Il nostro universo è governato da quattro forze fondamentali della natura. Sono la forza nucleare forte, la forza nucleare debole, l’elettromagnetismo e la gravità. Insieme, governano il movimento e il comportamento di tutto ciò che vediamo intorno a noi.
Mentre stiamo ancora cercando una teoria quantistica della gravità, le altre tre forze sono ben descritte e possiedono tutte le loro particelle portatrici di forza (già osservate).
Come ci dice il modello standard della fisica delle particelle, queste particelle non sono che vibrazioni nei campi energetici che abbracciano tutto l’universo. Significa che un fotone è una particolare vibrazione del campo di forza elettromagnetico, un gluone è una vibrazione del campo di forza nucleare forte e così via.
Una quinta forza
Allo stato attuale delle cose, considerare il campo di Higgs come una sorta di quinta forza fondamentale è qualcosa a cui è stata data molta attenzione. Proprio come accade in altri campi di forza, le vibrazioni nel campo di Higgs danno origine ai bosoni di Higgs, che interagiscono con la materia regolare dandole la sua massa.
Se stai pensando che potrebbe essere prematuro o sciocco pensare al campo di Higgs come a una quinta forza, allora passiamo al prossimo argomento.
Campi di fusione
Anche se questi campi sembrano funzionare in modo completamente diverso l’uno dall’altro, le cose diventano un po’ sfocate quando le temperature aumentano.
Considera la complessa struttura cristallina del ghiaccio mentre viene riscaldato. Comincia a sciogliersi in acqua e tutta quella complessità svanisce in una forma liquida uniforme in cui è quasi impossibile distinguere le diverse regioni.
Lo stesso accade ai campi di forza all’aumentare della temperatura.
Si ritiene infatti che nei primi roventi istanti della creazione dell’universo non vi fossero molteplici forze fondamentali, ma piuttosto un’unica forza fondamentale. Una forza maestra, per così dire.
Sappiamo che questo accade di sicuro con la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole. Se riscaldi o fai pressione a sufficienza, quelle forze si fonderanno in un’unica forza fondamentale. Lo abbiamo già visto accadere nei nostri acceleratori di particelle.
La notizia affascinante qui è che abbiamo il forte sospetto che la stessa cosa possa accadere con il campo di Higgs e la forza nucleare forte. Quando le cose diventano estreme, anche loro dovrebbero fondersi in un’unica forza.
In effetti, il campo che dà origine ai bosoni di Higgs è molto simile ai campi che danno origine a tutte le altre forze fondamentali non gravitazionali.
Particolarità del campo di Higgs
Tutti i campi, quando sono privi di particelle, tendono ad assumere uno stato di bassa energia, noto come stato di vuoto del campo. Durante i momenti iniziali dell’esistenza dell’universo, lo stato di vuoto del campo di Higgs trasportava ancora molta energia ma, mentre l’universo si raffreddava, la sua forma cambiava.
Lo stato di vuoto è sceso a livelli di energia ancora più bassi e, quando ciò è accaduto, parti casuali di quasi tutto lo spaziotempo sono scese a quei livelli di energia più bassi (cioè quando il campo è più stabile).
Il problema è che il livello di energia più basso ha due possibili stati, due possibili valori.
Per dirla semplicemente, quando una regione casuale dello spaziotempo ha visto il suo valore del campo di Higgs scendere in uno di quei possibili stati, ha trascinato lo spaziotempo attorno ad essa per assumere lo stesso valore in una sorta di reazione a catena, creando bolle in espansione dello spaziotempo con energia di stato inferiore per il campo di Higgs, creando così alla fine il campo di Higgs moderno.
Ma quelle diverse bolle in espansione portavano valori minimi diversi per il campo di Higgs.
La magia è avvenuta quando quelle bolle in espansione si sono scontrate l’una con l’altra.
Corde cosmiche
Quando le bolle spaziotemporali in espansione si scontravano, si fondevano e si influenzavano a vicenda, formando vortici di spaziotempo con diversi stati di vuoto di Higgs.
Al centro di quei vortici, c’era un nucleo in cui il valore dello stato di vuoto di Higgs non poteva scendere a uno degli stati più bassi: era trattenuto lì, di per sé, dallo spaziotempo a spirale con valori di campo di Higgs diversi e inferiori.
Man mano che l’universo si espandeva, quei nuclei si estendevano su enormi distanze, creando stringhe di spaziotempo con quel valore primordiale più alto del campo di Higgs. Quando parliamo di distanze enormi, parliamo di distanze delle dimensioni dell’universo, poiché le stringhe cosmiche dovrebbero allungarsi per raggiungere tutti gli angoli del cosmo.
Quando una corda cosmica vibra, può spezzarsi, rilasciando piccoli nastri. Quei nastri galleggiano via e continuano a vibrare, rilasciando onde gravitazionali significative a causa della loro massa incredibile, e si allontanano lentamente man mano che perdono energia.
Le stringhe cosmiche non sono state osservate fino ad ora, anche se le stiamo cercando. Un modo in cui potrebbero essere dimostrate è rilevare le loro onde gravitazionali nei nostri rilevatori di onde gravitazionali.
Anche la lente gravitazionale è un metodo valido poiché ci consente di discernere oggetti con gravità massiccia.
Pensieri finali
Personalmente trovo affascinanti le stringhe cosmiche perché sono, in un certo senso, i fossili ultimi del nostro universo. Contengono tessuto dello spaziotempo con caratteristiche peculiari dei momenti subito dopo la nascita infuocata del nostro universo.
Pensare a quanto siano diverse mantenendo “semplicemente” un valore antico del campo di Higgs mi fa chiedere come sarebbero potute andare diversamente le cose se le condizioni iniziali del nostro universo fossero state solo leggermente diverse.
In questo modo, rimangono crepe nel passato del nostro universo.
