L’inizio dell’universo

Se chiedi a qualcuno dell’origine di un fenomeno che abbiamo osservato, di solito si rivolge allo stesso processo di pensiero logico: causa ed effetto.

Ogni volta che vedi accadere qualcosa, questo è l’effetto. I processi che si sono verificati in precedenza e hanno portato al verificarsi dell’effetto sono ciò che in genere chiamiamo causa: la ragione per cui si verifica l’effetto.

La maggior parte di noi è perfettamente disposta a estrapolare i fenomeni che vediamo indietro nel tempo in una catena ininterrotta di eventi causa-effetto.

Per molto tempo, questa immagine è stata supportata dalla nozione classica del Big Bang, che sembrava implicare che l’Universo nascesse da una singolarità: uno stato infinitamente caldo e denso da cui sono emersi lo spazio e il tempo stessi.

Ma sappiamo da molti decenni che il Big Bang è stato l’inizio di molte cose importanti – il nostro “Universo come lo conosciamo“, se vuoi – ma non dello spazio e del tempo stessi.

Il Big Bang è stato solo un altro effetto, e pensiamo di sapere cosa l’abbia causato. Questo riapre la domanda se l’Universo abbia avuto un inizio, e la risposta finora è che non ne siamo sicuri.

Inizio dell’universo tra Big Bang ed inflazione

Il Big Bang, in origine, era un’idea che tentava di spiegare l’Universo che osserviamo sulla base di due prove:

1. la validità dimostrata della nostra attuale teoria della gravità, della relatività generale, e
2. il fatto osservato che più una galassia è distante da noi, in media, maggiore è la quantità di luce che sembrava essere “spostata verso il rosso” prima di arrivare ai nostri occhi.

La Relatività Generale, quasi immediatamente dopo essere stata concepita, ha mostrato di implicare alcune conseguenze inevitabili. Uno di questi era che l’Universo non poteva essere riempito in modo uniforme di materia e rimanere stabile; un Universo statico e pieno di materia collasserebbe inevitabilmente in un buco nero.

Una seconda era che un Universo riempito in modo uniforme, non solo di materia ma di qualsiasi tipo di energia, si sarebbe espanso o contratto secondo un particolare insieme di regole fisiche.

E in terzo luogo, che quando l’Universo si espande o si contrae, anche la lunghezza d’onda di qualsiasi onda (incluse le onde di de Broglie, per le particelle di materia) si dovrebbe espandere o contrarre della stessa identica quantità proporzionale.

Mettere insieme queste informazioni ha portato a una possibilità fenomenale. Più un oggetto è distante da noi, più tempo impiega la luce che emette per raggiungere i nostri occhi. Se l’Universo si sta espandendo mentre la luce lo attraversa, allora più tempo impiega la luce emessa per completare il viaggio verso i nostri occhi, maggiore è la quantità di lunghezza d’onda della luce che si allungherà a causa dell’espansione dell’Universo.

E più lontano guardiamo, più indietro nel tempo vediamo. Alla massima distanza di tutti, stiamo vedendo l’Universo com’era:

• nel passato,
• quando era più piccolo, più denso e si espandeva più velocemente,
• e quando era in uno stato più uniforme, meno grumoso.

La prima persona a rendersene conto fu Georges Lemaître, nel lontano 1927. Riunì alcuni primi dati sulla determinazione della distanza di Edwin Hubble con le osservazioni spettroscopiche di Vesto Slipher che mostravano la luce spostata verso il rosso proveniente da galassie lontane, e concluse che l’Universo doveva essere in espandensione.

Inoltre, se oggi l’universo si sta raffreddando, sta diventando più grande e meno denso, allora deve essere stato più caldo, più piccolo e più denso in passato. Lemaître lo ha immediatamente estrapolato per quanto ha potuto: a temperature e densità infinite ed a una dimensione infinitesimale. Ha chiamato questo stato iniziale “atomo primordiale” e ha notato che lo spazio e il tempo potrebbero essere emersi da uno stato di non esistenza da una singolarità proprio all’inizio.

C’è una grande differenza, tuttavia, tra identificare un possibile inizio per il nostro Universo e scoprire le prove necessarie per discernere tra questa possibilità e tutte le altre. Non è stato fino agli anni ’40 che George Gamow ha scoperto le previsioni chiave di questo scenario del “Big Bang”:

1. ci sarebbe una rete cosmica in crescita nel tempo, preceduta da un’era primitiva senza galassie o stelle: un’era cosmica oscura,
2. che prima dell’età oscura, l’Universo sarebbe stato così caldo che gli atomi neutri non si sarebbero potuti formare, e quindi quando l’Universo si sarà raffreddato abbastanza, dovremmo vedere quel fondo di radiazione residuo – ora solo pochi gradi sopra lo zero assoluto – con un particolare, spettro del corpo nero,
3. e che anche prima, le temperature e le densità avrebbero dovuto consentire la fusione nucleare, il che significa che dovremmo avere un mix di idrogeno, elio e altri elementi leggeri e isotopi che potrebbero essere calcolati con precisione usando la fisica nucleare.

Sebbene, al momento, ci sia un forte supporto da tutte e tre le firme osservabili, la proverbiale pistola fumante per il Big Bang arrivò a metà degli anni ’60, quando gli scienziati dei Bell Labs Arno Penzias e Bob Wilson scoprirono che tutto il cielo brilla a soli ~ 3 K: quella che inizialmente era chiamata la “sfera di fuoco primordiale” (in un cenno a Lemaître) e quella che oggi è conosciuta come il Fondo Cosmico a Microonde.

Anche se le prove a sostegno del Big Bang (e in conflitto con tutte le alternative, come Tired Light, Plasma Cosmology e Steady-State Universe) stavano crescendo negli anni ’60 e ’70, sono emersi anche alcuni enigmi.

Nella scienza, un puzzle non assume sempre la forma di “abbiamo visto questa cosa che non ci aspettavamo e che non possiamo spiegare”, ma a volte assume la forma inversa di “abbiamo calcolato qualcosa che ci aspettavamo avrebbe dovuto essere lì, ma quando abbiamo guardato, non c’era”. I tre grandi enigmi emersi all’indomani della diffusa accettazione del Big Bang erano i seguenti.

Il problema del monopolio: se l’Universo si è riscaldato arbitrariamente in passato, dovrebbero esserci ancora relitti ad alta energia di quello stato primitivo nel nostro Universo, ma nessuno è mai stato osservato.

Il problema dell’orizzonte: se l’Universo è iniziato da uno stato estremamente caldo e denso, allora dovrebbe esserci un limite superiore alla dimensione delle strutture e alla scala di uniformità nell’Universo, ma le scale osservate di entrambi sono più grandi dei limiti previsti.

Il problema della planarità: supponendo che l’Universo sia nato con una certa densità e un certo tasso di espansione, quei tassi devono bilanciarsi perfettamente per evitare che l’Universo collassi immediatamente o si espanda nell’oblio totale e vuoto, ma non c’è spiegazione per questo perfetto equilibrio.

Quando abbiamo una serie di enigmi come questi, ci sono solo due modi ragionevoli per affrontarli in un contesto scientifico.

Uno è fare appello alle condizioni iniziali: l’Universo è semplicemente “nato” con le proprietà che osserviamo avere, e non ci sono ulteriori spiegazioni. Questa linea di pensiero a volte si applica, come nel caso del nostro Sistema Solare. Proprio come tutti i ~10²⁴ sistemi stellari nell’Universo osservabile, il nostro è nato da una protostella con una nebulosa e un disco attorno, che ha poi generato pianeti, asteroidi e corpi esterni congelati, ghiacciati, portando al sistema che noi abitiamo oggi.

Molte possibilità porteranno, inevitabilmente, ad alcuni risultati a bassa probabilità, come l’emergere di una vita intelligente, su alcuni di essi.

Ma questo approccio si basa sul fatto che ci sia un gran numero di possibili risultati, tutti con le proprie probabilità, e un gran numero di possibilità che tali risultati si verifichino.

L’altro approccio è spesso più fruttuoso: cercare un meccanismo che possa impostare e dare origine alle condizioni iniziali che abbiamo osservato. Un tale meccanismo deve affrontare la triplice sfida di riprodurre tutti i successi della teoria che sta tentando di superare, di spiegare i problemi o gli enigmi che la teoria prevalente non può e di fare previsioni verificabili che sono diverse dall’idea preesistente.

Poco più di 40 anni fa, era proprio questo che tentava di fare l’idea dell’inflazione cosmica.

Lanciata da Alan Guth e altri (tra cui Alexei Starobinskii, Andrei Linde, Paul Steinhardt e Andy Albrecht), l’inflazione postulava che ci fosse stata un’epoca nell’Universo prima del Big Bang caldo in cui lo spazio si è espanso in modo diverso da come si espande oggi.

In un Universo pieno di cose, il tasso di espansione è direttamente proporzionale alla densità di energia di quella “roba”, qualunque essa sia. Quindi questo significa che se il tuo Universo è pieno di:

• materia, il tasso di espansione diminuisce all’aumentare del volume dell’Universo, poiché la densità di energia della materia è il numero di particelle diviso per il volume che occupano,
• radiazione, il tasso di espansione diminuisce ulteriormente rispetto alla materia, poiché la densità di energia della radiazione è il numero di particelle diviso per il loro volume occupante diviso per la loro lunghezza d’onda, che si estende man mano che l’Universo si espande,
• o un campo quantistico inerente allo spazio, allora sia la velocità di espansione che la densità di energia rimangono costanti, poiché lo spazio (ed i campi presenti al suo interno) non possono “diluirsi” mentre l’Universo si espande.

Questa era la grande idea dietro l’inflazione: che l’Universo fosse dominato da una qualche forma di energia inerente allo spazio, che subisse un periodo di espansione esponenziale e che quando il campo quantistico dietro l’inflazione decadde in materia e radiazione, l’inflazione arrivò a una fine e l’Universo si “riscaldò” e si crearono le condizioni che identifichiamo con il caldo Big Bang.

Questa possibile soluzione era geniale, ma funziona? Ci sono voluti un notevole lavoro teorico per modificare l’idea originale e promettente di Guth fino a riprodurre i successi del Big Bang.

È stato subito chiaro come risolveva i problemi di monopolio, orizzonte e planarità: l’Universo ha raggiunto una temperatura massima al termine dell’inflazione, prevenendo le patologie del “problema del monopolo”, l’Universo ha un’uniformità e una struttura su scala maggiore del previsto perché l’inflazione ha “allungato” varie regioni dello spazio a scale più grandi del tradizionale orizzonte cosmico (non inflazionistico), e l’Universo è piatto, oggi, perché la dinamica dell’inflazione ha determinato sia la densità di energia iniziale che il tasso di espansione iniziale.

Inoltre, sono state fatte quattro nuove previsioni sull’inflazione cosmica in cui le previsioni differivano dal Big Bang caldo, e durante gli anni ’90, ’00 e ’10, tutte e quattro sono state testate.

1. L’Universo raggiunge una temperatura massima di ordini di grandezza inferiore alla scala di Planck.
2. L’Universo possiede uno spettro iniziale di fluttuazioni in cui le fluttuazioni sono leggermente più forti su grandi scale rispetto a quelle piccole.
3. L’Universo nasce con imperfezioni che in natura sono 100% adiabatiche e 0% isocurvatura.
4. E l’Universo dovrebbe possedere fluttuazioni super-orizzonte, esibendo strutture su scale cosmiche che superano la distanza che la luce potrebbe aver percorso dal Big Bang.

Tutte e quattro queste previsioni sono state ora verificate e l’inflazione, rispetto al caldo Big Bang non inflazionistico, è 4 su 4 nei suoi successi.

Allora, da dove viene l’inflazione?

Nel 2003 è stato pubblicato un teorema – il teorema di Borde-Guth-Vilenkin (BGV) – che ha mostrato che l’inflazione dello spaziotempo è ciò che chiamiamo “incompleto simile a un tempo passato“, il che significa che l’inflazione non può descrivere un “inizio” dell’Universo.

Ma questo non significa necessariamente che l’Universo abbia avuto un inizio non inflazionistico; implica solo che se l’inflazione non fosse uno stato eterno, deve essere sorta da uno stato precedente che, forse, ha avuto un inizio (è anche incerto se il teorema BGV si applicherà a una teoria della gravità completamente quantistica).

Se l’inflazione derivava da uno stato preesistente, allora com’era quello stato? Usando le regole della teoria quantistica dei campi che attualmente comprendiamo, potrebbe essere sorta da uno spaziotempo non inflazionistico con una condizione molto simile a un vuoto di Bunch-Davies, e poi ha dato origine allo stato inflazionistico che ha creato il Big Bang caldo.

In teoria ci sono molte incertezze, molte incognite e molte possibilità ammissibili.

Sia sperimentalmente che osservativamente, tuttavia, non ci sono informazioni accessibili a noi, qui, nel nostro Universo visibile, che ci permettano di determinare come è sorta l’inflazione, o anche se l’inflazione ci sia effettivamente stata.

Infatti, a causa dell’incessante espansione dell’Universo durante l’inflazione, si può prendere una regione piccola quanto la lunghezza di Planck su tutti i lati – la dimensione più piccola possibile alla quale le leggi della fisica hanno senso – e quella regione si sarà allungata di più rispetto all’Universo attualmente osservabile in meno di ~10 ^-32 secondi.

Da un punto di vista osservativo, questa frazione di secondo finale di inflazione è l’unico intervallo che ha modo di imprimersi nel nostro Universo.

Tutto ciò che è accaduto prima, comprese le fasi precedenti dell’inflazione, l’inizio dell’inflazione (se ce n’è stata una), o qualunque cosa sia avvenuta in precedenza, è stata spazzata via dal nostro Universo dalla dinamica dell’inflazione stessa.

Il Big Bang non è stato l’inizio del tempo e dello spazio, e nemmeno l’inflazione cosmica, che lo ha preceduto, può essere l’inizio, a meno che non sia andata avanti per l’eternità.

Dopo un secolo di rivoluzioni cosmiche, siamo di nuovo al punto di partenza: incapaci di rispondere alla domanda più fondamentale che possiamo porci, “come è iniziato tutto?”