Riccardo Righi
5. Oltre il modello standard
In questa parte della relazione presento aggiunte e variazioni al modello standard proposte per risolvere alcuni problemi posti dalle osservazioni. Il modello standard evita questi problemi assumendo che all’inizio l’universo abbia avuto condizioni iniziali molto particolari, ma non riesce a spiegare l’origine di tali condizioni. Occorre tener presente che, a differenza di quanto fin qui esposto, che è supportato da solide basi osservative, le prossime ipotesi sono ancora in buona parte, se non completamente, altamente speculative.
Problemi del modello standard
Nella scienza risulta poco accettabile ipotizzare che un sistema fisico possieda condizioni iniziali molto specifiche, a meno che tali condizioni non siano spiegabili con delle leggi di evoluzione del sistema o con considerazioni probabilistiche. Se si accetta il modello standard, l’universo deve aver avuto sin dall’inizio condizioni molto particolari e la specificità di tali condizioni ha fatto sorgere tre problemi non ancora completamente risolti.
Il problema dell’orizzonte è legato al fatto che la radiazione di fondo risulta essere omogenea (come sappiamo a meno di una parte su diecimila) in ogni direzione. Quindi l’universo primordiale doveva essere omogeneo a qualunque scala di distanze, anche a scale superiori alla distanza che la luce poteva aver percorso nel tempo trascorso dall’inizio dell’universo. Un sistema fisico può raggiungere l’omogeneità solo se le parti che lo compongono entrano in interazione tra loro (si pensi alla miscelazione di due liquidi), ma le interazioni, per la teoria della relatività di Einstein, non possono viaggiare più veloci della luce. Perciò l’omogeneità dell’universo primordiale non può essere spiegata a meno di assumere che l’universo sia stato omogeneo fin dall’inizio (cosa estremamente improbabile).
Il problema della piattezza riguarda il dato osservativo ottenuto dal satellite WMAP che la geometria del nostro universo è molto vicina ad essere piatta e quindi che la densità di massa/energia deve essere molto vicina al valore critico. Oggi la densità della materia (ordinaria e oscura), come abbiamo già visto, è circa il 30% del valore critico, ma nel passato tale valore doveva essere molto più vicino al valore critico, tanto vicino da differirne di meno di una parte su un milione di miliardi nei primi secondi dopo il big bang. Come è possibile che il valore fosse così vicino al valore critico pur essendo diverso da tale valore?
Il problema delle disomogeneità riguarda l’esistenza delle disomogeneità nella radiazione di fondo, di cui abbiamo parlato e che sono la causa della formazione delle strutture (galassie, ecc.). Come si sono originate tali piccolissime disomogeneità (meno di una parte su diecimila)?
Inflazione
Per rispondere a questi quesiti negli anni ‘80 è stato proposto uno scenario che può essere aggiunto al modello standard, integrandolo. Tale scenario, detto modello inflazionario, viene oggi accettato dalla maggioranza dei cosmologi e ha a suo favore diverse, anche se non decisive, conferme osservative.
Secondo questo modello, avanzato per la prima volta da Alan Guth nel 1980, nei primi istanti di vita dell’universo lo spazio privo di materia si trovava in uno stato di falso vuoto (ricordo che in fisica quantistica il vuoto è definito come lo stato di energia minima dello spazio; un falso vuoto è uno stato di energia superiore al valore minimo pur essendo privo di materia). L’energia dello stato di falso vuoto aumenta con l’aumentare del volume dello spazio e possiede gli stessi effetti dell’energia oscura e della costante cosmologica di cui si è parlato,
cioè provoca un’espansione dello spazio stesso. Perciò nei primi istanti dopo il big bang (tra 10-35 e 10-32 secondi)
l’universo avrebbe subito un’espansione accelerata (chiamata inflazione) aumentando le sue dimensioni di 1028
volte (per avere un’idea di questo aumento, è come se lo spazio occupato da un atomo improvvisamente si estendesse fino ad occupare una sfera di raggio 50 volte maggiore della distanza che ci separa dalla stella più vicina al Sole). Al termine di questa fase si ebbe un passaggio dallo stato di falso vuoto a quello di vero vuoto e l’eccesso di energia si convertì nella materia che noi osserviamo oggi.
Con questo scenario si riescono a spiegare tutti e tre i problemi esposti sopra e si rendono molto più generiche le condizioni iniziali dell’universo, che però mantengono particolarità non ancora spiegate.
Multiverso
Una conseguenza non prevista ma inevitabile dell’inflazione è ciò che viene chiamato multiverso. Le teorie fisiche alla base del modello inflazionario comportano che il fenomeno dell’inflazione non possa avvenire contemporaneamente in tutto lo spazio. Si avrebbe invece la formazione di “bolle” di vero vuoto immerse in un “mare” di falso vuoto in inflazione eterna (la figura a fianco può rendere un’idea); tali bolle, pur espandendosi, non riuscirebbero a fondersi perché il falso vuoto in cui sono immerse si espande più velocemente: il loro destino è quello di rimanere per sempre isolate le une dalle altre.
L’universo osservabile sarebbe contenuto all’interno di una di queste “bolle” (Linde, Steinhardt, Albrecht nel 1981) mentre le altre “bolle” conterrebbero universi differenti che potrebbero avere condizioni iniziali e leggi fisiche completamente diverse dal nostro. L’insieme di questi universi eternamente separati formerebbe il
multiverso.
Questa variazione del modello inflazionario, seppur obbligata dalle leggi che spiegano l’inflazione, risulta particolarmente audace se si considera che non ne esistono per ora conferme osservative e che risulta molto difficile pensare quali potrebbero essere queste conferme. Ha a suo favore però la soluzione del problema della particolarità delle condizioni iniziali dell’universo: ogni bolla avrebbe condizioni iniziali del tutto casuali e noi ci ritroviamo a vivere casualmente in una bolla che ha le speciali condizioni iniziali che osserviamo.
Qual è l’origine dell’universo?
Questa domanda occupa il pensiero umano da sempre. La cosmologia moderna non può ancora dare una risposta, tuttavia ha reso possibile tentare di formulare ipotesi scientifiche.
Molto probabilmente la risposta finale si avrà solo quando si riuscirà a formulare una coerente cosmologia quantistica, cioè una cosmologia che riesca a fondere armoniosamente la relatività generale che è alla base della cosmologia moderna con la meccanica quantistica che riesce a spiegare il mondo microscopico. Poiché l’universo nei primi istanti di vita aveva dimensioni comparabili con quelle atomiche, non è possibile capirne l’origine senza introdurre nella cosmologia la fisica quantistica. Purtroppo l’unione tra le due grandi teorie della fisica moderna è
ancora molto lontana e i tentativi fatti di creare una cosmologia quantistica sono per ora approssimazioni grossolane. In ogni caso esse portano ad avere un’idea di ciò che è possibile.
Ricordo qui tre delle possibilità che gli scienziati hanno ipotizzato negli ultimi decenni:
l’universo è una fluttuazione quantistica del vuoto (Edward Tryon, 1973): per il principio di
indeterminazione di Heisenberg le grandezze fisiche non hanno valori determinati ma possono subire variazioni (fluttuazioni) casuali. L’esistenza della massa-energia dell’universo potrebbe originarsi come fluttuazione casuale a partire dall’energia minima del vuoto;
l’universo si è originato dal nulla (Alexander Vilenkin, 1982): così come una particella subatomica può
uscire da una “scatola” cha la contiene a causa di quello che si chiama effetto tunnel, l’universo nello stato di falso vuoto può originarsi per effetto tunnel dal nulla (occorre qui tenere distinti i concetti di vuoto e di nulla: il vuoto è uno spazio privo di materia che si trova nello stato di minima energia; il nulla è il nulla, l’assenza sia di materia che di spazio);
l’universo non ha un’origine nel tempo ma è senza confini temporali nel passato (Stephen Hawking,
1983). Possiamo capire quest’idea con un’analogia: sappiamo tutti che il punto più a nord della Terra è il polo nord, ma non esiste alcun confine al polo nord. La domanda qual è l’origine dell’universo non avrebbe senso così come non ha senso dire cosa c’è più a nord del polo nord (per un’immagine visiva si veda la figura qui sotto).
Universo ciclico
Esiste un’altra possibile risposta alla domanda “qual è l’origine dell’universo?”: l’universo non ha origine perché è sempre esistito. Ma come si coniuga questa risposta con il modello del big bang che ha così tante prove a suo favore? Semplicemente ipotizzando che il big bang si ripeta infinite volte.
Fin dagli anni ‘30 è stata proposta l’idea che l’universo possa essere ciclico, cioè possa attraversare un periodo di evoluzione che si ripete all’infinito (si teneva presente la possibilità che l’universo in espansione possa in futuro contrarsi così come indicato da uno dei modelli di Friedmann). Quest’idea si è rafforzata a partire dagli anni ‘90 con gli ulteriori tentativi di creare una cosmologia
quantistica nati grazie alla teoria delle stringhe. Alla base di questi tentativi vi è l’ipotesi che la materia non sia comprimibile in un punto (singolarità), ma che a dimensioni estremamente piccole (a quella che viene chiamata la scala di Planck) esistano leggi non ancora note che impediscano il formarsi di una singolarità. Il big bang non sarebbe quindi l’inizio di tutto, ma solo un punto di passaggio nella vita dell’universo (si veda la figura a fianco).
I primi modelli ciclici sono stati confutati dai dati ottenuti dalle osservazioni, ma nel 2001 Steinhardt e Turok, fidandosi della validità non ancora dimostrata della teoria delle stringhe, avanzarono un modello ciclico differente che hanno chiamato modello ecpirotico (il termine si rifà all’idea stoica dell’origine del mondo a partire dal fuoco).
Secondo tale modello l’universo possiede 10 dimensioni spaziali, tre delle quali sono le dimensioni di cui abbiamo esperienza (lunghezza, larghezza e profondità). Nell’universo a 10 dimensioni esistono due parti (“brane”) a tre dimensioni, parallele e separate tra loro da una distanza piccolissima in una delle altre sette dimensioni spaziali non osservabili. Noi e tutto ciò che vediamo ci troviamo in una delle due brane e non possiamo allontanarci da essa (come degli esseri che fossero costretti a vivere sulla superficie di una sfera non potrebbero allontanarsi dalla superficie della sfera). Le due brane sono in espansione, manifestando tutte le caratteristiche che presenterebbe un universo originatosi da un big bang. Ma periodicamente le due brane si avvicinano, si urtano e si riportano alla distanza di partenza. Nell’urto si ha la conversione dell’enorme energia di movimento delle due brane in materia che si “crea” nelle due brane. L’istante dell’urto corrisponde al momento della nascita dell’universo secondo la teoria del big bang.
Questo modello, secondo gli autori, rende conto di tutti i dati osservati finora ma si discosta dal modello del big bang per ciò che è avvenuto nei primissimi istanti. La radiazione di fondo potrebbe contenere delle tracce che permetterebbero di distinguere quale tra i due modelli è quello corretto, ma la sensibilità degli strumenti attuali non è ancora abbastanza alta da rilevarle.
Conclusione
Spero di essere riuscito a dare alcune indicazioni utili sullo stato attuale e sulle prospettive future della cosmologia moderna. Come scienza la cosmologia è relativamente giovane e ha ancora molta strada da fare, ma negli ultimi decenni ha raggiunto la piena maturità. È in grado di dare risposte a domande che si riteneva ricadessero per sempre nell’ambito della filosofia o della teologia. Riesce ad affascinare il grande pubblico e a stimolare il lavoro dei ricercatori. È diventata fondamentale per la fisica di base, dal momento che per verificare le nuove teorie le energie necessarie sono così grandi da poterle trovare solo nei primi istanti dopo il big bang. Lo stato attuale delle conoscenze cosmologiche è ancora limitato, ma sicuramente il futuro ci permetterà di superarne i confini.
Bibliografia
Introduzioni generali e storiche:
S. Singh – “Big Bang” – Rizzoli – 2004
S. Bergia – “Dialogo sul sistema dell’universo” – McGraw-Hill – 2002
S. Bergia – “Dal cosmo immutabile all’universo in evoluzione” – Bollati Boringhieri – 1995
M. Rees – Prima dell’inizio – Raffaello Cortina – 1998
Testi epistemologici:
S. Bergia – “Problemi fondazionali e metodologici in cosmologia” in “Filosofia della Fisica” – Bruno
Mondadori – 1997
Formazione dei nuclei atomici:
S. Weinberg – “I primi tre minuti” – Mondadori – 1977
Massa ed energia oscura:
L. Krauss – “Il mistero della massa mancante nell’universo” – Raffaello Cortina – 2000
Cosmologia quantistica:
S. Hawking – “Dal big bang ai buchi neri” – Rizzoli - 1988
Modello inflazionario:
A. Vilenkin – “Un solo mondo o infiniti?” – Raffaello Cortina – 2007
Modello ecpirotico:
P. Steinhardt, N. Turok – “Universo senza fine” – il Saggiatore – 2008
Testi universitari:
F. Lucchin – “Introduzione alla cosmologia” – Zanichelli – 1998
Le immagini allegate sono state prese da Internet e dalla rivista “Le Scienze”, che nel corso degli anni ha pubblicato numerosissimi articoli, divulgativi ma approfonditi, di cosmologia.
Ne riporto qui sotto un elenco personale:
autore titolo rivista
Vera Rubin La materia oscura nelle galassie a spirale Le Scienze 180, 1983 Silk – Szalay – Zel’dhovic La struttura su grande scala dell’universo Le Scienze 184, 1983
Guth – Steinhardt L’universo inflazionario Le Scienze 191, 1984
Krauss, Lawrence La materia oscura dell’universo Le Scienze 222, 1987
Johnathan Hallywell La cosmologia quantistica e l’origine dell’universo Le Scienze 282, 1992
Hogan, Craig J. L’idrogeno primordiale e il big bang Le Scienze 342, 1997
Pietronero - Montuori - Sylos Labini La struttura frattale dell’universo Le Scienze 354, 1998 Bucher – Spergel L’inflazione in un universo a bassa densità Le Scienze 367, 1999
Krauss, Lawrence L’antigravità cosmologica Le Scienze 367, 1999
Caldwell – Kamionkowski Echi del big bang Le Scienze 391, 2001
Ostriker – Steinhardt La quinta forza dell’universo Le Scienze 391, 2001
Magueijo, Joao Idee alternative per il cosmo Le Scienze 391, 2001
Tegmark, Max Universi paralleli Le Scienze 418, 2003
Hu – White Sinfonia cosmica Le Scienze 427, 2004
Veneziano, Gabriele Prima del Big bang Le Scienze 429, 2004
Lineweaver – Davis Piccoli equivoci sul big bang Le Scienze 440, 2005
Barrow – Webb Costanti incostanti Le Scienze 444, 2005
Matarrese – Melchiorri – Riotto L’impronta del big bang Le Scienze 461, 2007 Carroll, Sean Le origini cosmiche della freccia del tempo Le Scienze 480, 2008
Bojowald, Martin L’universo che rimbalza Le Scienze 484, 2008
Clifton – Ferreira Energia oscura: esiste veramente Le Scienze 490, 2009