I fisici non sono ancora in grado di fare luce sul mistero di ciò che è accaduto nell’attimo in cui un piccolo seme si è gonfiato per diventare l’universo che conosciamo. E la realtà è che non riusciamo a trovare una descrizione fisica di questo fenomeno chiamato inflazione: l’universo non ce lo permette.
Nello specifico, sembra che, per quanto riguarda l’universo giovane, “l’osservatore sia protetto dall’osservare direttamente le strutture più piccole nel cosmo“. In altre parole, per definizione i fisici potrebbero non essere mai in grado di costruire un modello di inflazione usando i soliti strumenti e dovranno trovare un modo migliore.
Ma perchè no? Sembra che i modelli che descrivono l’inflazione cosmica assorbono fluttuazioni molto, molto piccole nello spaziotempo e le ingrandiscono. Ma non abbiamo una teoria fisica completa di quelle piccole fluttuazioni, e quindi i modelli di inflazione che hanno quella caratteristica (cioè quasi tutti) non funzioneranno mai.
La teoria delle stringhe potrebbe essere la chiave per chiarire i segreti dell’inflazione.
Inflazione cosmica e universo
Le osservazioni della struttura su larga scala dell’universo e la luce residua del Big Bang hanno rivelato che, quando è nato, l’universo probabilmente ha vissuto un periodo di espansione incredibilmente rapida. Questo evento straordinario, noto come inflazione, ha portato l’universo a diventare trilioni su trilioni di volte più grande nella più piccola frazione di secondo.
Mentre lo faceva crescere, l’inflazione ha anche reso l’universo un po’ irregolare.
Man mano che l’inflazione si dispiegava, le più piccole fluttuazioni quantistiche casuali – fluttuazioni costruite nel tessuto stesso dello spazio-tempo – sono diventate molto, molto più grandi, il che significa che alcune regioni erano più dense di materia di altre.
Alla fine, quelle differenze sub-microscopiche crebbero fino a diventare macroscopiche … e anche più grandi, in alcuni casi estendendosi da un’estremità all’altra dell’universo. Milioni e miliardi di anni dopo, quelle minuscole differenze di densità crebbero fino a diventare i semi di stelle, galassie e delle più grandi strutture del cosmo.
Gli astronomi sospettano fortemente che qualcosa di simile a questa storia dell’inflazione sia accaduta nei primi momenti dell’universo, a meno di un secondo dalla nascita; anche così, però, non sanno cosa ha innescato l’inflazione, cosa l’ha alimentata, quanto è durata o cosa l’ha spenta. In altre parole, ai fisici manca una descrizione fisica completa di questo evento epocale.
Al mix di domande senza risposta va aggiunto il fatto che nella maggior parte dei modelli di inflazione, le fluttuazioni a scale estremamente piccole vengono gonfiate per diventare differenze macroscopiche. Quanto piccole? Più piccole della lunghezza di Planck, circa 1,6 x 10 ^ meno 35 metri (il numero 16 preceduto da 34 zeri e un punto decimale). Questa è la scala in cui la forza di gravità rivaleggia con quella delle altre forze fondamentali della natura. A quella scala, abbiamo bisogno di una teoria fisica unificata per descrivere la realtà.
Il problema è che non abbiamo una tale teoria.
La maggior parte (se non tutti) i modelli di inflazione richiedono che l’universo cresca così tanto che le differenze sub-planckiane diventino macroscopiche. Ma non capiamo la fisica sub-planckiana. Quindi, come potremmo costruire un modello teorico di inflazione se non comprendiamo la fisica sottostante?
Oltre la scala di Planck
Forse la risposta è: non possiamo. Non potremo mai. Questo concetto è chiamato Congettura della censura trans-Planckiana, o TCC (in questo nome, “trans-Planckiano” significa qualsiasi cosa che raggiunga la lunghezza di Planck).
Robert Brandenberger, un cosmologo teorico svizzero-canadese e professore alla McGill University di Montreal, in Canada, ha recentemente scritto una recensione del TCC. Secondo Brandenberger, “Il TCC è un nuovo principio che limita le cosmologie vitali“. A suo avviso, il TCC implica che qualsiasi osservatore nel nostro mondo su larga scala non potrà mai “vedere” ciò che accade alla piccola scala trans-planckiana.
Anche se avessimo una teoria della gravità quantistica, il TCC afferma che qualsiasi cosa che vive nel regime sub-planckiano non “passerà mai” nel mondo macroscopico. Quanto a cosa potrebbe significare il TCC per i modelli di inflazione, purtroppo non è una buona notizia.
La maggior parte delle teorie sull’inflazione si basa su una tecnica nota come “teoria del campo efficace“. Dal momento che non abbiamo una teoria che unisca la fisica ad alta energia e piccola scala (ovvero condizioni come l’inflazione), i fisici cercano di costruire versioni a bassa energia per fare progressi.
Ma sotto il TCC, quel tipo di strategia non funziona, perché quando la usiamo per costruire modelli di inflazione, il processo di inflazione avviene così rapidamente che “espone” il regime sub-planckiano all’osservazione macroscopica, come ha spiegato Brandenberger.
Alla luce di questo problema, alcuni fisici si chiedono se dovremmo adottare un approccio completamente diverso all’universo primordiale.
Fuori dalla palude
La cosmologia dei gas di stringa è un possibile approccio alla modellazione dell’universo primordiale in base alla teoria delle stringhe, che è essa stessa un candidato promettente per una teoria unificata della fisica che porti la fisica classica e quantistica sotto lo stesso tetto.
Nel modello dei gas di stringa, l’universo non subisce mai un periodo di rapida inflazione. Invece, il periodo di inflazione è molto più dolce e lento e le fluttuazioni al di sotto della lunghezza di Planck non vengono mai “esposte” all’universo macroscopico.
La fisica al di sotto della scala di Planck non cresce mai fino a diventare osservabile, quindi il TCC è soddisfatto. Tuttavia, i modelli di gas di stringa non hanno ancora dettagli sufficienti per testare le prove osservabili dell’inflazione nell’universo.
Il TCC è correlato a un altro punto critico tra l’inflazione e le teorie della fisica unificata come la teoria delle stringhe.
La teoria delle stringhe prevede un numero enorme di universi potenziali, di cui il nostro particolare cosmo (con il suo insieme di forze e particelle e il resto della fisica) ne rappresenta solo uno.
Sembra che la maggior parte (se non tutti) i modelli di inflazione siano incompatibili con la teoria delle stringhe a livello di base. Al contrario, appartengono a quella che i teorici delle stringhe chiamano la “palude“, la regione di possibili universi che semplicemente non sono fisicamente realistici.
Il TCC potrebbe essere un’espressione del rifiuto dell’inflazione nelle paludi.
Potrebbe essere ancora possibile costruire un modello tradizionale di inflazione che soddisfi il TCC (che viva al di fuori delle paludi della teoria delle stringhe); ma se il TCC è vero, questo limita fortemente i tipi di modelli che i fisici possono costruire.
Se l’inflazione riesce a procedere per un periodo di tempo abbastanza breve (immagina di far gonfiare un palloncino lentamente e fermarsi prima che scoppi), mentre continua a piantare i semi che un giorno cresceranno fino a diventare strutture massicce, la teoria dell’inflazione potrebbe funzionare.
In questo momento, il TCC non è stato dimostrato – è solo una congettura. Si allinea con altre linee di pensiero della teoria delle stringhe, ma anche la teoria delle stringhe non è provata (in effetti, la teoria non è completa e non è nemmeno in grado di fare previsioni).
Tuttavia, idee come questa sono utili, perché i fisici fondamentalmente non capiscono l’inflazione e tutto ciò che può aiutare ad affinare quel pensiero è il benvenuto.
