Monday, 19 Nov 2018

Polemica Cosmica

di Stefania de Luca per Reccom Magazine

Negli ultimi mesi sulle riviste scientifiche è scoppiato un dibattito molto acceso sulla teoria dell’inflazione cosmica. Nel numero di febbraio di Scientific American, i fisici teorici Anna Ijjas e Paul Steinhardt di Princeton e  Abraham Loeb di Harvard, hanno pubblicato un articolo sostenendo che la teoria dell’inflazione non è verificabile, e quindi non veramente scientifica. Sottolineiamo il fatto che i tre fisici teorici sopra menzionati non rappresentano ‘tutta’ la comunità scientifica, ma solo una piccola parte.

In breve nel loro articolo i tre teorici affermano che:

  • Le ultime misure della radiazione cosmica di fondo (CMB), la luce più antica dell’universo, sollevano preoccupazioni circa la teoria inflazionaria del cosmo – l’idea per cui lo spazio si è espanso in modo esponenziale nei primi momenti dopo il Big Bang
  • Inflazione produce tipicamente un diverso modello di variazione di temperatura nella CMB (anche se può essere fatto per prevedere quasi qualsiasi risultato).  Genererebbe anche onde gravitazionali primordiali, che non sono mai state rivelate
  • la cosmologia inflazionistica, come noi oggi la intendiamo, non può essere valutata con il metodo scientifico. Il risultato atteso di inflazione può facilmente cambiare se variamo le condizioni iniziali, modificare la forma della curva di densità di energia inflazionistica, o semplicemente notare che conduce alla inflazione eterna e multimess (l’inflazione produce genericamente un multiverso “multimess” dei risultati – letteralmente un numero infinito di patch con una varietà infinita di possibilità – e non v’è attualmente alcun criterio per preferire una possibilità piuttosto che un’ altra). Individualmente e collettivamente, queste caratteristiche rendono l’inflazione così flessibile, che nessun esperimento potrà mai confutarla.
  • I dati suggeriscono che i  cosmologi dovrebbero rivalutare questo paradigma e prendere in considerazione nuove idee su come l’universo abbia avuto inizio

Questo articolo ha indotto 33 fisici, fra cui Stephen Hawking, 4 premi Nobel e una Medaglia Fields , a mettere i loro nomi nella risposta per difendere il rigore empirico dei modelli inflazionari. Nomi eccellenti fra i quali Alan Guth, Andrei Linde, Sean Carroll, Juan Maldacena, Martin Rees, Leonard Susskind, Steven Weinberg, Rainer Weiss, Franck Wilczek, per dirne alcuni. In breve qualche punto essenziale dell articolo in risposta ad Ijjas, Steinhardt e Loeb (IS&L):

Non v’è alcun dubbio sul fatto che l’inflazione è diventata il paradigma dominante in cosmologia. Molti scienziati provenienti da tutto il mondo hanno lavorato sodo per anni studiando modelli di inflazione cosmica e confrontando queste previsioni con osservazioni empiriche. Secondo la banca dati fisica delle alte energie INSPIRE, oggi ci sono più di 14.000 carte nella letteratura scientifica, scritte da oltre 9.000 scienziati distinti, che utilizzano la parola “inflazione” o “inflazionistica” nei loro titoli o abstract. Sostenendo che la cosmologia inflazionistica si trova al di fuori del metodo scientifico, IS & L stanno respingendo non solo la ricerca di  tutti gli autori di questa lettera ma anche quella di un contingente consistente della comunità scientifica. Inoltre,  siccome il lavoro di alcune importanti collaborazioni internazionali ha chiarito, l’inflazione non è solo verificabile, ma è stata sottoposta ad un numero significativo di prove e finora le ha superate tutte. (../)

I modelli inflazionistici standard prevedono che l’universo dovrebbe avere una densità di massa critica (cioè, dovrebbe essere geometricamente piatto), e prevede anche le proprietà statistiche delle increspature deboli che noi rileviamo nella radiazione cosmica di fondo (CMB). In primo luogo, le increspature dovrebbero essere quasi “scala-invariante”, nel senso che esse hanno quasi la stessa intensità a tutte le scale angolari. In secondo luogo, le increspature dovrebbero essere “adiabatiche”, il che significa che le perturbazioni sono le stesse in tutti i componenti: la materia ordinaria, le radiazioni e materia oscura, tutte fluttuano insieme. In terzo luogo, essi dovrebbero essere “gaussiani”, che è una dimostrazione sui modelli statistici di regioni relativamente chiare e scure. Quarto ed ultimo, i modelli fanno anche  previsioni per gli schemi di polarizzazione della CMB, che possono essere suddivisi in due classi, chiamate E-mode e B-mode. Le previsioni per E-mode sono molto simili per tutti i modelli inflazionistici standard, mentre i livelli di B-mode, che sono una misura della radiazione gravitazionale nell’universo primordiale, variano in modo significativo all’interno della classe di modelli standard.

Il fatto notevole è che, a partire dai risultati del satellite Cobe (COBE) nel 1992, numerosi esperimenti hanno confermato che queste previsioni (insieme a molti altri troppo tecnici per discutere qui) descrivono con precisione il nostro universo. La  densità della massa dell’universo è stata ora misurata con una precisione di circa la metà di un per cento, e concorda perfettamente con la previsione di inflazione. (Quando l’inflazione è stata proposto per la prima, la densità di massa era incerta di almeno un fattore tre, quindi questo è un successo impressionante.) Le increspature della CMB sono state misurate con cura anche da due esperimenti satellitari , il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ( WMAP) e il satellite Planck, così come molti altri esperimenti e tutti confermando infatti che le fluttuazioni primordiali sono quasi scala-invariante,  accuratamente adiabatiche e gaussiane, proprio come predetto (in anticipo) da modelli standard di inflazione. I B-mode di polarizzazione non sono ancora stati visti, coerentemente con molti, se non tutti, i modelli standard, e le polarizzazioni E-mode si trovano d’accordo con le previsioni. Nel 2016 il team satellite Planck (una collaborazione di circa 260 autori) ha riassunto le sue conclusioni dicendo che “i risultati di Planck offrono una prova potente a favore di semplici modelli inflazionistici.” Quindi, se l’inflazione non è verificabile, come IS & L vorrebbero farci credere, perché  ci sono stati così tanti test su di essa e con tali notevoli successi? (../)

Mentre i successi di modelli inflazionistiche sono certi, IS & L continuano ad affermare che l’inflazione non  è verificabile. (Siamo sconcertati dalla asserzione di IS & L’s nonostante i successi osservativi di inflazione che dovrebbero essere scontati, mentre accusano i sostenitori dell’ inflazione di abbandonare la scienza empirica!) Essi sostengono, ad esempio, che l’inflazione non sia verificabile perché le sue previsioni possono essere modificate variando la forma della curva di densità di energia inflazionaria o le condizioni iniziali. Ma la verificabilità di una teoria non richiede in nessun modo che tutte le sue predizioni siano indipendenti dalla scelta dei parametri. Se sono richieste tali indipendenze di parametro, allora dovremmo mettere anche in discussione lo status del Modello Standard, con il suo contenuto di particelle empiricamente determinate e 19 o più parametri empiricamente  determinati.

Un punto importante sarebbe se i modelli inflazionistici standard avessero fallito uno dei test empirici sopra descritti, ma non lo han fatto. IS & L scrivono di come “in mancanza di una teoria viene sempre più immunizzata contro esperimenti dai tentativi di patch”, insinuando che questo abbia qualcosa a che fare con l’inflazione. Ma nonostante la retorica di IS & L’s, è una pratica standard nel campo della scienza empirica  modificare una teoria quando nuovi dati vengono alla luce, come, ad esempio, il modello standard delle particelle è stato modificato per tenere conto dei quark e leptoni di recente scoperta. Per la cosmologia inflazionistica, nel frattempo, non v’è stato finora nessun bisogno di andare al di là della classe di modelli inflazionistici standard. (../)

Durante gli oltre 35 anni della sua esistenza, la teoria inflazionaria è progressivamente diventata il principale paradigma cosmologico che descrive le prime fasi dell’ evoluzione dell’universo e la formazione della sua struttura su larga scala. Nessuno sostiene che l’inflazione sia diventata certa; le teorie scientifiche non vengono dimostrate come i teoremi matematici, ma col passare del tempo, quelle di successo diventano sempre meglio stabilite dal miglioramento delle prove sperimentali e dai progressi teorici. Questo è successo con l’inflazione. Il progresso continua, sostenuto dagli sforzi entusiastici di molti scienziati che hanno scelto di partecipare a questo vibrante ramo della cosmologia.

La prima idea di inflazione fu concepita nei primi anni 1980, poi diventò rapidamente popolare, perché sembrava  tener conto delle incomprensibili caratteristiche dell’universo osservabile. L’inflazione spiega perché l’universo sembra abbastanza simile in tutte le direzioni e tuttavia non del tutto omogeneo, in quanto contiene le galassie e altri grumi di materia. Dai primi anni ’90 alcuni cosmologi cominciarono a dubitare di questa teoria,  preoccupati che l’inflazione non potesse offrire previsioni definitive e uniche, che non possono essere spiegate in altro modo. La paternità di  Steinhardt della critica alla teoria è particolarmente significativa, dal momento che è considerato l’inventore dell’ inflazione insieme a Alan Guth e Andrei Linde. Steinhardt ha espresso il suo scrupolo sull’ inflazione per anni.

David Kaiser, un fisico e storico della scienza al MIT, ha dichiarato che le affermazioni fatte da IS&L erano state “esplicitamente sfatate diversi anni fa”, e ha messo in discussione il giudizio dei redattori di Scientific American – tra le più antiche riviste pubblicate negli Stati Uniti – per consentire all’autore dell’articolo di caratterizzare la stragrande maggioranza dei ricercatori nel campo “come se fossero membri di un culto.” (E’ bene ricordare che IS&L sono sostenitori di un modello cosmologico alternativo, chiamato “Big Bounce” (grande rimbalzo)  In questa teoria, l’universo funziona su base ciclica di espansione e contrazione. Al momento, si sta espandendo. Tuttavia, quando si esaurisce l’energia (o qualunque cosa possa fermare la sua espansione), inizierà a contrarsi, fino ad un certo punto, e poi si ritrarrà in uno stato simile a quello del Big Bang (sostituito appunto dal Big Bounce), quindi si verificherà una nuova nascita con la ripetizione del processo per l’eternità). Per Alan Guth, fisico del MIT che per primo ha proposto il concetto di inflazione, è scandalosa e senza fondamento l’insinuazione fatta da IS&L per cui alcuni scienziati che adesicono alla teoria credano che non sia verificabile. 

E’ la terza volta in sei anni che Scientific American pubblica una ‘sfida’ alla cosmologia inflazionistica, anche se rimane negli articoli marginali. Clara Moskovitz, giornalista di SA dice “E’ ovvio che la stragrande maggioranza dei ricercatori preferiscano l’idea dell’inflazione, piuttosto che le alternative; non per questo chiunque sia in disaccordo non possa esprimere il proprio pesiero, nelle nostre o in altre pagine di riviste specializzate”.

IS&L hanno preparato la loro risposta alle critiche del loro articolo da questa pagina web. In poche parole, i tre fisici stanno alla base delle loro argomentazioni, indicando come i critici stiano interpretando male il loro lavoro. Riportiamo una breve sintesi:

Abbiamo un grande rispetto per gli scienziati che hanno firmato la contestazione al nostro articolo, ma siamo delusi dalla loro risposta, che tralascia il nostro punto chiave: le differenze tra la teoria inflazionistica una volta pensata per essere possibile e la teoria come intesa oggi. L’affermazione che l’inflazione è stata confermata si riferisce alla teoria obsoleta,  cioè prima di comprendere i suoi problemi fondamentali. Crediamo fermamente che in una sana comunità scientifica sia possibile un disaccordo rispettoso e quindi rifiutare il suggerimento che, evidenziando problemi, stiamo scartando l’opera di tutti coloro che hanno sviluppato la teoria dell’inflazione e hanno permesso di misurare con precisione l’universo.

Storicamente, il pensiero sull’inflazione era basato su una serie di incomprensioni. Non èstato capito che il risultato dell’inflazione è altamente sensibile alle condizioni iniziali. E non è stato capito che l’inflazione genera generalmente l’inflazione eterna e, di conseguenza, un multiverso – una diversità infinita di risultati. Gli studi sostengono che l’inflazione predice questo o che ignorano questi problemi. 

Il nostro punto è che dovremmo parlare della versione contemporanea dell’inflazione, nel bene e nel male, non di una reliquia defunta. Logicamente, se il risultato dell’inflazione è altamente sensibile alle condizioni iniziali non ancora comprese, come gli intervistati riconoscono, il risultato non può essere determinato. E se l’inflazione produce un multiverso in cui, citando una dichiarazione precedente da uno degli autori rispondenti (Guth), “tutto ciò che può succedere accadrà” – non ha alcun senso parlare di previsioni. A differenza del modello standard, anche dopo aver fissato tutti i parametri, qualsiasi modello inflazionistico dà una diversità infinita di risultati con nessuno preferito rispetto ad altri. Ciò rende l’inflazione immune da qualsiasi test osservazionale .

Siamo tre pensatori indipendenti che rappresentano diverse generazioni di scienziati. Il nostro articolo non ha lo scopo di rivisitare vecchi dibattiti, ma discutere le implicazioni delle recenti osservazioni e  sottolineare i problemi irrisolti . Ci auguriamo che i lettori potranno tornare indietro e rivedere paragrafi conclusivi del nostro articolo. Noi siamo per il riconoscimento aperto delle carenze di concetti attuali, e per uno sforzo rinvigorito per risolvere questi problemi e un’esplorazione di mentalità aperta di idee diverse.

 

Per non smentirsi, SA il 12 maggio ha pubblicato un articolo di John Horgan titolato Is a Popular Theory of Cosmic Creation Pseudoscience? dove conclude dicendo : “Quasi 40 anni dopo la loro nascita, l’inflazione e la teoria delle stringhe sono in condizioni peggiori che mai. La persistenza di tali teorie non falsificabili e quindi non scientifiche, è una vergogna che rischia di danneggiare la reputazione della scienza  in un momento in cui la scienza non può permetterselo. Non è tempo di staccare la spina?”.

Fonti: Scientific American

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

Per approfondire: 

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