documento fornisce un risultato matematico interessante, in un modello giocattolo”, aggiunge, riferendosi all’universo idealizzato a cui hanno lavorato i ricercatori.

Kallosh e altri sono contrari all’uso della cosmologia quantistica per descrivere un rimbalzo, perché l’universo non può essere stato di dimensioni microscopiche in quella fase.

“Hanno il crollo di un grande universo: perché un grande universo dev’essere diverso da quello che dice la relatività generale?” Turok replica che ogni teoria definitiva dell’universo dovrà integrare la meccanica quantistica nella relatività generale, perché è noto che la teoria classica da sola smette di valere in condizioni estreme. “La natura è quantistica”, dice. “Sappiamo che le teorie classiche non hanno alcun senso a un livello molto elementare.”

Turok e altri critici della teoria inflazionaria hanno i loro problemi con la teoria dominante. Sostengono che l’inflazione richiede circostanze improbabili per essere avviata (un’affermazione con cui i proponenti sono in disaccordo) e che non mette al riparo dallo spauracchio di una singolarità al momento del big bang. Inoltre, “l’inflazione porta allo scenario da incubo di un multiverso”, spiega Turok, “che per qualche strana ragione è sorprendentemente popolare”.

Egli suggerisce che l’acceso dibattito e la serrata analisi di cui sono oggetto le nuove idee alla fine aiuteranno i ricercatori a mettersi d’accordo su una teoria migliore delle nostre origini. “Le persone hanno opinioni dure a morire”, spiega Turok. “Ammetto sinceramente che anche le mie lo sono e che non sono condivise dal 95 per cento dei cosmologi. Sono molto critico su tutte queste teorie, comprese quelle che ho inventato io. Ma attualmente abbiamo osservazioni spettacolari che indicano un universo d’incredibile semplicità. Per me questo significa che tutte le nostre teorie esistenti sono troppo complicate. Le osservazioni puntano alla semplicità ed è nostro compito arrivare a una teoria semplice che riesca a spiegarle”.

(La versione originale di questo articolo è apparsa su www.scientificamerican.com il 3 agosto 2016. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)

lescienze.it

 

L’universo è nato da un grande rimbalzo? ultima modifica: 2016-08-08T13:42:15+00:00 da Richard
About the Author
Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)