La maggior parte delle persone oggi crede nella teoria del Big Bang quando si tratta delle origini del cosmo. Possiamo essere certi che l’universo abbia avuto un inizio? Ce lo spiega il cosmologo George Ellis.
La storia dell’universo comprende varie fasi. In tempi molto precoci, ha attraversato un periodo straordinariamente rapido di espansione accelerata quando è diventato enormemente più grande in brevissimo tempo; questo periodo lo chiamiamo inflazione. Alla fine dell’inflazione, tutta la materia e la radiazione erano diluite quasi a zero ma, poi, il campo che aveva causato l’inflazione decadde in materia molto calda e radiazione, continuando ad espandersi, ma a un ritmo più lento; quello fu l’inizio di quella che chiamiamo l’era del Big Bang. I processi fisici avvenuti durante quest’era sono ben compresi e tutti i cosmologi concordano su ciò che accadde allora.
Quello che non sappiamo è cosa accadde prima dell’inizio dell’inflazione. L’universo potrebbe o non potrebbe aver avuto un inizio nell’era pre-inflazionistica. I teoremi di singolarità sviluppati da Stephen Hawking non si applicano, perché è ora noto che le condizioni energetiche richieste non potevano essere soddisfatte in quel periodo pre-inflazionistico. Per riassumere: non sappiamo se l’universo abbia avuto un inizio, ma sappiamo che c’è stato un caldo Big Bang.
In entrambi i casi, l’universo esisterebbe da un tempo infinito. Questo è davvero problematico perché non potremmo mai dimostrarlo: non possiamo fare osservazioni adeguate per verificarlo.
L’ipotesi dell’inflazione è su un terreno solido o ci sono ragioni per metterla in dubbio?
Si trova su un terreno ragionevolmente robusto e ha un grande vantaggio: fornisce una teoria per l’origine delle fluttuazioni primordiali che in seguito si trasformeranno in galassie per instabilità gravitazionale. Non abbiamo nessun’altra teoria che lo faccia, e questa è la ragione principale per cui è accettata dalla maggior parte dei cosmologi.
Lo svantaggio è che (a) non abbiamo un solido candidato teoricamente fondato per l’inflazione – il campo che ha causato l’inflazione – che dia anche i giusti risultati osservativi, quindi, in effetti, non ha un solido collegamento con la fisica fondamentale. E (b) c’è una questione per lo più ignorata: cosa ha causato le presunte fluttuazioni quantistiche che hanno portato alla formazione della struttura?
Se l’universo non avesse avuto un inizio, ciò significherebbe presumibilmente che l’universo esiste da sempre, da una quantità di tempo infinita. Ma in precedenza hai detto che qualsiasi teoria che parli dell’infinito non è in realtà una teoria scientifica, poiché non c’è possibilità di dimostrare che esiste un’infinità di qualcosa. Quindi, se l’universo esiste da una quantità infinita di tempo, dove lascerebbe lo status scientifico della cosmologia?
Se l’universo non avesse avuto un inizio, potrebbe essere esistito per sempre con un tasso di espansione sempre più lento man mano che si torna indietro nel tempo ma senza mai raggiungere lo zero, oppure potrebbe essere collassato da un raggio molto ampio per poi aver ripreso ad espandersi.
In entrambi i casi, l’universo esisterebbe da un tempo infinito. Questo è davvero problematico perché non potremmo mai dimostrarlo: non abbiamo osservazioni rilevanti per verificarlo. Potrebbe tuttavia essere emerso da un’epoca molto precoce di natura attualmente sconosciuta, quando lo spazio e il tempo non esistevano.
Nessuna di queste possibilità influisce sullo status della cosmologia come scienza solida per lo studio di tutti i tempi dall’inizio dell’inflazione in poi. Questo sarebbe semplicemente un altro limite a ciò che la cosmologia può determinare, oltre al limite già imposto dal nostro orizzonte visivo: il limite è quanto indietro, nella storia dell’universo, possiamo vedere la materia (cioè, quando materia e radiazione si sono disaccoppiate l’una dall’altra quando l’universo si è raffreddato ed è diventato trasparente).
Qualsiasi teoria scientifica ha dei limiti alla sua applicabilità, e lo stesso vale per i nostri modelli cosmologici. È un buon modello nel suo campo di applicabilità.
La questione chiave per la cosmologia è che esiste un solo Universo. Questo lo rende diverso da tutte le altre scienze. Non possiamo rieseguire l’Universo e vedere cosa succede; non possiamo confrontarlo con altri universi
Fin dall’inizio, uno dei presupposti della cosmologia è stato il cosiddetto presupposto copernicano che dice che l’universo è lo stesso ovunque e obbedisce alle stesse leggi della natura. Come possiamo verificare se è così?
Questa è un’area in cui sono stati compiuti grandi progressi negli ultimi decenni: ci sono ora una serie di prove osservative del principio copernicano all’interno del nostro orizzonte visivo. Curiosamente, un recente articolo suggerisce che potrebbe esserci un problema a questo riguardo, qualcosa che metterebbe in discussione il modello standard della cosmologia. Ma il fatto che il principio copernicano possa essere messo in discussione da dati osservazionali mostra che è un principio verificabile!
Tuttavia, non ci sono indicazioni che le leggi della fisica siano diverse in qualsiasi parte dell’universo rispetto a qui: infatti lo spettro della radiazione cosmica di fondo, reliquia rimasta dall’era del caldo Big Bang, ha un esatto spettro di corpo nero, come determinato da Planck oltre un secolo fa, entro i limiti di osservazione dello spettro, ciò dimostra che sia la fisica quantistica che la fisica statistica erano le stesse allora come lo sono qui e ora. Le osservazioni di galassie e quasar estremamente distanti indicano la stessa cosa. Le leggi della natura sembrano affidabili ovunque.
Hai detto che i nostri modelli cosmologici non sono determinati dai dati che abbiamo a nostra disposizione. Cosa intendi con questo, e questo è un problema specifico della cosmologia o, come hanno sostenuto alcuni filosofi della scienza, qualcosa che è vero per tutte le teorie scientifiche?
La questione chiave per la cosmologia è che esiste un solo Universo. Questo lo rende diverso da tutte le altre scienze. Non possiamo rieseguire l’Universo e vedere cosa succede; non possiamo confrontarlo con altri universi; siamo bloccati nella nostra stessa Galassia e non possiamo andare da nessun altro punto di vista per vedere come appare l’Universo da lì, a causa della sua vasta scala. Tutto ciò con cui possiamo lavorare è un’immagine di ciò che è là fuori, a tutte le distanze, come si vede su una sfera bidimensionale (“il Cielo”).
Il nostro problema è determinare quanto sia lontano ciascuno degli oggetti che vediamo. E il punto è che vediamo quelli più distanti in tempi precedenti rispetto a quelli vicini, a causa dell’enorme tempo impiegato dalla luce per arrivare da lì. Allora le condizioni erano diverse. Come facciamo a sapere se stiamo vedendo una certa dimensione o luminosità perché sono a una certa distanza, o meglio perché le loro proprietà erano allora diverse? Ad esempio, metalli diversi nell’ambiente potrebbero modificare le curve di luminosità delle supernove. Questo problema è unico per la cosmologia.
Qual è la più grande crepa nel modello cosmologico standard così com’è attualmente che potrebbe finire per rovesciarlo?
Ci sono due questioni chiave: la possibile questione di anisotropia e il problema che i valori determinati per la velocità di espansione dell’Universo – la costante di Hubble – sembrano differire a seconda che la stimiamo attraverso osservazioni più locali o più distanti. Entrambi potrebbero indicare la necessità di un modello cosmologico più complesso rispetto al modello standard, uno con anisotropia o disomogeneità, contrariamente al modello standard.
Alla fine, la questione del perché l’universo abbia condizioni iniziali specifiche non è scientifica. È un problema metafisico con varie opzioni.
Ci sono sempre più voci che sostengono che, in assenza di prove dirette dell’esistenza della Materia Oscura e dell’Energia Oscura, dovremmo lasciarci alle spalle l’attuale modello cosmologico e adottare quello che è noto come MOND – un modello di dinamica newtoniana modificata. Cosa ne pensi di questo argomento?
È una proposta seria che deve essere considerata con attenzione. Ci sono problemi in quanto si tratta di un modello di tipo newtoniano, ma ci sono state analisi attente che suggeriscono che potrebbe essere corretto. MOND, però, merita ulteriori indagini e deve essere completamente sviluppato in un modello simile alla teoria della relatività generale di Einstein.
Una delle cose che lascia perplessi i cosmologi è il motivo per cui l’universo sembra essere giusto in termini di varie costanti cosmologiche per lo sviluppo della vita. Cosa pensi che spieghi meglio questa apparente messa a punto dell’universo?
Ebbene, la spiegazione scientifica standard è che viviamo in un multiverso con miliardi di domini dell’universo in espansione come quello in cui viviamo, ma con una fisica diversa in ciascuno di essi; in quel caso le cose andranno bene perché la vita esista in alcune di quelle bolle solo per caso, quindi dopo tutto diventa probabile.
Sono scettico al riguardo perché non è un’ipotesi verificabile osservativamente, non è chiaro quale meccanismo risulterà in una fisica diversa esistente in ciascuno di questi domini, se esistono, e in ogni caso, spinge solo l’apparente messa a punto di un livello : perché il multiverso è sintonizzato per essere giusto per la vita? Lo stesso problema si verifica a quel livello.
Alla fine, la questione del perché l’universo abbia condizioni iniziali specifiche non è scientifica. È un problema metafisico con varie opzioni.
Hai parlato dell’idea dell’evoluzione dell’universo. Che cosa vuoi dire con questo? Questo va oltre il dire che l’universo sta cambiando?
L’evoluzione dell’universo non ha nulla a che fare con l’evoluzione degli organismi e della selezione naturale. Il termine significa semplicemente che le proprietà dell’universo – le sue dimensioni (se ha una curvatura spaziale positiva), il tasso di espansione, la densità, la temperatura e così via – stanno cambiando nel tempo, in un modo che è aperto all’indagine scientifica. È come il modo in cui puoi parlare di una quercia che si evolve mentre cresce da una ghianda a un maestoso esemplare completamente sviluppato.
