L’universo si espanderà per sempre o alla fine collasserà in un piccolo puntino?
Un articolo pubblicato due anni fa suggeriva che l’espansione infinita è impossibile. Poi, Timm Wrase, un fisico dell’Università della Tecnologia di Vienna, ed i suoi colleghi hanno pubblicato uno studio separato secondo il quale un universo in continua espansione non può ancora essere escluso.
Energia oscura ed espansione cosmica
Il nostro universo è permeato da una vasta forza invisibile che sembra opporsi alla gravità. I fisici chiamano questa forza energia oscura, e si pensa che spinga costantemente il nostro universo ad espandersi.
Un articolo pubblicato nel 2018 sul sito di preprint arXiv sottintende che l’energia oscura cambia nel tempo. Ciò dovrebbe significare che l’universo non si espanderà per sempre ma, ad un certo punto, potrebbe collassare tornando allo stadio precedente al Big Bang.
Quasi immediatamente, tuttavia, altri gruppi di fisici hanno riscontrato problemi con questa teoria: gruppi indipendenti hanno pubblicato articoli che suggerivano revisioni di questa congettura.
Un articolo pubblicato nella rivista Physical Review D, suggerisce che, così com’è, la congettura originale non può essere vera perché non può spiegare l’esistenza del bosone di Higgs, la cosiddetta “particella di Dio” individuata grazie al Large Hadron Collider, il grande acceleratore di particelle del CERN.
Il bosone di Higgs è un bosone elementare, massivo e scalare associato al campo di Higgs, che svolge un ruolo fondamentale nel Modello standard conferendo la massa alle particelle elementari. Inoltre il bosone di Higgs garantisce la consistenza della teoria, che senza di esso porterebbe a un calcolo di probabilità maggiore di uno per alcuni processi fisici.
Tuttavia, secondo Wrase, coautore del documento pubblicato su Physical Review, l’ipotesi che l’universo possa collassare è ancora praticabile.
Come spieghiamo tutto ciò che esiste ed è esistito?
La teoria delle stringhe, a volte chiamata teoria del tutto, è una struttura matematicamente elegante ma sperimentalmente non provata, concepita per unire la teoria di Einstein della relatività generale e la meccanica quantistica.
La teoria delle stringhe suggerisce che tutte le particelle che compongono l’universo non sono in realtà punti ma stringhe monodimensionali che vibrano e le differenze tra quelle vibrazioni ci permettono di vedere una particella come un fotone e un’altra come un elettrone.
Affinché la teoria delle stringhe sia una spiegazione valida per l’universo, tuttavia, deve prevedere l’energia oscura.
Immaginiamo l’energia oscura come una palla posta in un paesaggio di montagne e valli: la palla possiede una certa quantità di energia potenziale. Se una palla si trova in cima ad una montagna, potrebbe essere ferma, ma potrebbe rotolare giù alla più piccola perturbazione, quindi è instabile.
Se la palla è ferrma in piano, sul fondo della valle, non cambia e non si sposta, ha una bassa energia e risiede in un universo stabile, perché servirebbe una spinta forte per farla rotolare ulteriormente.
I teorici delle stringhe presumevano che l’energia oscura fosse costante e immutabile nell’universo. In altre parole, l’energia oscura sarebbe la palla, ferma in piano nella valle tra le montagne e, non potendo rotolare, non cambierebbe nel tempo, conservando la sua energia potenziale.
Ma la congettura formulata a giugno suggerisce che, affinché la teoria delle stringhe funzioni, il paesaggio non debba avere montagne o valli sopra il livello del mare (in questa concezione, il nostro universo si trova al di sopra del livello del mare – che metaforicamente segna il punto in cui l’energia oscura inizia ad aggregare o a dilatare l’universo).
Piuttosto, il paesaggio ha una lieve pendenza e la sfera di energia oscura sta rotolando sempre verso il basso. “Mentre scorre verso il basso, l’energia oscura diventa sempre minore“, ha spiegato Wrase. “L’altezza della palla corrisponde alla quantità di energia oscura nel nostro universo.”
In questa teoria, l’energia oscura potrebbe alla fine arrivare sotto il livello del mare e iniziare a tirare l’universo di nuovo insieme alla sua forma pre –Big-Bang.
Ma c’è un problema.
“Abbiamo dimostrato che lecime montuose instabili devono esistere, questo perché sappiamo che il bosone di Higgs esiste. E abbiamo sperimentalmente dimostrato che le particelle di Higgs possono esistere su queste cime montuose o “universi instabili” e possono essere disturbate con il minimo tocco”.
Difficoltà con la stabilità degli universi
Cumrun Vafa, un teorico delle stringhe di Harvard e autore senior dello studio pubblicato nel 2018, ha ammesso che, in effetti, la congettura originale è “difficilmente applicabile agli universi instabili” e ha aggiunto che questo nuovo studio e alcuni altri mostrano questo problema.
Altri studi, però, propongono solo una leggera revisione della congettura che, comunque, rispetterebbe i limiti che Wrase e il suo team hanno proposto.
Anche revisionando l’ipotesi presentata nel 2018, “non saremmo in un universo stabile e le cose sarebbero abbastanza diverse“, ha ribattuto Wrase.
Secondo l’ipotesi revisionata, saremmo in un universo in cui le cime delle montagne possono esistere, ma non le valli stabili. In quel caso, la palla prima o poi dovrebbe iniziare a rotolare e l’energia oscura cambierebbe nel tempo. Ma “se si trattasse di un’ipotesi [totalmente] sbagliata, allora l’energia oscura potrebbe essere costante, e resterebbe stabile in una valle tra due montagne e l’universo continuerebbe ad espandersi.”
Entro 10-15 anni, probabilmente potremo misurare con più precisione l’espansione dell’universo e questo, forse, potrà aiutarci a capire se l’energia oscura è costante o cambia.
Nel frattempo, ringraziamo il Bosone di Higgs, che potrebbe essere l’elemento che garantisce stabilità, facendoci vivere in un universo da studiare.
