Non ci sono prove dell’esistenza di un Universo prima del Big Bang

Uno dei più grandi successi scientifici del secolo scorso è stata la teoria del Big Bang caldo: l’idea che l’Universo, così come lo osserviamo ed esistiamo al suo interno oggi, sia emerso da un passato più caldo, più denso, più uniforme.

Originariamente proposto come una seria alternativa ad alcune delle spiegazioni più tradizionali per l’Universo in espansione, è stato sorprendentemente confermato a metà degli anni ’60 con la scoperta della “palla di fuoco primordiale” rimasta da quello stato iniziale, caldo e denso: oggi conosciuto come Fondo Cosmico a Microonde.

Da più di 50 anni, quella del Big Bang è la teoria più accettata per descrivere le nostre origini cosmiche, con un primo periodo inflazionistico che lo precede e lo prepara. Sia l’inflazione cosmica che il Big Bang sono stati continuamente sfidati da astronomi e astrofisici, ma le alternative sono cadute ogni volta che sono arrivate nuove osservazioni critiche. I successi del Big Bang. Contrariamente a molti anni di titoli e alle continue affermazioni di Penrose, per ora non abbiamo visto alcuna prova dell’esistenza di “un Universo prima del Big Bang“.

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Le fluttuazioni quantistiche inerenti allo spazio, estese attraverso l’Universo durante l’inflazione cosmica, hanno dato origine alle fluttuazioni di densità impresse nel fondo cosmico a microonde, che a loro volta hanno dato origine alle stelle, alle galassie e ad altre strutture su larga scala nell’Universo di oggi. Questa è la migliore immagine che abbiamo di come si comporta l’intero Universo, dove l’inflazione precede e crea il Big Bang. ( Crediti : E. Siegel; ESA/Planck e la task force interagenzia DOE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)

Il Big Bang è comunemente presentato come se fosse l’inizio di tutto: lo spazio, il tempo e l’origine della materia e dell’energia. Da un certo punto di vista arcaico, questo ha senso. Se l’Universo che vediamo oggi si sta espandendo e sta diventando meno denso, significa che in passato era più piccolo e più denso. Se la radiazione – cose come i fotoni – era presente in quell’Universo, allora la lunghezza d’onda di quella radiazione si allungherà man mano che l’Universo si espande, il che significa che si è raffreddato col passare del tempo e che, quindi, era più caldo in passato.

Ad un certo punto, se estrapoli abbastanza indietro, otterrai densità, temperature ed energie così grandi da creare le condizioni per una singolarità. Se le tue scale di distanza sono troppo piccole, le tue scale temporali sono troppo brevi o le tue scale di energia sono troppo alte, le leggi della fisica cessano di avere senso. Se facciamo scorrere l’orologio indietro di circa 13,8 miliardi di anni verso il mitico segno “0”, quelle leggi della fisica si infrangono in un tempo di ~ 10^-43 secondi: il tempo di Planck.

Se questa fosse una rappresentazione accurata dell’Universo – che iniziò caldo e denso e poi si espanse e si raffreddò – ci aspetteremmo che si verifichi un gran numero di transizioni nella nostra storia passata.

  • Tutte le possibili particelle e antiparticelle verrebbero create in gran numero, con l’eccesso che si annichilerebbe in radiazione quando l’universo diventa troppo freddo per crearle continuamente.
  • Le simmetrie elettrodeboli e di Higgs si rompono quando l’Universo si raffredda al di sotto dell’energia alla quale quelle simmetrie vengono ripristinate, creando quattro forze fondamentali e particelle con masse a riposo diverse da zero.
  • Quark e gluoni si condensano per formare particelle composite come protoni e neutroni.
  • I neutrini smettono di interagire in modo efficiente con le particelle sopravvissute.
  • Protoni e neutroni si fondono per formare i nuclei leggeri: deuterio, elio-3, elio-4 e litio-7.
  • La gravità lavora per comprimere le regioni troppo dense, mentre la pressione di radiazione lavora per espanderle quando diventano troppo dense, creando una serie di impronte oscillatorie dipendenti dalla scala.
  • E circa 380.000 anni dopo il Big Bang, diventa abbastanza freddo da formare atomi neutri e stabili senza che si disgreghino all’istante.

Quando si verifica quest’ultima fase, i fotoni che permeano l’Universo, che in precedenza si erano dispersi dagli elettroni liberi, viaggiano semplicemente in linea retta, allungandosi in lunghezza d’onda e diluendosi in numero man mano che l’Universo si espande.

Questo fondo di radiazione cosmica fu rilevato per la prima volta a metà degli anni ’60, catapultando il Big Bang da una delle poche opzioni praticabili per l’origine del nostro Universo all’unica coerente con i dati. Mentre la maggior parte degli astronomi e degli astrofisici ha immediatamente accettato il Big Bang, i più forti sostenitori della principale teoria alternativa dello stato stazionario – persone come Fred Hoyle – hanno escogitato contese progressivamente sempre più assurde per difendere la loro idea screditata di fronte a dati schiaccianti.

Ma ogni idea fallì in modo spettacolare. Non poteva essere la stanca luce delle stelle. Né luce riflessa, né polvere che si scaldava e si irradiava. Ogni spiegazione che è stata tentata è stata confutata dai dati: lo spettro di questo bagliore cosmico era un corpo nero troppo perfetto, troppo uguale in tutte le direzioni e troppo non correlato con la materia nell’Universo per allinearsi con queste spiegazioni alternative. Mentre il Big Bang diventava parte del consenso, vale a dire un ragionevole punto di partenza per la scienza futura, Hoyle ed i suoi alleati ideologici lavorarono per frenare il progresso della scienza sostenendo alternative scientificamente insostenibili.

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La luce effettiva del Sole (curva gialla, a sinistra) rispetto a un corpo nero perfetto (in grigio), che mostra che il Sole è più una serie di corpi neri a causa dello spessore della sua fotosfera; a destra c’è l’effettivo corpo nero perfetto della CMB misurato dal satellite COBE. Si noti che le “barre di errore” sulla destra sono un incredibile 400 sigma. L’accordo tra teoria e osservazione qui è storico e il picco dello spettro osservato determina la temperatura residua del fondo cosmico a microonde: 2,73 K. ( Crediti : Sch/Wikimedia Commons (L); COBE/FIRAS, NASA/JPL-Caltech (R))

Alla fine, la scienza è andata avanti mentre i contrari sono diventati sempre più irrilevanti, con il loro lavoro banalmente errato che svaniva nell’oscurità e il loro programma di ricerca alla fine cessava.

Nel frattempo, dagli anni ’60 fino agli anni 2000, le scienze dell’astronomia e dell’astrofisica – e in particolare il sottocampo della cosmologia, che si concentra sulla storia, la crescita, l’evoluzione e il destino dell’Universo – sono cresciute in modo spettacolare.

  • Abbiamo mappato la struttura su larga scala dell’Universo, scoprendo una grande rete cosmica.
  • Abbiamo scoperto come le galassie sono cresciute e si sono evolute e come le loro popolazioni stellari al loro interno sono cambiate nel tempo.
  • Abbiamo appreso che tutte le forme conosciute di materia ed energia nell’Universo non sono sufficienti per spiegare tutto ciò che osserviamo: sono necessarie una qualche forma di materia oscura e una qualche forma di energia oscura.

E siamo stati in grado di verificare ulteriormente le previsioni della teoria del Big Bang, come le abbondanze previste degli elementi leggeri, la presenza di una popolazione di neutrini primordiali e la scoperta di imperfezioni di densità esattamente del tipo necessario per crescere nella struttura di scala dell’Universo che osserviamo oggi.

L’Universo non solo si espande in modo uniforme, ma ha al suo interno minuscole imperfezioni di densità, che consentono di formare stelle, galassie e ammassi di galassie col passare del tempo. L’aggiunta di disomogeneità di densità su uno sfondo omogeneo è il punto di partenza per capire come appare l’Universo oggi. ( Crediti : EM Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)

Allo stesso tempo, c’erano osservazioni che erano senza dubbio vere, ma che il Big Bang non aveva alcun potere predittivo da spiegare. L’Universo avrebbe raggiunto queste temperature e queste energie arbitrariamente elevate nei primi tempi, eppure non ci sono resti esotici che possiamo vedere oggi: nessun monopolo magnetico, nessuna particella della grande unificazione, nessun difetto topologico, ecc. Teoricamente, deve esserci qualcos’altro al di là di ciò che è noto per spiegare l’Universo che vediamo.

L’Universo, per esistere con le proprietà che vediamo, deve essere nato con un tasso di espansione molto specifico: uno che bilanciasse esattamente la densità di energia totale, a più di 50 cifre significative. Il Big Bang non ha alcuna spiegazione del perché questo dovrebbe essere il caso.

E l’unico modo in cui diverse regioni dello spazio avrebbero la stessa identica temperatura è se sono in equilibrio termico: se hanno il tempo di interagire e scambiare energia. Eppure l’Universo è troppo grande e si è espanso in modo tale da avere molte regioni causalmente disconnesse. Anche alla velocità della luce, quelle interazioni non avrebbero potuto aver luogo.

Il bagliore residuo del Big Bang, il CMB, non è uniforme, ma presenta minuscole imperfezioni e fluttuazioni di temperatura sulla scala di poche centinaia di microkelvin. Mentre questo gioca un ruolo importante negli ultimi tempi, dopo la crescita gravitazionale, è importante ricordare che l’Universo primordiale, e l’Universo su larga scala oggi, è disomogeneo solo a un livello inferiore allo 0,01%. Planck ha rilevato e misurato queste fluttuazioni con una precisione migliore che mai. ( Credito : ESA e la collaborazione Planck)

Ciò rappresenta una sfida tremenda per la cosmologia e per la scienza in generale. Nella scienza, quando vediamo alcuni fenomeni che le nostre teorie non possono spiegare, abbiamo due opzioni.

  • Possiamo tentare di escogitare un meccanismo teorico per spiegare quei fenomeni, mantenendo contemporaneamente tutti i successi della teoria precedente e facendo nuove previsioni che sono distinte dalle previsioni della teoria precedente.
  • Oppure possiamo semplicemente presumere che non ci sia alcuna spiegazione e che l’Universo sia semplicemente nato con le proprietà necessarie per darci l’Universo che osserviamo.

Solo il primo approccio ha valore scientifico, e quindi è quello che va provato, anche se non dà frutti. Il meccanismo teorico di maggior successo per l’estensione del Big Bang è stata l’inflazione cosmica, che ha stabilito una fase prima del Big Bang in cui l’Universo si è espanso in modo esponenziale: dilatandolo piatto, conferendogli le stesse proprietà ovunque, facendo corrispondere il tasso di espansione con la densità di energia, eliminando qualsiasi precedente reliquia ad alta energia e facendo la nuova previsione delle fluttuazioni quantistiche – che portano a un tipo specifico di fluttuazioni di densità e temperatura – sovrapposte a un Universo altrimenti uniforme.

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Nel pannello superiore, il nostro Universo moderno ha le stesse proprietà (inclusa la temperatura) ovunque perché ha avuto origine da una regione che possiede le stesse proprietà. Nel pannello centrale, lo spazio che avrebbe potuto avere qualsiasi curvatura arbitraria è gonfiato al punto in cui oggi non possiamo osservare alcuna curvatura, risolvendo il problema della planarità. E nel pannello inferiore, le reliquie ad alta energia preesistenti vengono gonfiate, fornendo una soluzione al problema delle reliquie ad alta energia. È così che l’inflazione risolve i tre grandi enigmi che il Big Bang non può spiegare da solo. ( Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Sebbene l’inflazione, come il Big Bang prima di essa, abbia avuto un gran numero di detrattori, riesce dove tutte le alternative falliscono. Risolve il problema della “graziosa uscita”, in cui un Universo in espansione esponenziale può passare a un Universo pieno di materia e radiazioni che si espande in un modo che corrisponde alle nostre osservazioni, il che significa che può riprodurre tutti i successi del caldo Big Bang. Impone un’interruzione energetica, eliminando qualsiasi reliquia ad altissima energia. Crea un Universo uniforme ad un livello enormemente elevato, dove il tasso di espansione e la densità di energia totale corrispondono perfettamente.

E fa nuove previsioni sui tipi di struttura e sulle fluttuazioni iniziali di temperatura e densità che dovrebbero apparire, previsioni che successivamente sono state confermate come corrette dalle osservazioni. Le previsioni sull’inflazione sono state in gran parte prese in giro negli anni ’80, mentre le prove osservative che l’hanno convalidata sono arrivate negli ultimi circa 30 anni. Sebbene le alternative abbondano, nessuna ha lo stesso successo dell’inflazione.

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Sebbene si preveda che molti universi indipendenti vengano creati in uno spaziotempo in espansione, l’inflazione non finisce mai ovunque in una volta, ma piuttosto solo in aree distinte e indipendenti separate dallo spazio che continua a gonfiarsi. Ecco da dove viene la motivazione scientifica per un Multiverso, e perché due Universi non si scontreranno mai. Semplicemente non ci sono abbastanza universi creati dall’inflazione per contenere ogni possibile risultato quantistico a causa delle interazioni delle particelle all’interno di un singolo universo. ( Credito : Ozytive/Pubblico dominio)

Sfortunatamente, il premio Nobel Roger Penrose, sebbene il suo lavoro sulla relatività generale, i buchi neri e le singolarità negli anni ’60 e ’70 fosse assolutamente degno di un Nobel, ha speso gran parte dei suoi sforzi negli ultimi anni in una crociata per rovesciare l’inflazione: promuovendo un’alternativa di gran lunga scientificamente inferiore, la sua idea preferita di una cosmologia ciclica conforme, o CCC.

La più grande differenza predittiva è che il CCC richiede praticamente che un’impronta dell'”Universo prima del Big Bang” si mostri sia nella struttura su larga scala dell’Universo che nello sfondo cosmico a microonde: il bagliore residuo del Big Bang. Al contrario, l’inflazione esige che ovunque l’inflazione finisca e sorga un caldo Big Bang, deve essere causalmente disconnesso e non può interagire con alcuna regione precedente, attuale o futura. Il nostro Universo esiste con proprietà che sono indipendenti da qualsiasi altro.

Le osservazioni – prima da COBE e WMAP e, più recentemente, da Planck – pongono definitivamente vincoli enormemente stretti (ai limiti dei dati esistenti) su tali strutture. Non ci sono lividi nel nostro Universo; nessun modello ripetuto; nessun cerchio concentrico di fluttuazioni irregolari; nessun punto Hawking. Quando si analizzano correttamente i dati, è assolutamente chiaro che l’inflazione è coerente con i dati, e il CCC chiaramente non lo è.

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Per circa un decennio, Roger Penrose ha propagandato affermazioni estremamente dubbie secondo cui l’Universo mostra prove di una varietà di caratteristiche come cerchi concentrici a bassa variazione di temperatura, che derivano da dinamiche impresse prima del Big Bang. Queste caratteristiche non sono robuste e non sono sufficienti per fornire supporto alle affermazioni di Penrose. ( Crediti : VG Gurzadyan & R. Penrose, Eur. J. Phys. Plus, 2013)

Anche se, proprio come Hoyle, Penrose non è solo nelle sue affermazioni, i dati sono opposti in modo schiacciante a ciò che sostiene. Le previsioni che ha fatto sono confutate dai dati e le sue affermazioni di vedere questi effetti sono riproducibili solo se si analizzano i dati in modo scientificamente errato e illegittimo. Centinaia di scienziati lo hanno fatto notare a Penrose – ripetutamente e costantemente per un periodo di oltre 10 anni – che continua a ignorare il campo e ad andare avanti con le sue affermazioni.

Come molti prima di lui, sembra essersi così innamorato delle proprie idee che non guarda più alla realtà per testarle responsabilmente. Eppure questi test esistono, i dati critici sono pubblicamente disponibili e Penrose non solo ha torto, è banalmente facile dimostrare che le caratteristiche che sostiene dovrebbero essere presenti nell’Universo non esistono.

Mentre dovremmo lodare la creatività di Penrose e celebrare il suo lavoro innovativo e degno di un Nobel, dobbiamo guardarci dall’impulso di deificare qualsiasi grande scienziato o dal lavoro in cui si impegnano che non è supportato dai dati. Alla fine, indipendentemente dalla celebrità o dalla fama, spetta all’Universo stesso discernere per noi cosa è reale e cosa è semplicemente un’ipotesi infondata, e per noi seguire l’esempio dell’Universo, indipendentemente da dove ci porti.

Scritto da Ethan Siegel.

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