Tutto ciò che sappiamo dei primi istanti dell’universo rientra nel campo delle teorie, teorie basate, però, sui dati ricavati dall’osservazione dell’universo primordiale relazionati con le leggi fisiche che conosciamo. Infatti, il primo secondo dopo il Big Bang fu caratterizzato non solo dalle condizioni più estreme mai sperimentate nell’intero universo ma anche da quelle più movimentate. Sono accadute più cose in quel primo battito cardiaco che in qualsiasi altro periodo di tempo successivo.
Sebbene tutte le storie abbiano bisogno di un inizio, l’inizio del Big Bang è complicato, e questo perché quando parliamo dell’inizio dell’universo, stiamo discutendo dell’inizio letteralmente di tutto. Contrariamente alla concezione popolare, il Big Bang non è stata un’esplosione avvenuta da qualche parte nell’universo. Si è trattato letteralmente della comparsa improvvisa dell’universo stesso. Questo significa che il Big Bang è avvenuto ovunque contemporaneamente.
La nascita delle forze fisiche
Il Big Bang fu l’inizio di tutto, anche l’inizio del tempo stesso, almeno come lo intendiamo attualmente. Potrebbe non essere possibile parlare di “prima” del Big Bang, ovvero l’“inizio” del Big Bang, perché affinché questi concetti abbiano un senso, è necessario innanzitutto avere una struttura del tempo impostata. La nostra comprensione della fisica ci porta molto in profondità nella storia primordiale dell’universo, fino al primo secondo del Big Bang, ma prima di ciò la nostra comprensione crolla. Nei primi istanti dell’esistenza dell’universo, il cosmo era compresso in un volume così piccolo che le nostre normali concezioni di spazio e tempo non sono più applicabili. Tutte le nostre teorie falliscono così tanto che non possiamo dire in nessun modo cosa stava succedendo durante il primo secondo, per non parlare di “prima” di quei primi momenti.
Anche se non comprendiamo cosa è successo durante il primo secondo del Big Bang, o cosa lo ha preceduto, conosciamo in termini generali ciò che è accaduto: inizialmente le quattro forze fondamentali della natura – gravità , elettromagnetismo, nucleare forte e debole – erano fuse insieme in un’unica forza unificata. Lo sospettiamo perché possiamo unire l’elettromagnetismo e la forza nucleare debole con le energie disponibili nei nostri collisori di particelle. Disponiamo anche di calcoli teorici che ci dicono come ripiegare la forza nucleare forte a energie ancora più elevate (questo, però, non è fattibile con la tecnologia attuale). Per quanto riguarda la gravità, crediamo – o meglio, speriamo – che anch’essa fosse fusa con le altre forze.
L’unico momento in cui ciò sarebbe potuto accadere – l’unica volta in cui l’universo aveva energie sufficienti per fondere insieme tutte le forze – è stato nel vortice di quel primo secondo. Ciò che è successo, e come, quando quelle forze si sono divise, una per una, allontanandosi l’una dall’altra, è la domanda alla quale cerchiamo risposta più di ogni altra.
Le primissime transizioni di fase hanno portato a molte bolle
Mentre le forze si separavano, si innescava quella che è nota come transizione di fase. Le transizioni di fase dominano le nostre vite. Trasformiamo l’acqua in vapore per alimentare le nostre turbine elettriche. Condensiamo il freon per climatizzare l’aria delle nostre case. Ci godiamo la rugiada mattutina che appare sull’erba del vicino parco. Ogni volta che la materia cambia da uno stato a un altro, subisce una transizione di fase e queste transizioni di fase hanno la capacità di immagazzinare e rilasciare enormi quantità di energie e di rimodellare completamente la materia che la circonda.
Le transizioni di fase possono avvenire in due modi. Possono procedere in modo fluido e silenzioso, come un cubetto di ghiaccio che si scioglie dolcemente in una pozza d’acqua liquida. Per decenni, i cosmologi hanno ipotizzato che le transizioni dell’universo primordiale fossero altrettanto delicate. Possono essere trasformative, portando a nuove disposizioni della materia e della fisica, ma relativamente semplici. La motivazione di questa convinzione è più economica di ogni altra cosa: questi tipi di transizioni di fase delicate sono più facili da modellare nella matematica confusa che usiamo per descrivere l’universo primordiale, e quindi è un presupposto facile da porre.
Quando le forze della natura si separarono le une dalle altre, potrebbero averlo fatto in modo caotico, turbolento e rabbioso. Potrebbe non essere stata una questione di transizione graduale dell’intero universo verso un nuovo assetto fisico. Potrebbero esserci state delle bolle, molte bolle.
Questa non è una semplice analogia. Queste bolle sono davvero bolle, nel senso letterale della parola. Non bolle come una pellicola di sapone che racchiude una sacca d’aria. Ma lo stesso tipo di bolle che appaiono in una pentola d’acqua bollente: sacche della stessa materia, solo disposte diversamente in una nuova fase.
Nell’universo primordiale, le bolle della transizione di fase contenevano un nuovo assetto della fisica fondamentale. Nuove forze. Nuove particelle. Nuove interazioni. Ai loro confini, si incontrarono con la fisica (ancora unificata) del passato. Queste bolle crebbero e si fusero insieme, portando infine un nuovo ordine e stabilità nell’universo. Tuttavia, fu tutto molto, molto complicato.
È in quel caos che le bolle possono potenzialmente risolvere una serie di enigmi sull’universo primordiale.
Le bolle potrebbero spiegare la materia oscura e perché l’antimateria è scarsa
Ad esempio, uno dei maggiori problemi in sospeso nella cosmologia moderna è il motivo per cui esiste più materia che antimateria. Le particelle di antimateria condividono tutte le stesse proprietà delle loro controparti di materia normale, tranne per il fatto che sono dotate di carica opposta. Tutti i processi della fisica conosciuta producono un numero uguale di particelle di materia e antimateria, il che significa che il nostro universo dovrebbe avere una divisione uniforme 50:50. Ma non è così. Non c’è quasi antimateria nell’universo.
Recentemente i fisici hanno scoperto che la collisione delle pareti delle bolle può portare al rilascio di quantità di energia davvero enormi. I cosiddetti “bubbletron” (un gioco di parole sui “ciclotroni” utilizzati nei laboratori per accelerare le particelle per la ricerca fondamentale) sono esperimenti di fisica ad alta energia della natura, che creano condizioni energetiche mai più viste nell’universo. Una volta accelerate ai bordi delle bolle, le particelle possono scontrarsi tra loro e trasformarsi in una miriade di specie, inclusa potenzialmente la materia oscura, la misteriosa particella non ancora identificata che costituisce la maggior parte della massa cosmica.
Se ciò non bastasse, la collisione delle bolle potrebbe aver creato sacche di energia incredibilmente densa, abbastanza densa da formare spontaneamente buchi neri senza passare attraverso il consueto percorso di morte e collasso di una stella massiccia. Questi buchi neri “primordiali” potrebbero essere persistiti per tutti i successivi miliardi di anni, rendendoli anche un potenziale componente della materia oscura.
Tutte queste bolle sarebbero andate e venute in meno di un secondo, durante l’epoca di trasformazione che pose le basi fondamentali della fisica dell’universo. Quelle bolle non rimangono oggi, proprio come non rimangono bolle quando la pentola d’acqua ha finito di evaporare. Ma oltre a rimodellare e ridefinire il volto del giovane cosmo, potrebbero aver lasciato dietro di sé artefatti, indizi della loro effervescente esistenza.
Indizi su cosa è successo in quel primo secondo
Il primo potenziale artefatto si presenta sotto forma di stringhe cosmiche, che sono difetti nello spaziotempo rimasti quando bolle in espansione di fisica trasformativa si scontrano tra loro, lasciando dietro di sé una cicatrice permanente. Anche se le stringhe cosmiche devono ancora essere scoperte, gli astronomi stanno consapevolmente cercando prove nei cieli, poiché ci fornirebbero una memoria vivente del violento passato del nostro universo.
Il secondo artefatto è più sentito che visto. La violenta formazione, espansione e collisione di tutte quelle bolle ha scosso lo spaziotempo stesso, creando una rauca cacofonia di onde gravitazionali. Queste onde continuano a riverberarsi nell’universo moderno. Quando si formarono, queste onde erano abbastanza forti da farti letteralmente a pezzi attraverso la pura forza gravitazionale; eppure, negli eoni successivi, si sono indebolite al punto da riuscire a malapena a muovere un atomo.
Per fortuna, i fisici hanno ideato osservatori di onde gravitazionali estremamente precisi, per osservare le onde emesse dai buchi neri in collisione. I futuri osservatori spaziali, come il prossimo Osservatorio Big Bang, saranno progettati specificamente per cercare gli echi lasciati dai primi giorni dell’universo, comprese le onde gravitazionali emesse dalle bolle in collisione.
Chi avrebbe mai immaginato che, mentre l’inizio del tempo stesso potrebbe rimanere per sempre fuori dalla nostra portata, ciò che è accaduto dopo, specialmente nel primo tumultuoso secondo dopo il Big Bang, potrebbe essere compreso con la fisica di una pentola d’acqua bollente?
