L’inizio di tutto sembra più vicino

Sappiamo molto bene che per poter andare a “scrutare” cosa sia avvenuto immediatamente dopo il Big Bang è necessario introdurre la fisica quantistica (Red ne ha parlato magistralmente ed è un vero esperto).

Ricercatori della Penn University hanno ideato un nuovo modello cosmologico relativo ai primi istanti di vita del Cosmo. Attraverso di esso sembra che si riesca a spiegare perfettamente ciò che è successo non solo nei momenti iniziali ma anche dopo, quando la fisica “normale” ha cominciato a saper descrivere i vari fenomeni. Insomma, una zona di contatto dove poter andare a  “testare”, con i nostri mezzi attuali, le previsioni e le discordanze.

Il nuovo “paradigma” descrive, in parole non certo semplici, la geometria dello spazio-tempo attraverso la meccanica quantistica. Cerchiamo, allora, di volare molto basso, anche a costo di essere eccessivamente approssimativi e un po’ inesatti.

Subito dopo il Big Bang, l’Universo era talmente compresso che la sua densità era al di là dei limiti che permettono l’applicazione della teoria della relatività di Einstein. Non perché questa sia sbagliata, ma perché non può entrare in una zona fuori dai suoi confini. La dinamica che regola i moti della fisica di Einstein usa altre leggi e altre condizioni al contorno. E’ come se mi ostinassi a voler osservare sulla Terra (dotata di atmosfera) una mela e un palla di piombo che cadono insieme dalla Torre di Pisa. Non potrei mai riuscirci, non perché non sia una verità fisica, ma perché la legge dei gravi deve essere modificata.

La dinamica dei primi istanti dell’Universo si basa sulla meccanica (studio dei movimenti) che possono essere descritti solo da leggi quantistiche. O, al più, da una teoria della relatività che incorpori anche situazioni che vadano oltre i suoi limiti, limiti ben compresi anche da Einstein.

Basti pensare che la densità della materia era dell’ordine di 10⁹⁴ g/cm³. La densità di un nucleo atomico (ciò che per noi è praticamente la cosa più densa osservabile in natura) è solo di 10¹⁴ g/cm³. Non fatevi ingannare dagli esponenti che sembrano entrambi grandi: tra un valore e l’altro vi sono ben 80 ordini di grandezza!

Provate a prendere una tavoletta di legno lunga un metro. Bene, pensate a quanto diventerebbe se l’aumentassimo di 80 ordini di grandezza. Dopo 3 ordini saremmo già al chilometro (10³ m =1 km), dopo 8 arriveremmo vicini al Sole. Dopo 15 la “tavoletta” sarebbe lunga un anno luce. Dopo 22 raggiungerebbe il miliardo di anni luce e, toccando i 25 ordini di grandezza, avrebbe   attraversato tutto l’Universo Osservabile. Ne rimangono altri 55 per arrivare fino a 80 ordini di grandezza… Niente male, vero? Altro che stelle di neutroni!

In quel mondo ultradenso si può parlare solo di probabilità di un evento e non esistono certezze. Le caratteristiche fisiche dei suoi “abitanti” sono completamente diverse da quelle che la teoria della relatività riesce a descrivere.  Gli esperimenti del CERN cercano di dargli una sbirciatina per pochi brevissimi istanti. Tra queste diversità potrebbe esserci benissimo anche il concetto di tempo, di cui spesso si parla fino a cadere nella fantascienza.

Le osservazioni dell’Universo non possono ancora aiutarci: niente e nessuno è riuscito a giungere così indietro nel tempo e così lontano. Però, non poi così estremamente lontano. Le prime osservazioni in nostro possesso si riferiscono, infatti, a 380 000 anni dopo il Big Bang. E’ l’epoca della radiazione cosmica di fondo, dove in pratica comincia l’Universo descrivibile con la fisica “normale” o quasi. 380 000 anni, tanto e poco nello stesso tempo. Tra il Big Bang e quel momento così importante per la nostra limitata visione del Cosmo deve essere successo qualcosa di veramente strano: l’inflazione, ossia una crescita rapidissima ed enorme dello spazio-tempo. Deve essere successo se no non si saprebbe come poter passare dalle densità iniziali a quelle già intuibili nella radiazione cosmica di fondo. 380 000 anni dopo il Big Bang l’Universo era diluito a tal punto da poter essere analizzato con le leggi della dinamica di Einstein.

Già prima dell’inflazione, comunque, la densità doveva essere scesa di parecchio: almeno mille miliardi di volte più bassa dell’inizio. Ah…dimenticavo, l’inizio dell’inflazione sarebbe avvenuta intorno a 10^-37 secondi dopo il Bing Bang… (un’enormità, lascio a voi i conti) e sarebbe finita sicuramente intorno ai 10^-33, più o meno.

Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo ci mostrano un Universo omogeneo, a parte qualche addensamento qua e là. La teoria di Einstein non può studiare queste anomalie e si deve fermare e considerare il tutto omogeneo, pur sapendo che non lo è. Il modello che tiene conto dell’inflazione è nato proprio per riuscire a spiegare in qualche modo quella distribuzione di densità non omogenea. La fisica di Einstein deve accettare certe assunzioni per tornare indietro fino a un Big Bang formatosi dove prima non vi era niente. In parole molto povere, da 0 a 380 000 anni, si muove a occhio, senza capire più di tanto, ma costruendosi un modello empirico e non giustificabile con le leggi della fisica normale.

Il nuovo modello della Penn University cerca, invece, di studiare proprio quel periodo di tempo mediante leggi diverse basate sulla meccanica quantistica. Uno dei requisiti base è che il Big Bang non sia nato dal niente, ma da una massa supercompressa, stato finale di un Universo precedente. Il Cosmo sarebbe allora una serie periodica di Big Bang e di Big Crunch, una massa-energia che da sempre e per sempre continua a espandersi e a ripiombare in uno spazio praticamente nullo, dove la densità è quella introdotta all’inizio.

Senza scendere nei dettagli, praticamente inspiegabili, il bello della nuova teoria è che le sue leggi si riescono a combinare abbastanza bene con quelle relativistiche. In altre parole, ciò che si trova dopo l’inflazione va d’accordo con le osservazioni descrivibili con la nostra fisica. In realtà le due fisiche esistevano ed  esistono entrambe, ma l’Universo odierno può anche mettere da parte la teoria dei quanti senza avere grossi problemi.

In particolare, le irregolarità della radiazione di fondo sarebbero veramente i “semi” che avrebbero dato luogo alle strutture a grande scala dell’Universo di oggi. Esse si creerebbero perfettamente attraverso l’evoluzione delle fluttuazioni nello spazio-tempo previste nei primi istanti dopo il Big Bang. Fluttuazioni descrivibili con le leggi “strane” e non relativistiche del modello della Penn University.

In termini più “umani”, una foto di un bimbo appena nato permetterebbe di riprodurre perfettamente l’aspetto che avrebbe a 100 anni di età.  La grande unificazione delle teorie, quantistica e relativistica? E’ troppo presto per dirlo e per sperarlo veramente. Einstein si starà girando nella tomba e vorrebbe tornare al mondo per dare una mano… e che mano!

Ciò che è più importante, e che dona una luce particolarmente interessante al nuovo “paradigma”, è che esso mostra alcune discordanze tra la teoria inflazionaria accettata attualmente e quella “teorica”. Ossia, vi sono effetti che con le future missioni osservative si potrebbero verificare direttamente. Un biglietto da visita molto serio: non una teoria come tante che alla fine dicono chiaramente che niente di osservabile potrebbe verificarle, ma un qualcosa alla portata della tecnologia futura. Un bellissimo atto di serietà professionale. Ad Einstein, che di previsioni ne ha fatte tante (e tutte verificate), sarebbe piaciuto moltissimo.

Chissà mai che non sia la volta buona!

Per chi avesse voglia di divertirsi (Red per primo) la versione originale è qui (niente versione internet per adesso). Per ulteriori chiarimenti sui quanti, lascio la parola al nostro “quanto” personale… Eh eh eh…

Ivan Agullo, Abhay Ashtekar, and William Nelson. Quantum gravity extension of the inflationary scenario. Physical Review Letters, December 11, 2012

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