La teoria del 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, praticamente era tutto racchiuso in un punto.
Da questa semplice affermazione scaturiscono le principali previsioni verificate durante decenni di osservazioni. Ma ci sono alcuni problemi.
ll modello del Big Bang senza altre aggiunte o modifiche, non può spiegare tutte le osservazioni.
Fino all’orizzonte
L’universo osservabile ha un diametro di più di 40 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, perché una parte del limite estremo dell’universo che noi possiamo osservare possa avere un collegamento con 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 potevano essere così ben coordinate quando i cambiamenti avvenuti in un’area non potevano avere avuto 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}
Dritto e stretto
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 proprio piatto. Non quasi piatto o solamente un po’ piatto.
Perché?
In effetti, sospettiamo che ci sia un motivo per questa piattezza e non si tratta solo di un colpo di dadi fortunato alla lotteria cosmica.
I monopoli magnetici sono bestie teoriche. Fratture nello spazio-tempo stesso che esibiscono solo uno dei poli magnetici. Immaginiamo una particella positiva o negativa 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, un 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.
Dove sono andati? Dovevano essere stati prodotti in abbondanza proprio quando il nostro universo stava diventando interessante, ma non si trovano da nessuna parte.
Facciamo le cose in grande
La soluzione migliore che abbiamo per questi enigmi è un’ipotesi che teorizza 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 scatenare nell’universo ridotto di allora 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 un’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 un sacco di problemi che rendevano difficile spiegare ciò che osserviamo grazie all’introduzione di una costante cosmologica inflattiva che si accese e si spense nei primi 10^{-34} secondi dopo il big bang.
Per Guth, quella era la via più pulita per risolvere il problema dei monopoli. Rendendo l’universo così dannatamente grande la concentrazione dei monopoli si diluisce al punto che la parte 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 della teoria 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 parte di universo che possiamo osservare.
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 inflattiva introduce, esclusivamente sulla base della necessità di far girare nel modo giusto le teorie, una costante cosmologica che avrebbe agito solamente nei primi 10^{-34} secondi dopo il big bang.
Questa costante cosmologica, poi sparita o disattivatasi in qualche modo, produsse un’espansione esponenzialmente accelerata avvenuta in pochissimo tempo agli albori dell’universo.
Tuttavia, i meccanismi sottostanti l’inflazione sono scarsamente comprensibili, e per essere considerata accettabile, una teoria scientifica, non può solo spiegare le osservazioni correnti ma fare previsioni per quelle future, ad esempio dovrebbe spiegare come mai, ad un certo punto, circa sette miliardi di anni fa l’universo a ricominciato ad espandersi.
Ma di questo parleremo in un’altra occasione.
