BREVE STORIA DELL'UNIVERSO - Il recente caso mediatico di una teoria cosmologica non standard

Scrivere una breve storia del Cosmo è sicuramente una grande impresa, non tanto per la difficoltà della materia trattata, quanto per l'impossibilità di conoscerla nella realtà. È di queste ultime ore la notizia rimbalzata su molte testate di informazione scientifica, secondo la quale probabilmente l'Universo non ha mai avuto origine in un Big Bang, semplicemente perché è sempre esistito e forse esisterà per sempre. 

La notizia, data in questi giorni in modi e tonalità molto variegate, da quella più prudente e ponderata a quella più sensazionalistica, ha in effetti solidi fondamenti teorici, si basa su uno studio pubblicato su Physics Letters B da Ahmed Farag Ali del Centro per la Fisica Fondamentale di Gisa (Egitto) in collaborazione con Saurya Das del dip. di Fisica e Astronomia dell'Università di Alberta (Canada). Il lavoro, sicuramente interessante dal punto di vista scientifico, ha evidentemente colpito la fantasia di alcuni media che si sono lanciati con leggerezza in affermazioni inopportune e spesso fuorvianti. 

Schema del modello di Big Bang

Secondo lo studio dei due scienziati, rivisitando opportunamente in termini quantistici la preesistente teoria della relatività generale è possibile ottenere un modello di Friedmann quantistico in grado dare come soluzione un universo nel quale non c'è singolarità iniziale, quindi non c'è origine e soprattutto non c'è fine. Inoltre, secondo i due autori, il modello sembra avere un buon accordo (secondo noi non del tutto sufficiente) con i dati sperimentali osservativi.

Ma la notizia data dai media non è stata esattamente questa, a noi l'enfasi usata in alcuni casi sul web sembra davvero esagerata e poco etica. L'intenzione è ancora una volta quella di gettare acqua sul fuoco, cercando di dare ai lettori un quadro sufficientemente chiaro di cosa c'è effettivamente di nuovo sotto questo cielo.

BREVE STORIA DELL'UNIVERSO 

Una teoria fisica è un modello della realtà altamente raffinato che riesce a spiegare molte cose, ma non necessariamente tutto. Così quando Albert Einstein nel lontano 1917, due anni dopo aver pubblicato la teoria della relatività generale, affrontò la soluzione del problema cosmologico, sapeva solo che:

- Tempo e spazio formano lo spazio-tempo.

- Lo spazio-tempo è incurvato dalla massa;

- L'Universo contiene massa, quindi è globalmente incurvato.

- Esiste una densità critica di materia oltre alla quale l’Universo si incurverebbe tanto da richiudersi su se stesso. 

  Ovviamente Einstein all'epoca aveva la necessità di determinare con precisione il valore della densità critica di materia dal quale dipende il destino finale dell'Universo. Dopo innumerevoli tentativi, il modello proposto fu quello di un universo statico, omogeneo e isotropo. Per riuscire ad ottenere il modello che sarà chiamato dello stato stazionario, Einstein si basò sulle osservazioni astronomiche dell'epoca introducendo un termine detto cosmologico, ora noto col nome di costante cosmologica lambda. Nel 1922 Friedmann notò che eliminando la costante cosmologica dal modello di Einstein l’Universo cessava di essere stazionario, ma si espandeva con curvature decrescenti nel tempo per effetto della diminuzione di densità di materia. L'espansione aveva come effetto di far allontanare le galassie a causa della dilatazione dello spazio esistente tra ciascuna galassia e le altre. Una perfetta spiegazione per il buio della notte (paradosso di Olbers) che altrimenti per l'intensità della luce emessa dalla moltitudine di stelle e galassie esistenti in ogni direzione dello sguardo, avrebbe dovuto essere non buia ma luminosa più del Sole. Invece così la lunghezza d’onda della luce emessa delle stelle crescendo, stirandosi per dilatazione dello spazio, fa uscire dal visibile la luce delle galassie troppo lontane.

  Lemaître propose nel 1927 lo scenario di un’esplosione iniziale, ripresa poi negli anni 40 da G.Gamow per ipotizzare che idrogeno, elio, deuterio e litio si siano formati nei primi istanti di vita del cosmo. Fino a quel momento nessuna osservazione aveva permesso di ottenere conferme delle ipotesi fatte.

 Due anni dopo, nel 1929, Hubble scoprì che la radiazione dello spettro delle galassie aveva uno spostamento verso il rosso proporzionale alla distanza della galassia dall'osservatore, un particolare effetto cosmologico nel quale sorgente e osservatore si allontanano l'uno dall'altro pur rimanendo fermi per effetto dell'espansione prevista da Friedmann e Lemaître. In questo caso la lunghezza d'onda della radiazione che li connette è inesorabilmente trascinata verso il rosso. Secondo Lemaître un resto di quell'immane esplosione doveva pur essere rimasto, in effetti nel 1965, solo un anno prima della morte di Lemaître, viene casualmente scoperta una debole radiazione isotropa nell'intervallo delle microonde, un segnale proveniente dal fondo cosmico registrabile solo con una sensibilissima antenna. La radiazione di fondo aveva un massimo di intensità alla lunghezza d'onda di 0.2 cm alla temperatura di corpo nero di 2.7 kelvin. La comunità scientifica esultò e suppose che fosse proprio ciò che in quell'epoca si stava cercando: il residuo della radiazione prodotta nel Big Bang, una radiazione fossile prodotta dall'immane esplosione dal quale l'Universo ha avuto origine.

 Nei primi anni 80, Alan Guth propose una modifica al modello classico del Big Bang. Il modello inflazionario prevedeva dopo un tempo di dieci alla meno trentacinque secondi dal Big Bang, una rapida espansione detta inflazione, in grado di far aumentare in un tempo di dieci alla meno trentadue le dimensioni dell'universo di un fattore dieci alla cinquanta. Secondo Guth, prima dell’inflazione l'Universo era così piccolo che le galassie che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali potevano trovarsi in contatto causa-effetto, dopo l'inflazione l’evoluzione di ciascun universo è poi proseguita secondo la teoria classica del Big Bang. Secondo la teoria, la causa dell’inflazione è stata la rapida diversificazione delle forze fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, debole e nucleare forte a partire da un’unica forza fondamentale primordiale. Infatti alle altissime temperature e densità dei primi istanti di vita dell’Universo si pensa che tutte le forze siano unificate.

  Successivamente, Andrei Linde propose una modifica al modello inflazionario di Guth. L’inflazione caotica prevede infatti che l’Universo si separi in differenti pezzi isolati per effetto di un tipo particolare di materia che produce gravità negativa, quindi repulsiva. Ciascuno dei pezzi può ripetere il processo di inflazione in modo completamente casuale producendo nuovi universi disconnessi dal nostro. Nel 1982 Linde e altri proposero una versione nella quale il processo di inflazione ha un inizio e una fine. Il modello prevede che l’universo primordiale fosse disomogeneo in accordo con le osservazioni fatte sulla radiazione di fondo. 

Simulazione al computer della distribuzione di materia in un universo inflazionario

  L’inflazione richiede che la massa dell’Universo sia tale da rendere l’universo chiuso ed euclideo con una densità superiore ad un valore critico di sei per dieci alla meno trenta grammi su centimetro cubo. Le osservazioni strumentali non evidenziano invece abbastanza massa nell'universo per giustificare il modello inflazionario: manca il 90% della materia (problema della massa mancante), la stessa percentuale di massa mancante che invece si manifesta gravitazionalmente nel meccanismo di rotazione rigida delle galassie intorno al proprio asse.

  Lanciata nel Giugno 2001, WMAP è volata in prossimità del punto Lagrangiano L2, a 1.5 milioni di chilometri dal calore e dalle interferenze elettromagnetiche terrestri. Da lì ha monitorato la radiazione di fondo cosmico prodotta 380.000 anni dopo quel che ormai ci siamo abituati a chiamare Big Bang. L'analisi sperimentale dei dati ha dimostrato che la lunghezza d’onda della radiazione emessa ha subito uno spostamento verso il rosso di un fattore 1.100, portandosi nella regione spettrale delle microonde. Sulla base dei dati lo spazio è quindi euclideo come predetto dalla teoria dell’inflazione. Le galassie si estendono infinitamente oltre l’orizzonte visibile. Oltre alla materia barionica visibile, 4.4%, deve esistere il 95.6% di materia sconosciuta. I neutrini non superano lo 0.76% della massa dell’universo con una massa di riposo non superiore ai 0.23 eV. La costante di Hubble misurata è 71 km /(s Mpc) con un errore di più o meno quattro unità. Con precisione del 2%, l’età dell’universo è di 13.7 miliardi di anni. Così WMAP ha potuto per la prima volta discriminare i modelli inflazionari, anche se non con qualche piccola polemica sulla calibratura dei suoi strumenti, sulla base dei dati sperimentali il modello favorito prevede fluttuazioni quantistiche casuali in un universo primordiale caldo, gli altri modelli devono essere rifiutati.

  Nel 2013 il sonda Planck Surveyor ha compiuto una ulteriore e più accurata mappatura della radiazione termica di fondo confermando i precedenti risultati di WMAP. Quella ottenuta da Planck è un'immagine sensazionale.

Mappatura delle disomogeneità del fondo cosrmico (universo primordiale)
ottenuta dagli strumenti di Planck

Il 17 marzo 2014, John Kovac e Chao-Lin Kuo dell’Università di Harvard (Boston), presentarono le prove osservative che l’universo dopo il Big Bang ha subito un'inflazione (qui il nostro articolo). Sono le evidenze osservative che improvvisamente trasformano quella che fino ad allora era stata solo un'ipotesi in una teoria verificata. Anche secondo Andrej Linde e Alan Guth, questa sarebbe la prova definitiva che la teoria dell'inflazione eterna e caotica, non quindi un'esplosione unica, il classico Bing Bang per intenderci, o un'inflazione ordinata come la prima teoria inflazionaria prevedeva, ma una drammatica dilatazione iniziale avvenuta a velocità superiori a quella della luce è alla base della teoria dell'universo a bolle, che oltre ad aver generato il nostro universo, verosimilmente ha generato infiniti altri universi. L'energia oscura e la materia oscura sarebbero solo alcune delle componenti che agiscono in questo fenomeno, qualcuno pensa che siano gli effetti gravitazionali di materia nascosta in extra-dimensioni o di condensati di materia collassata ma nessuna prova si è ancora avuta.

  BICEP2 ha potuto osservare per la prima volta l'esistenza nel fondo cosmico di evidenti segni del passaggio di onde gravitazionali prodotte durante la fase di formazione del nostro universo (qui nostro articolo). Si può quindi affermare con sicurezza che l'analisi dei dati in nostro possesso è perfettamente compatibile con una teoria del multiverso dove il nostro universo è eterno e non ha avuto una vera e propria unica origine (tipo Big Bang) ma ha continuamente possibilità di produrre nuovi universi. Inoltre la perfezione cosmica di alcune leggi fisiche, atte a favorire la nascita della vita sul nostro pianeta, ma probabilmente anche su altri pianeti, spingerebbe ad obbligarci a scegliere tra la teoria probabilistica del multiverso (inflazione caotica) e la teoria dell'universo progettato apposta, nota anche con il termine di principio antropico. Alberto Masani, mio professore di Astrofisica, nel 77, prima della pubblicazione del modello inflazionario, sosteneva che se proprio uno avesse voluto prendere in considerazione il principio antropico, avrebbe potuto, ma avrebbe dovuto far molta attenzione a rimanere in ambito scientifico lasciando stare la fede. Quindi se escludiamo la fede, la teoria dell'inflazione caotica ha buona possibilità di essere corretta perché se uno di questi universi ha probabilisticamente i numeri giusti per ospitare la vita, ovviamente quello è il nostro, in quanto al suo interno ci siamo noi ad osservarlo.

 Che l'universo abbia avuto o meno un inizio, probabilmente materia ed energia non avranno mai una fine, facendo così assomigliare il modello sempre di più a quello dello stato stazionario di Fred Hoyle, considerato oggi un modello non standard.

Possibile aspetto di un multiverso

Guth, Linde e altri hanno osservato che se venisse confermata la compatibilità tra il modello a bolle e i dati osservativi sperimentali, allora deve essere vera anche la teoria del multiverso, in quanto modelli teorici inflazionari caotici privi di multiverso sarebbero difficilmente realizzabili e credibili.


IL MODELLO DI ALÌ - DAS 

  Penso che sia chiaro che solo ulteriori risultati osservativi e sperimentali possano permetterci di raggiungere verosimilmente la convinzione che una teoria sia vera, tuttavia nessuno può impedire a nessuno di pensare e provare ulteriori soluzioni e modelli di universo, proprio quello che hanno fatto Alì e Das.

Modello di universo di Alì - Das

  Quando si parla di Meccanica Quantistica (QM) pochi sanno che si parla dell'interpretazione di Copenhagen, quella più comune e ortodossa, la stessa versione delle cose a cui lo stesso de Broglie e anche Einstein non credevano. Lo stesso Feynman nello sviluppare il concetto di diagramma per il calcolo delle probabilità di transizione di una particella da uno stato ad un altro stato, ha sviluppato un metodo estraneo alla (QM) che tiene conto dei differenti modi di transizione (cammini) e delle differenti probabilità che una particella ha nel seguirli. Un metodo che sviluppato nella Quantum Electrodynamics (QED) gli è valso il Nobel nel 1965.

 Oltre alla QED esistono differenti treorie e interpretazioni della meccanica quantistica chiamate in generale teorie quantistiche, tra queste c'è quella di de Broglie - Bohm, attualmente considerata da alcuni una interpretazione non standard e sicuramente non fondamentale, nella quale le particelle sono enti materiali governati da una funzione d'onda quantistica che ne guida il moto (onda pilota). L'onda, ottenuta tramite un potenziale quantistico, determina le proprietà quantistiche della materia lasciando però sopravvivere le proprietà materiali e locali della particella. Bohm fu il primo a utilizzare invece il concetto di traiettoria quantistica, una sovrapposizione probabilistica dei cammini che una particella può compiere per passare da un punto ad un altro dello spazio-tempo, proprio lo stesso metodo che Alì e Das hanno applicato ora rimpiazzando le geodetiche classiche dello spazio-tempo per correggere quantisticamente l'equazione di Raychaudhuri.

  Così opportunamente modificata, l'equazione ha permesso loro di ottenere come soluzione un'equazione di Friedmann del secondo ordine, contenente due termini correttivi inaspettati: il primo interpretabile come costante cosmologica ha proprio il valore corretto del valore osservato, il secondo è un termine di radiazione che elimina la singolarità iniziale, quindi elimina la necessità di un Big Bang esplosivo iniziale, peraltro in questi termini già eliminato nel modello di universo a bolle, predicendo così per il nostro universo un'età infinita.

 Il successo scientifico di un modello o di una teoria fisica, al di là dell'indubbio valore filosofico e accademico di qualunque lavoro, dipende dal potenziale di predizione, quindi da quanto si adatta alla realtà fisica del mondo senza entrare in conflitto con i principi generali stabilizzati. Da questo punto di vista la soluzione ottenuta da Alì e Das è estremamente interessante, primo perché utilizzando l'interpretazione di de Broglie - Bohm, apre la strada a nuovi sviluppi futuri del metodo di calcolo, eliminando la consuetudine di far percorrere alla luce sempre la traiettoria geodetica, poi perché sembra adattarsi alle caratteristiche conosciute del nostro universo, senza però confutare quanto già conosciamo. Solo un tassello in più da inserire nel puzzle della breve storia dell'universo, ma non è certo per questa nuova idea che da oggi l'universo è cambiato. Forse somiglia solo un po' di più agli universi stazionari di Einstein e Hoyle anche se il problema dell'origine della materia primordiale, del red-shift cosmologico e dell'unificazione delle forze rimane. Sarà l'analisi di compatibilità con i dati osservativi che decreterà la bontà o meno dell'idea.