Tuesday, 20 Nov 2018

I problemi che risolve la Teoria dell’Inflazione Cosmica – video

Il Big Bang è la spiegazione più accettata su come è iniziato l’universo in cui viviamo. Molto tempo fa, il nostro universo era molto più piccolo. Da questa semplice affermazione scaturiscono le principali previsioni verificate durante gli decenni di osservazioni.

Ma ci sono alcuni problemi.

ll modello del Big Bang senza altre aggiunte o modifiche, non può spiegare tutte le osservazioni.

L’universo osservabile ha un diametro di più di 90 miliardi di anni luce. E più lontano guardiamo più scrutiamo in profondità nel passato. Tutto intorno a noi c’è lo sfondo cosmico delle microonde, quanto rimane della luce rilasciata quando l’universo era appena un neonato, quando, cioè, aveva solo 270.000 anni, ben oltre 13,8 miliardi di anni fa.

Quella luce ci arriva dalle lontane distanze del cosmo, così distanti da essere inaccessibili per noi. E diverse sezioni di quella luce di sfondo sono inaccessibili l’una all’altra. Nel meraviglioso gergo della fisica, le regioni dello sfondo cosmico delle microonde non sono collegate causalmente. In altre parole, perchè una parte del limite estremo dell’universo che noi possiamo osservare possa essere collegata ad un’altra parte durante gli ultimi 13,8 miliardi di anni, queste due parti avrebbero dovuto inviare segnali ad una velocità maggiore di quella della luce.

Il che non sarebbe un grosso problema se lo sfondo cosmico di questo enorme forno a microonde non fosse quasi perfettamente liscio. L’universo neonato aveva la stessa temperatura ovunque. In che modo tutte le parti dell’universo erano così ben coordinate quando i cambiamenti avvenuti in un’area non avevano il tempo sufficiente per influenzare le restanti parti?

Il problema dell’orizzonte rappresenta il fatto che nel modello cosmologico standard, zone della CMB separate angolarmente da più di 2 gradi non siano causalmente connesse ma abbiano la stessa temperatura entro 10^{-5}

Dalle nostre migliori misurazioni, la geometria del nostro universo sembra essere perfettamente, totalmente, noiosamente piatta. Sulle grandi scale cosmiche, le linee parallele rimangono parallele per sempre, gli angoli interni dei triangoli si sommano fino a 180 gradi e così via. Si applicano tutte le regole della geometria euclidea che impariamo a scuola.

Ma non c’è un motivo per cui il nostro universo debba essere piatto. Su larga scala, avrebbe potuto avere qualsiasi curvatura. Il cosmo avrebbe potuto essere modellato come un gigantesco pallone da spiaggia multidimensionale o come una sella da cavallo. Ma no, è piatto. E non solo un po’ piatto.

Perché? In effetti, sospettiamo che ci sia un motivo per la piattezza, e non è solo un tiro di dadi fortunato.

I monopoli magnetici sono bestie teorichefratture nello spazio-tempo stesso che esibiscono solo uno dei poli magnetici; immaginiamo una particella del nord o del sud che vaga solitaria. Nella materia così come la conosciamo, un oggetto con il nord magnetico avrà anche un sud magnetico sull’altra estremità. Eppure, secondo i nostri migliori modelli dell’universo estremamente precoce, quando aveva circa 10 ^ -35 secondi, il processo esotico dovrebbe aver inondato il cosmo con queste cose strane.

Questi monopoli dovrebbero essere così comuni che sarebbero una parte normale delle nostre vite cosmologiche quotidiane. Eppure, non ne riusciamo ad individuare uno.

Quindi dove sono andati? Dovevano essere stati prodotti in abbondanza proprio quando il nostro universo stava diventando interessante, ma non si trovano da nessuna parte.

La soluzione migliore che abbiamo per questi enigmi è un processo chiamato inflazione. L’idea è stata inizialmente proposta dal fisico Alan Guth nel 1980 quando suggerì che lo stesso processo esotico che aveva riempito l’universo di monopoli magnetici avrebbe potuto provocare al cosmo un periodo di espansione incredibilmente rapida.

Immaginiamo di gonfiarci, il corpo, le budella, il cervello, lo scheletro, tutto , fino alle dimensioni dell’intero universo osservabile. E immaginiamo che ci siano voluti meno di 10 ^ -32 secondi per farlo: questa è una seria espansione, e precisamente ciò che intendiamo per inflazione. Quando il nostro universo era incredibilmente giovane, secondo l’idea di Guth, si espanse enormemente in meno di un batter d’occhio.

In pratica Guth risolse i problem grazie all’introduzione di una costante cosmologica inflativa che si accende e si spegne nei primi 10^{-34} secondi dopo il big bang.

Per Guth, quella era la via più pulita per risolvere il problema del monopolioRendendo l’universo così dannatamente grande la concentrazione dei monopoli si diluisce al punto che La patch di universo che noi possiamo osservare non è che un piccolo angolo del tutto, e c’è così tanto volume là fuori che individuare un monopolio sarebbe davvero improbabile, se non impossibile.

La fase inflazionistica risolve anche gli altri due difetti del Big Bang: L’universo pre-inflazione aveva un sacco di tempo per equilibrare le temperature prima di crescere ulteriormente impossibilitando regioni un tempo collegate ad avere ulteriori contatti. E in un cosmo così enormemente grande, non è poi così strano che abbiamo misurato una geometria piatta nella nostra patch osservabile. A chi importa quale sia la curvatura dell’intero universo? È talmente grande che a noi sembrerà sempre piatto. La Terra è curva, ma il cortile di casa mia è piatto, perché è molto più piccolo della superficie del nostro pianeta. Basta applicare la stessa logica alle scale cosmologiche e diventa molto più facile comprendere questo concetto.

Insomma, sostanzialmente la correzione inflativa introduce una costante cosmologica che agisce solamente nei primi 10^{-34}s dopo il big bang. Essa produce un’espansione accelerata esponenzialmente.

Tuttavia, i meccanismi sottostanti l’inflazione sono scarsamente comprensibili, e per essere considerata una teoria scientifica accettabile, non può solo spiegare le osservazioni correnti ma fare previsioni per quelle future.

Ma di questo parleremo in un’altra occasione.

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