Dopo il Big Bang, il nostro universo ha subito un’espansione a un ritmo esponenziale. Questa teoria, conosciuta come inflazione cosmica, suggerisce che questa crescita esplosiva abbia generato minuscole fluttuazioni quantistiche che, col tempo, si sono evolute nelle galassie che osserviamo oggi. L’inflazione cosmica offre una spiegazione convincente per le dimensioni e l’omogeneità del nostro Universo, motivo per cui è rimasta una teoria solida in cosmologia per diversi decenni.
L’inflazione cosmica: una teoria prevalente ma imperfetta
Essa presenta delle criticità. Si basa su alcuni presupposti teorici che possono risultare piuttosto arbitrari, il che rappresenta un limite per una teoria che si propone di spiegare le caratteristiche fondamentali del nostro universo. Questa lacuna ha spinto il fisico teorico Raúl Jiménez dell’Università di Barcellona, in Spagna, a sviluppare un approccio alternativo per comprendere le dinamiche dell’Universo primordiale.
La proposta mira a eliminare i parametri eccessivi e circostanziali presenti nei modelli tradizionali che hanno reso difficile per i fisici raggiungere un consenso su un’unica teoria.Il paradigma proposto da Jiménez e dai suoi colleghi è relativamente semplice e si fonda principalmente su principi ben consolidati della meccanica quantistica e della relatività generale.
La teoria assume che l’Universo primordiale esistesse in quello che viene definito Spazio di de Sitter, un vuoto piatto governato dalla relatività generale. Secondo i principi della meccanica quantistica, l’applicazione di una certa energia a questo spazio – ovvero il Big Bang – avrebbe generato fluttuazioni quantistiche che hanno dato origine ai modi tensoriali, o onde gravitazionali. Queste onde avrebbero seminato organicamente piccole quantità di densità in tutto l’universo, e queste piccole quantità si sarebbero infine evolute in galassie, stelle e pianeti.
Meno parametri, maggiore eleganza
I detrattori della tradizionale teoria inflazionistica spesso ne criticano l’eccessivo numero di parametri modificabili. Tra questi, spicca l’inflatone, un ipotetico campo scalare che, secondo i fisici, avrebbe guidato la rapida espansione dell’universo primordiale. La nuova teoria, invece, elimina completamente l’inflatone, sostituendolo con uno spazio di De Sitter “scosso” dalle onde gravitazionali.
Il fatto che questa nuova proposta riduca drasticamente il numero di parametri modificabili rappresenta un enorme vantaggio. Arthur Kosowsky, un cosmologo dell’Università di Pittsburgh non coinvolto nel nuovo lavoro, ha spiegato: “Non esiste un principio generale che determini questi parametri, quindi in pratica bisogna inserirli manualmente. I fisici si sforzano sempre di creare modelli e teorie che siano in un certo senso il più semplici possibile, il che significa che il numero di parametri arbitrari da inserire manualmente è il più piccolo possibile”.
In un mondo ideale, una teoria o un modello solido non dovrebbe richiedere così tante variabili modificabili. Un problema simile affligge il Modello Standard, che vanta ben 18 parametri liberi che devono essere determinati ogni volta. Kosowsky ha aggiunto che i fisici: “Sprecano molto sangue, sudore e lacrime (e denaro) perché la maggior parte delle persone è convinta che debba esistere un modello migliore e più potente con due o tre parametri invece di 18“.
Trovare una spiegazione semplice e convincente per l’inflazione cosmica primordiale è proprio ciò che ha motivato il nuovo lavoro di Jiménez, come lui stesso ha rivelato a Gizmodo durante una videochiamata. Il punto di forza di questa teoria risiede nella sua completa falsificabilità, il che significa che può o non può spiegare i dati osservativi. Tuttavia, questa è anche la sua debolezza, come ha riconosciuto Jiménez: “Forse la natura non ha scelto questa teoria come il modo in cui funzionano le cose“.
Naturalmente, il più prezioso vantaggio delle teorie falsificabili è che ci rivelano ciò che non funziona. Anche se questo può sembrare controintuitivo, i fisici spesso adottano un processo simile all’eliminazione per fenomeni sconosciuti, come la materia oscura. Per quanto riguarda la nuova teoria proposta da Jiménez, la grande domanda è se resisterà ai dati osservativi e a un ulteriore esame matematico.
Kosowsky ha commentato: “Mi piace la filosofia generale che guida questo articolo, ovvero ‘vediamo se riusciamo a immaginare una situazione in cui l’inflazione nasca naturalmente da qualche principio di fisica’. Se ci riusciamo, questo è più elegante rispetto all’aggiunta di elementi fisici speculativi e, in un certo senso, arbitrari, e probabilmente fornirà previsioni più specifiche, che si spera possano poi essere confrontate con le osservazioni“.
Andrew Liddle, cosmologo teorico presso l’Istituto di Astrofisica e Scienze Spaziali (IA) dell’Università di Lisbona, Portogallo, ha definito la proposta “interessante e innovativa, qualcosa che merita di essere analizzato più da vicino”. Allo stesso tempo, la sua semplicità potrebbe anche essere il suo più grande difetto, ma solo il tempo dirà se i cosmologi più orientati alla matematica la apprezzeranno. Marina Cortês, anch’essa dell’IA, ha aggiunto: “Ci sono sempre stati cosmologi a disagio con la teoria dell’inflazione. Io sono una di loro, e ci lavoro. Uno degli aspetti più scomodi dell’inflazione è che i fisici capiscono tutto dal Big Bang in poi, ma non il Big Bang e le sue fasi iniziali“.
L’inflazione cosmica: tra conferme, nuove Idee e sfide attuali
Sebbene i cosmologi, inclusi Andrew Liddle e Marina Cortês (non coinvolti nel nuovo lavoro), spesso interpretino l’inflazione cosmica in modi diversi, le prove disponibili sembrano comunque supportare l’idea che essa abbia avuto luogo. Nonostante molti fisici abbiano proposto spiegazioni alternative nel corso del tempo, la maggior parte di queste sono finite in una sorta di “pattumiera” delle idee scartate, come spiegato da Liddle. L’immaginazione umana, però, non ha limiti, e i prossimi decenni promettono una fioritura di nuove idee e modelli, proprio come quello discusso.
Attualmente, la cosmologia si concentra principalmente su quelle che vengono definite tensioni, ovvero indizi che suggeriscono un disallineamento con il modello cosmologico standard. Diverse questioni cruciali, come l’energia oscura e la tensione di Hubble, sembrano convergere in un unico pacchetto paradossale per gli scienziati, e l’inflazione stessa potrebbe farne parte, ha aggiunto Cortês. È evidente che stiamo vivendo un periodo di grande entusiasmo, fermento e scoperte in cosmologia, un sentimento condiviso da tutti gli scienziati.
Raúl Jiménez ha affermato che non solo la quantità di dati sta crescendo in modo esponenziale, ma anche la qualità delle analisi: “Penso che stiamo vivendo un’età dell’oro per la cosmologia“, ha concluso. Arthur Kosowsky ha aggiunto che, pensando all’inflazione cosmica, l’obiettivo è andare oltre la semplice descrizione dell’Universo e cercare di rispondere al “perché” abbia l’aspetto che ha: “È forse dovuto a qualche profondo principio fisico ancora inesplorato? Potrebbe essere, ed è questo che ci spinge a impegnarci a fondo per ampliare i confini della nostra comprensione“, ha chiosato Kosowsky.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Research.
