Il nostro universo è davvero nato dal nulla?

Questa è forse una delle domande più grandi di tutte, perché fondamentalmente si chiede non solo da dove viene tutto, ma anche come è nato tutto. Ecco cosa ci dice la scienza sull’inizio dell’universo, almeno finora.

Oggi, quando osserviamo l’Universo, l’intera suite di osservazioni che abbiamo raccolto, anche tenendo conto delle incertezze note, puntano tutte verso un quadro straordinariamente coerente. Il nostro Universo è fatto di materia (piuttosto che di antimateria), obbedisce alle stesse leggi della fisica ovunque e in ogni momento, e iniziò – almeno, come lo conosciamo noi – con un caldo Big Bang circa 13,8 miliardi di anni fa. È governato dalla Relatività Generale, si sta espandendo, raffreddando e gravitando, ed è dominato dall’energia oscura (68%) e dalla materia oscura (27%), con materia normale, neutrini e radiazioni che costituiscono il resto.

Oggi, ovviamente, è pieno di galassie, stelle, pianeti, elementi pesanti e, in almeno in un luogo, di vita intelligente e tecnologicamente avanzata. Queste strutture non sono sempre esistite, ma sono sorte come risultato dell’evoluzione cosmica. Con un notevole salto scientifico, gli scienziati del 20° secolo sono stati in grado di ricostruire la linea temporale di come il nostro Universo è passato da un Universo per lo più uniforme, privo di struttura complessa e costituito esclusivamente da idrogeno ed elio, all’Universo ricco di strutture che osserviamo oggi.

Se partiamo da oggi, possiamo fare un passo indietro nel tempo e chiederci da dove provenga ogni singola struttura o componente di questa struttura. Per ogni risposta che riceviamo, possiamo quindi chiedere “ok, ma da dove viene e come è nato“, tornando indietro fino a quando non siamo costretti a rispondere, “non lo sappiamo, almeno non ancora“. Quindi, finalmente, possiamo contemplare ciò che abbiamo e chiederci: “come è nato, e c’è un modo in cui potrebbe essere sorto dal nulla?“

Quindi iniziamo.

La vita che abbiamo oggi viene da molecole complesse, che devono essere nate dagli atomi della tavola periodica: gli ingredienti grezzi che costituiscono tutta la materia normale che abbiamo oggi nell’Universo. L’Universo non è nato con questi atomi; sono state necessarie più generazioni di stelle che sono vissute e morte, con i prodotti delle loro reazioni nucleari riciclati nelle successive generazioni di stelle. Senza questo, i pianeti e la chimica complessa sarebbero impossibili.

Per formare stelle e galassie, abbiamo bisogno di:

• gravitazione per unire tra loro piccole galassie e ammassi stellari, creando grandi galassie e innescando nuove onde di formazione stellare,
• che richiedono raccolte di massa preesistenti, create dalla crescita gravitazionale,
• che richiedono la formazione precoce di aloni di materia oscura, impedendo agli episodi di formazione stellare di espellere la materia nel mezzo intergalattico,
• che richiedono il giusto equilibrio di materia normale, materia oscura e radiazione per dare origine al fondo cosmico a microonde, gli elementi luminosi formati nel caldo Big Bang e le abbondanze/modelli che vediamo in essi,
• che richiedono fluttuazioni iniziali – imperfezioni di densità – per crescere gravitazionalmente in queste strutture,
• che richiedono un modo per creare queste imperfezioni, insieme a un modo per creare materia oscura e creare le quantità iniziali di materia normale.

Questi sono gli ingredienti chiave necessari, nelle prime fasi del caldo Big Bang, per dare origine all’Universo come lo osserviamo oggi. Partendo dal presupposto che abbiamo bisogno anche delle leggi della fisica e dello spaziotempo stesso per esistere, insieme alla materia/energia stessa, probabilmente vogliamo includerle come gli ingredienti necessari che in qualche modo devono sorgere.

Quindi, in breve, quando ci chiediamo se possiamo ottenere un Universo dal nulla o meno, queste sono le entità nuove, finora inspiegabili, di cui abbiamo bisogno.

Per ottenere più materia che antimateria, dobbiamo estrapolare l’Universo primordiale, in un’epoca in cui la nostra fisica è molto incerta. Le leggi della fisica come le conosciamo sono in un certo senso simmetriche tra materia e antimateria: ogni reazione che abbiamo mai creato o osservato può solo creare o distruggere materia e antimateria in egual misura. Ma l’Universo che avevamo, nonostante iniziasse in uno stato incredibilmente caldo e denso in cui materia e antimateria potevano essere create in quantità abbondanti, deve aver avuto un modo per creare un’asimmetria materia/antimateria dove inizialmente non esisteva.

Ci sono molti modi per farlo. Sebbene non sappiamo quale scenario abbia effettivamente avuto luogo nel nostro giovane Universo, tutti i modi per farlo coinvolgono i seguenti tre elementi:

1. un insieme di condizioni fuori equilibrio, che sorgono naturalmente in un Universo in espansione e in raffreddamento,
2. un modo per generare interazioni che violano il numero barionico, che il modello standard consente attraverso interazioni sphaleron (e gli scenari oltre il modello standard consentono in modi aggiuntivi),
3. e un modo per generare abbastanza violazioni C e CP per creare un’asimmetria materia/antimateria in quantità sufficientemente grandi.

Il Modello Standard ha tutti questi ingredienti, ma non abbastanza. Se consideri un Universo simmetrico materia/antimateria come “un Universo senza niente“, allora è quasi garantito che l’Universo abbia generato qualcosa dal nulla, anche se non siamo del tutto certi di come sia successo.

Allo stesso modo, ci sono molti modi praticabili per generare materia oscura. Sappiamo, da numerosi test e ricerche, che qualunque cosa sia la materia oscura, non può essere composta da particelle presenti nel Modello Standard. Qualunque sia la sua vera natura, richiede una nuova fisica al di là di ciò che è attualmente noto. Ma ci sono molti modi in cui potrebbe essere stata creata, tra cui:

• l’essere creata termicamente nell’Universo primordiale caldo, senza poi riuscire ad annientarsi completamente, rimanendo in seguito stabile (come la particella supersimmetrica più leggera o Kaluza-Klein),
• o da una transizione di fase avvenuta spontaneamente mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava, strappando particelle massicce dal vuoto quantistico (ad esempio, l’assione),
• come una nuova forma di neutrino, che a sua volta può mescolarsi con i neutrini conosciuti (cioè un neutrino sterile), o come un neutrino destro pesante che esiste in aggiunta ai neutrini convenzionali,
• o come un fenomeno puramente gravitazionale che dà origine a una particella ultramassiccia (ad esempio, un WIMP).

Perché c’è materia oscura, oggi, quando il resto dell’Universo sembra funzionasse bene all’inizio senza di essa? Ci deve essere stato un modo per generare questa “cosa” dove prima non esisteva una cosa del genere, ma tutti questi scenari richiedono energia. Allora, da dove viene tutta quell’energia?

Forse, secondo l’inflazione cosmica – la nostra teoria principale delle origini pre-Big Bang dell’Universo – è davvero venuta dal nulla. Ciò richiede una piccola spiegazione ed è ciò che più frequentemente si intende con “un universo dal nulla”.

Quando immagini le prime fasi del caldo Big Bang, devi pensare a qualcosa di incredibilmente caldo, denso, ad alta energia e quasi perfettamente uniforme. Quando chiediamo “come è successo”, in genere abbiamo due opzioni.

1. Possiamo seguire la strada di Lady Gaga, e semplicemente affermare che deve essere “nato in questo modo”. L’Universo è nato con queste proprietà, che chiamiamo condizioni iniziali, e non ci sono ulteriori spiegazioni. I fisici teorici, chiamiamo questo approccio “arrendersi”.
2. Oppure possiamo fare ciò che i fisici teorici sanno fare meglio: provare a inventare un meccanismo teorico che potrebbe spiegare le condizioni iniziali, elaborando previsioni concrete che differiscono dallo standard, predizioni teoriche prevalenti e poi andando a cercare di misurare i parametri critici.

L’inflazione cosmica è nata come risultato del secondo approccio e ha letteralmente cambiato la nostra concezione di come è nato il nostro Universo.

Invece di estrapolare “caldo e denso” a una singolarità infinitamente calda e infinitamente densa, l’inflazione fondamentalmente dice: “forse il caldo Big Bang è stato preceduto da un periodo in cui una densità di energia estremamente grande era presente nel tessuto dello spazio stesso, per cui l’universo si espanse a un ritmo incessante (inflazionistico), e poi, quando l’inflazione finì, quell’energia si trasferì in materia, antimateria e radiazioni, creando quello che vediamo come il caldo Big Bang: le conseguenze dell’inflazione“.

In dettaglio, questo non solo crea un Universo con la stessa temperatura ovunque, piattezza spaziale e nessun residuo di un’ipotetica grande epoca unificata, ma predice anche un particolare tipo e spettro di fluttuazioni (densità), che poi abbiamo escluso. Dal solo spazio vuoto stesso, sebbene sia uno spazio vuoto riempito con una grande quantità di energia di campo, un processo naturale ha creato l’intero Universo osservabile, ricco di struttura, come lo vediamo oggi.

Questa è la grande idea di ottenere un Universo dal nulla, ma non è soddisfacente per tutti.

Per un’ampia frazione di persone, un Universo in cui lo spazio e il tempo esistono ancora, insieme alle leggi della fisica, alle costanti fondamentali e a un’energia di campo diversa da zero inerente al tessuto dello spazio stesso, è molto separata dall’idea del nulla. Possiamo immaginare, dopo tutto, un luogo al di fuori dello spazio; un momento oltre i confini del tempo; un insieme di condizioni che non hanno una realtà fisica a vincolarle. E queste realtà fisiche, se le immaginiamo come cose che dobbiamo eliminare per ottenere il vero nulla – sono certamente valide, almeno filosoficamente.

Ma questa è la differenza tra il nulla filosofico e una definizione più fisica del nulla. Ci sono quattro definizioni scientifiche di nulla e sono tutte valide, a seconda del contesto:

1. Un tempo in cui la tua “cosa” di interesse non esisteva,
2. Vuoto, spazio fisico,
3. Spaziotempo vuoto nello stato di energia più bassa possibile,
4. Qualunque cosa ti rimanga quando elimini l’intero Universo e le leggi che lo governano.

Possiamo sicuramente dire di aver ottenuto “un Universo dal nulla” se usiamo le prime due definizioni; non possiamo se usiamo il terzo; e purtroppo non sappiamo abbastanza per dire cosa succede se usiamo il quarto. Senza una teoria fisica per descrivere ciò che accade al di fuori dell’Universo e al di là delle leggi fisiche del regno, il concetto di vero nulla è fisicamente mal definito.

Nel contesto della fisica, è impossibile dare un senso a un’idea di nulla assoluto. Cosa significa essere al di fuori dello spazio e del tempo, e come possono lo spazio e il tempo emergere in modo sensato e prevedibile da uno stato di non esistenza? Come può lo spaziotempo emergere in un luogo o tempo particolare, quando non c’è definizione di luogo o tempo senza di esso? Da dove derivano le regole che governano i quanti, sia i campi che le particelle?

Questa linea di pensiero presuppone persino che lo spazio, il tempo e le stesse leggi della fisica non siano eterni, quando in realtà potrebbero esserlo. Eventuali teoremi o dimostrazioni contrarie si basano su ipotesi la cui validità non è solidamente stabilita nelle condizioni in cui cercheremmo di applicarle. Se accetti una definizione fisica di “nulla”, allora sì, l’Universo come lo conosciamo sembra essere sorto dal nulla. Ma se ti lasci alle spalle i vincoli fisici, allora tutto ciò che riguarda le nostre origini cosmiche ultime scompare.

Sfortunatamente per tutti noi, l’inflazione, per sua stessa natura, cancella qualsiasi informazione che potrebbe essere impressa da uno stato preesistente nel nostro Universo osservabile. Nonostante la natura illimitata della nostra immaginazione, possiamo solo trarre conclusioni su argomenti per i quali possono essere costruiti test che coinvolgono la nostra realtà fisica. Non importa quanto logicamente valida possa essere qualsiasi altra considerazione, inclusa una nozione di nulla assoluto, è semplicemente un costrutto delle nostre menti.