Davvero l’universo è infinito?

Il Big Bang è ampiamente accettato come l'inizio di tutto ciò che vediamo intorno a noi, ma altre teorie che stanno raccogliendo consensi tra gli scienziati suggeriscono il contrario

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La maggior parte degli astrofisici concorda con il fatto che fu il Big Bang a dare origine all’Universo in cui viviamo. Secondo questo modello, l’Universo ebbe origine con un'”esplosione“, che riempì tutto lo spazio, a partire da un punto materiale. Dopo questo momento ogni particella cominciò ad allontanarsi velocemente da ogni altra particella. Nei suoi primi attimi l’Universo si può considerare come un gas caldissimo di particelle elementari in rapida espansione.

Nonostante questa ipotesi sia sostenuta da diverse prove, rimane il quesito mai risolto che interessa le condizioni che c’erano prima del tutto, e che seguivano leggi fisiche completamente diverse da quelle che regolano l’Universo attuale.

Alcuni scienziati infatti, sempre partendo proprio sulla base di questo problema dell’inizio del tutto, hanno sostenuto che l’Universo segua periodi di contrazione ed espansione, e che il periodo che stiamo vivendo rientra in questa seconda fase. Questa teoria ha preso il nome Big Bounce, e ha visto il suo esordio attorno agli Anni ’20 del secolo scorso ma non ha mai mai avuto un grande riscontro tra gli addetti ai lavori perché anch’essa ha un problema non risolto: non spiega infatti come si possa passare dall’espansione alla contrazione e viceversa senza passare da un punto di infinita densità.

Steffen Gielen dell’Imperial College di Londra e Neil Turok dell’Istituto di Fisica Teorica sperimentale del Canada, hanno invece sostenuto come il Big Bounce possa essere possibile e hanno pubblicato il loro studio su Physical Review Letters.

Gli scienziati sono partiti dall’intuizione che quando l’Universo era infinitamente piccolo seguiva unicamente le leggi della meccanica quantistica. Oggi sappiamo che queste leggi non valgono per l’Universo su grande scala, ma se non fossero valide per le particelle subatomiche l’Universo a grande scala non potrebbe esistere.

Se non esistesse la meccanica quantistica non potrebbero esistere gli atomi, perché gli elettroni in rotazione attorno al nucleo, perderebbero energia finendovi contro, così da distruggerlo. Se quanto affermano i due studiosi è esatto, è allora possibile che un universo precedente al nostro si sia contratto fino a dimensioni subatomiche senza collassare totalmente, ma fino ad arrivare a condizioni dove la meccanica quantistica lo ha tenuto in vita fino a iniziare nuovamente ad espandersi.

Gielen ha affermato: “La meccanica quantistica ci salva quando si arriva all’infinitamente piccolo poiché “risparmia” gli elettroni dal cadere sull’atomo e quindi potrebbe anche aver salvato l’universo primordiale dal collassare su se stesso”.

Partendo da un Universo primordiale governato da leggi quantistiche, i due scienziati hanno costruito un modello matematico semplice per spiegare come l’Universo attuale avrebbe potuto evolversi. Il risultato porta a un’evoluzione concorde con la situazione attuale. Gielen e Turok stanno cercando di sviluppare un modello che possa spiegare la nascita delle galassie.

 Di fronte a questa ipotesi diversi sono stati i pareri discordanti: tra questi, Martin Bojowald, della Pennsylvania State University, sostiene che un conto è formulare un modello del “rimbalzo” dell’Universo e altra cosa è un modello del rimbalzo con tutte le complessità che hanno portato all’Universo attuale.

La fisica quantistica costringe anche la teoria dell’inflazione in un territorio molto disordinato. Si prevede che rare fluttuazioni quantistiche inducono l’inflazione a rompere lo spazio in un numero infinito di macchie con proprietà completamente diverse – un “multiverso” in cui si verifica letteralmente ogni risultato immaginabile.

La teoria è completamente indecisa“, afferma Steinhardt. “Si può solo dire che l’Universo osservabile potrebbe essere come questo o quello o qualsiasi altra possibilità che tu possa immaginare, a seconda di dove ci troviamo nel multiverso. Nulla è escluso che sia fisicamente concepibile “.

Steinhardt, che è stato uno degli architetti originali della teoria inflazionistica, alla fine si è stancato della mancanza di predittività e non verificabilità.

Abbiamo davvero bisogno di immaginare che esista un numero infinito di universi disordinati che non abbiamo mai visto e mai vedremo per spiegare l’unico universo semplice e straordinariamente fluido che osserviamo effettivamente?”  chiede. “Io dico di no. Dobbiamo cercare un’idea migliore”.

Il problema potrebbe avere a che fare con il Big Bang stesso e con l’idea che ci sia stato un inizio nello spazio e nel tempo.

La teoria del “Big Bounce” concorda con l’immagine del Big Bang di un universo caldo e denso 13,8 miliardi di anni fa che iniziò ad espandersi e raffreddarsi. Ma piuttosto che essere l’inizio dello spazio e del tempo, quello fu un momento di transizione da una fase precedente durante la quale lo spazio si stava contraendo.

Con un rimbalzo anziché un botto, dice Steinhardt, parti distanti del cosmo avrebbero avuto tutto il tempo per interagire tra loro e per formare un unico universo liscio in cui le sorgenti di radiazione CMB avrebbero avuto la possibilità di uniformarsi.

In effetti, è possibile che il tempo sia sempre esistito.

E se nel nostro passato si è verificato un rimbalzo, perché non ce ne sono stati molti?” dice Steinhardt. “In tal caso, è plausibile che ce ne sia uno nel nostro futuro. Il nostro universo in espansione potrebbe iniziare a contrarsi, tornare a quello stato denso e ricominciare il ciclo di rimbalzo”.

Steinhardt e Turok hanno lavorato insieme su alcune prime versioni del modello Big Bounce, in cui l’Universo si è ridotto a dimensioni talmente piccole che la fisica quantistica ha preso il posto della fisica classica, lasciando le previsioni incerte. Ma più recentemente, un altro dei collaboratori di Steinhardt, Anna Ijjas, ha sviluppato un modello in cui l’Universo non diventa mai così piccolo da essere dominato dalla fisica quantistica.

È un’idea piuttosto prosaica e conservativa descritta sempre dalle equazioni classiche”, afferma Steinhardt. “L’inflazione dice che c’è un multiverso, che ci sono un numero infinito di modi in cui l’Universo potrebbe uscire, e ci capita di vivere in quello che è liscio e piatto. È possibile ma non probabile. Questo modello Big Bounce dice che è così che deve essere l’Universo”.

Neil Turok ha anche esplorato un’altra strada per un’alternativa più semplice alla teoria inflazionistica, il “Mirror Universe”. Predice che un altro universo dominato dall’antimateria, ma governato dalle stesse leggi fisiche del nostro, si sta espandendo verso l’esterno dall’altra parte del Big Bang – una sorta di “anti-universo”.

Prendo una cosa dalle osservazioni degli ultimi 30 anni, che è che l’Universo è incredibilmente semplice“, dice. “Su larga scala, non è caotico. Non è casuale. È incredibilmente ordinato e regolare e richiede pochissimi numeri per descrivere tutto”.

Con questo in mente, Turok non vede posto per un multiverso, dimensioni superiori o nuove particelle per spiegare cosa si può vedere quando guardiamo in alto verso i cieli. L’universo a specchio offre tutto questo e potrebbe anche risolvere uno dei grandi misteri dell’Universo.

Se si somma tutta la massa conosciuta in una galassia – stelle, nebulose, buchi neri e così via – il totale non crea abbastanza gravità per spiegare il movimento all’interno e tra le galassie. Il resto sembra essere costituito da qualcosa che attualmente non possiamo vedere: la materia oscura. Questa roba misteriosa rappresenta circa l’85% della materia nell’universo.

Il modello Mirror Universe prevede che il Big Bang abbia prodotto in abbondanza una particella nota come “neutrini destrorsi”. Sebbene i fisici delle particelle debbano ancora vedere direttamente queste particelle, sono abbastanza sicuri che esistano. E sono questi che compongono la materia oscura, secondo coloro che supportano la teoria dell’Universo dello specchio.

“È l’unica particella in quella lista (di particelle nel modello standard) che ha le due proprietà richieste che non abbiamo ancora osservata direttamente e potrebbe essere stabile”, afferma Latham Boyle, un altro importante sostenitore della teoria dell’Universo Mirror e collega di Turok al Perimeter Institute.

È improbabile che saremo mai in grado di osservare direttamente cosa è successo nei primi istanti dopo il Big Bang, figuriamoci nei momenti prima. Il plasma surriscaldato opaco che esisteva nei primi momenti probabilmente oscurerà per sempre la nostra vista. Ma ci sono altri fenomeni potenzialmente osservabili come onde gravitazionali primordiali, buchi neri primordiali, neutrini destrorsi, che potrebbero fornirci alcuni indizi su quali delle teorie sul nostro universo sono corrette.

Man mano che sviluppiamo nuove teorie e nuovi modelli di cosmologia, questi ci daranno altre previsioni interessanti che possiamo cercare”, dice Mack. “La speranza non è necessariamente che vedremo l’inizio in modo più diretto, ma che forse attraverso un modo indiretto potremo capire meglio la struttura della fisica stessa”.