La verifica dell’inflazione cosmica

Allacciate la cintura di sicurezza dell’astronave: sebbene l’inflazione cosmica sia quasi universalmente accettata perché risolve alcuni importanti misteri sulla struttura e l’evoluzione dell’universo, anche altre teorie molto diverse possono spiegare questi misteri. In alcune teorie, lo stato dell’universo precedente al Big Bang – il cosiddetto universo primordiale – si stava contraendo invece di espandersi, e il Big Bang faceva quindi parte di un Big Bounce.

Il 21 marzo 2013, l’Agenzia spaziale europea ha tenuto una conferenza stampa internazionale per annunciare i risultati ottenuti da una sonda spaziale chiamata Planck che ha mappato la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), la luce emessa 13,8 miliardi di anni fa subito dopo il Big Bang, rivelando alcuni dei più grandi misteri della cosmologia.

La nuova mappa, hanno detto ai giornalisti gli scienziati dell’ESA, ha confermato una teoria vecchia di 35 anni secondo cui l’universo è iniziato con un botto seguito da un breve periodo di espansione iperaccelerata noto come inflazione. Questa espansione ha levigato l’universo a tal punto che, miliardi di anni dopo, lo spazio rimane quasi uniforme in ogni direzione e “piatto”, invece che ricurvo come una sfera, fatta eccezione per minuscole variazioni nella concentrazione di materia che genera le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie intorno a noi.

Il problema della falsificabilità

Un team di scienziati ha proposto un nuovo potente test per l’inflazione, la teoria secondo cui l’universo si è notevolmente ampliato in dimensioni in una frazione di secondo subito dopo il Big Bang. Il loro obiettivo è dare una risposta ad una domanda di vecchia data: com’era l’universo prima del Big Bang?

Per aiutare a decidere tra l’inflazione e queste altre idee, è inevitabilmente emersa la questione della falsificabilità, ovvero il concetto secondo cui una teoria può essere verificata dimostrando che è falsificabile. Alcuni ricercatori, tra cui Avi Loeb dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), hanno sollevato preoccupazioni sull’inflazione, suggerendo che la sua adattabilità apparentemente infinita rende quasi impossibile testarla correttamente dimostrando che sia falsificabile.

Il Principio di Falsificazione, creato da Karl Popper, forse uno dei filosofi della scienza più influenti del 20° secolo, è un modo per creare una linea rossa, una ghigliottina per così dire, separando nettamente la scienza dalla non scienza, secondo cui una teoria considerata scientifica deve poter essere testata e plausibilmente dimostrata falsificabile.

“La falsificabilità dovrebbe essere un segno distintivo di qualsiasi teoria scientifica. L’attuale situazione per l’inflazione è che è un’idea così flessibile che non può essere falsificata sperimentalmente“, ha detto Loeb. “Non importa quale valore le persone misurino per qualche attributo osservabile, ci sono sempre alcuni modelli di inflazione che possono spiegarlo“.

Il dibattito sulla falsificabilità dell’inflazione è iniziato nel 2017, quando Loeb, insieme al professore di Princeton Paul J. Steinhardt e all’allora borsista post-dottorato di Princeton, la fisica teorica Anna Ijjas attualmente all’Einstein Institute, ha scritto un articolo su Scientific American, Pop Goes the Universe, in cui hanno sfidato il predominio della teoria inflazionistica.

Negli anni trascorsi dalla conferenza stampa dell’ESA del 2013, hanno scritto Loeb e colleghi, “dati più precisi raccolti dal satellite Planck e da altri strumenti hanno reso il caso solo più forte. Eppure anche ora la comunità cosmologica non ha dato uno sguardo freddo e onesto alla teoria inflazionistica del big bang né ha prestato molta attenzione ai critici che si chiedono se l’inflazione sia avvenuta. Piuttosto i cosmologi sembrano accettare alla lettera l’affermazione dei proponenti secondo cui dobbiamo credere alla teoria inflazionistica perché offre l’unica semplice spiegazione delle caratteristiche osservate dell’universo. Ma, come spiegano i dati di Planck, aggiunti a problemi teorici, hanno scosso le basi di questa affermazione”.

La cosmologia rimbalzante

In Pop Goes the Universe gli autori sostengono una cosmologia rimbalzante, come proposto da Steinhardt e altri nel 2001. La loro conclusione è che la cosmologia inflazionistica “non può essere valutata usando il metodo scientifico” e proseguono affermando che alcuni scienziati che accettano l’inflazione hanno proposto di “scartare una delle proprietà [della scienza] che definiscono: la verificabilità empirica”, “promuovendo così l’idea di un qualche tipo di scienza non empirica.

“Una delle inevitabili conseguenze dell’inflazione è la nozione di multiverso. Tutto ciò che può accadere accadrà un numero infinito di volte“, ha detto Loeb. “Quindi l’inflazione è davvero falsificabile? Pensiamo che una teoria scientifica sia quella che puoi falsificare. Se l’inflazione può ospitare qualsiasi cosa, abbiamo un problema“.

Testare la teoria dell’inflazione

Il documento del 2017 ha provocato quella che Loeb ha definito una “strana” risposta da parte del professor Alan H. Guth del Massachusetts Institute of Technology, una lettera co-firmata da 32 colleghi di Guth, tra cui Stephen Hawking e cinque premi Nobel.

“Le persone, specialmente le persone che hanno inventato l’inflazione, si sono davvero arrabbiate e hanno detto che anche se non può essere falsificata, deve essere vera, dovrebbe essere vera, e quindi non c’è bisogno di testarla perché deve essere vera“, ha detto Loeb.

Guth ha scritto in un’e-mail a Loeb e al team di non aver mai sostenuto che l’inflazione “non può o non dovrebbe essere testata“. Loeb ha detto che la lettera di Guth li ha spinti a cercare un modo per testare la teoria dell’inflazione, portandoli a pubblicare il loro articolo più recente.

BICEP aggiornato e array Keck

Esistono letteralmente dozzine di diversi tipi di inflazione ed è improbabile che un singolo esperimento o osservazione possa falsificarli tutti contemporaneamente. Tuttavia, le indagini attuali e future potrebbero escludere i modelli inflazionistici più diffusi, cioè quelli che non richiedono messe a punto o adattamenti ad hoc. Ad esempio, la maggior parte dei modelli inflazionistici prevede l’esistenza di onde gravitazionali primordiali, che avrebbero dovuto polarizzare il fondo cosmico a microonde nell’Universo primordiale.

L’array BICEP e Keck aggiornato – che dovrebbe essere completato quest’anno – dovrebbe essere sufficientemente sensibile per rilevare quella polarizzazione o fornire limiti superiori rigorosi che falsificherebbero i popolari modelli di inflazione “slow-roll”.

I primi buchi neri supermassicci falsificherebbero l’inflazione

Nel frattempo, le scoperte di buchi neri supermassicci ad alto spostamento verso il rosso nell’Universo primordiale stanno iniziando a sfidare i modelli standard della cosmologia. Il rilevamento di buchi neri supermassicci in epoche ancora precedenti falsificherebbe del tutto l’inflazione e il Big Bang, suggerendo invece che i buchi neri supermassicci esistevano prima di un ipotetico Big Bounce.

Orologio standard primordiale

Un team di scienziati guidato da Xingang Chen del CfA, insieme a Loeb e Zhong-Zhi Xianyu del Dipartimento di Fisica dell’Università di Harvard, ha applicato un’idea che chiamano “orologio standard primordiale” alle teorie non inflazionistiche e ha presentato un metodo che può essere utilizzato per falsificare sperimentalmente l’inflazione.

Nel tentativo di trovare alcune caratteristiche che possano separare l’inflazione da altre teorie, il team ha iniziato identificando la proprietà che definisce le varie teorie: l’evoluzione delle dimensioni dell’universo primordiale.

“Ad esempio, durante l’inflazione, la dimensione dell’universo cresce in modo esponenziale“, ha detto Xianyu. “In alcune teorie alternative, la dimensione dell’universo si contrae. Alcuni lo fanno molto lentamente, mentre altri lo fanno molto velocemente.

“Gli attributi che le persone hanno proposto finora di misurare di solito hanno difficoltà a distinguere tra le diverse teorie perché non sono direttamente correlati all’evoluzione delle dimensioni dell’universo primordiale“, ha continuato. “Quindi, volevamo trovare quali sono gli attributi osservabili che possono essere direttamente collegati a quella proprietà di definizione“.

I segnali generati dall’orologio standard primordiale possono servire a tale scopo. Quell’orologio è un qualsiasi tipo di particella elementare pesante nell’universo primordiale. Tali particelle dovrebbero esistere in qualsiasi teoria e le loro posizioni dovrebbero oscillare a una frequenza regolare, proprio come il ticchettio del pendolo di un orologio.

Un universo in contrazione?

L’universo primordiale non era del tutto uniforme. C’erano minuscole irregolarità di densità su scale minuscole che divennero i semi della struttura su larga scala osservata nell’universo di oggi. Questa è la principale fonte di informazioni su cui i fisici fanno affidamento per conoscere ciò che è accaduto prima del Big Bang. I tick dell’orologio standard hanno generato segnali che sono stati impressi nella struttura di quelle irregolarità. Gli orologi standard in diverse teorie dell’universo primordiale predicono diversi modelli di segnali, perché le storie evolutive dell’universo sono diverse.

“Se immaginiamo tutte le informazioni che abbiamo appreso finora su ciò che è accaduto prima del Big Bang è in un rullino di fotogrammi di pellicola, allora l’orologio standard ci dice come dovrebbero essere riprodotti questi fotogrammi“, ha spiegato Chen. “Senza alcuna informazione sull’orologio, non sappiamo se il film dovrebbe essere proiettato avanti o indietro, veloce o lento, proprio come non siamo sicuri se l’universo primordiale si stesse gonfiando o contraendo, e quanto velocemente lo facesse. Questo è dove sta il problema. L’orologio standard indicava l’ora su ciascuno di questi fotogrammi quando il film è stato girato prima del Big Bang e ci dice come riprodurre il film“.

“Potremmo dover cercare in molti posti diversi”

Il team ha calcolato come dovrebbero apparire questi segnali di clock standard nelle teorie non inflazionistiche e ha suggerito come dovrebbero essere cercati nelle osservazioni astrofisiche. “Se si trovasse uno schema di segnali che rappresentano un universo in contrazione, falsificherebbe l’intera teoria inflazionistica“, ha detto Xianyu.

Il successo di questa idea sta nella sperimentazione. “Questi segnali saranno molto sottili da rilevare“, ha detto Chen, “e quindi potremmo dover cercare in molti luoghi diversi. La radiazione cosmica di fondo a microonde è uno di questi luoghi, e la distribuzione delle galassie è un altro. Abbiamo già iniziato a cercare questi segnali e ci sono già alcuni candidati interessanti, ma abbiamo bisogno di più dati“.

Loeb ha detto a Juliet E. Isselbacher dell’Harvard Crimson che spera che i dati necessari per completare il test arrivino entro il prossimo decennio.

certo che è ironico che Avi Loeb abbia criticato l’inflazione perché non è verificabile (come lo è) e poi abbia sviluppato il proprio test per falsificare l’inflazione.

L’ultima parola: Xingang Chen e Brian Keating di Harvard

Questi segnali cambieranno la distribuzione statistica dei punti scuri/luminosi nel Fondo cosmico a microonde, o la distribuzione statistica del numero di galassie nel cielo, rispetto alle previsioni del modello standard in cui questi segnali sono assenti. Ad esempio (e in termini più tecnici), prevederanno che ci sono leggermente più galassie separate da alcune distanze rispetto alle altre, e le scelte di queste distanze sono determinate dal tipo di scenario dell’universo primordiale.

L’ultima parola viene dal Dr. Brian Keating, Distinguished Professor of Physics del Cancelliere presso l’UC San Diego, ospite del podcast “Into the Impossible” su YouTube: “Sì, l’inflazione potrebbe essere falsificata, tuttavia dipende da quale versione dell’inflazione viene valutata e fino a che punto si considera la falsificazione come sine qua non della vera scienza. Ad esempio, la maggior parte dei modelli di inflazione prevede che l’Universo dovrebbe essere spazialmente piatto, con curvatura zero su larga scala. Questa previsione è coerente con tutte le misurazioni del Fondo cosmico a microonde, ma tra di esse c’è una precisione finita. Quindi un giorno potremmo avere un esperimento che misuri una deviazione dalla curvatura zero”.

“Quindi sia gli oppositori che i sostenitori hanno ragione nelle loro accuse“, ha spiegato Keating. “Ma la scienza”, aggiunge, “non dipende esclusivamente dal consenso degli esperti prima del fatto. In effetti, il principale sostenitore della falsificazione come rubrica per ciò che costituisce la scienza, Karl Popper, considera la falsificazione solo una parte del processo scientifico e pseudoscienze come l’astrologia o la frenologia possono essere ospitate all’interno di tale rubrica. Ad esempio, l’astrologia fa ipotesi falsificabili sulla tua futura vita amorosa che potrebbero rivelarsi false. Pertanto per la metrica della falsificazione sarebbe considerata scienza. Quanti di noi accetterebbero questa definizione? Quindi la falsificazione come unico criterio di una buona scienza non è universalmente accettata né esiste una buona definizione di ciò che essa comprenda. Alla fine, se l’inflazione non può essere dimostrata e le alternative all’inflazione non possono essere falsificate forse solo la prova sociale sarà sufficiente per fare progressi!”.

Si prevede che le future indagini sulle galassie, come LSST leader negli Stati Uniti, Euclid dell’Europa e SphereX della NASA, forniranno dati di alta qualità che possono essere utilizzati per raggiungere l’obiettivo.