Il cosmo primordiale si è ingrandito a dismisura? Un universo a specchio che va indietro nel tempo potrebbe essere una spiegazione più semplice

L'universo a specchio, con il big bang al centro.

Viviamo in un'epoca d'oro per la conoscenza dell'universo. I nostri telescopi più potenti hanno rivelato che il cosmo è sorprendentemente semplice sulle più grandi scale visibili. Allo stesso modo, il nostro più potente “microscopio”, il Large Hadron Collider, non ha trovato deviazioni dalla fisica conosciuta sulle scale più piccole.

Questi risultati non erano quelli che la maggior parte dei teorici si aspettava. Oggi, l'approccio teorico dominante combina la teoria delle stringhe, un potente quadro matematico che non ha ancora avuto successo nelle previsioni fisiche, e l'“inflazione cosmica”, l'idea che, in una fase molto iniziale, l'universo abbia assunto dimensioni enormi. In combinazione, la teoria delle stringhe e l'inflazione prevedono che il cosmo sia incredibilmente complesso su scale minuscole e completamente caotico su scale molto grandi.

La natura della complessità prevista potrebbe assumere una varietà sconcertante di forme. Su questa base, e nonostante l'assenza di prove osservative, molti teorici promuovono l'idea di un “multiverso”: un cosmo incontrollato e imprevedibile composto da molti universi, ciascuno con proprietà fisiche e leggi totalmente diverse.

Finora le osservazioni indicano esattamente il contrario. Cosa dobbiamo pensare di questa discrepanza? Una possibilità è che l'apparente semplicità dell'universo sia solo un incidente della gamma limitata di scale che possiamo sondare oggi, e che quando le osservazioni e gli esperimenti raggiungeranno scale sufficientemente piccole o grandi, la complessità asserita sarà rivelata.

L'altra possibilità è che l'universo sia davvero molto semplice e prevedibile sia alle scale più grandi che a quelle più piccole. I ricercatori credono che questa possibilità debba essere presa molto più seriamente. Infatti, se è vera, potremmo essere più vicini di quanto immaginiamo alla comprensione degli enigmi più elementari dell'universo. E alcune risposte potrebbero già essere sotto i nostri occhi.

Il problema della teoria delle stringhe e dell'inflazione

L'attuale ortodossia è il culmine di decenni di sforzi da parte di migliaia di teorici seri. Secondo la teoria delle stringhe, i mattoni fondamentali dell'universo sono minuscoli anelli vibranti e pezzi di stringhe subatomiche. Secondo la concezione attuale, la teoria funziona solo se esistono più dimensioni dello spazio rispetto alle tre che conosciamo. Quindi, i teorici delle stringhe ipotizzano che il motivo per cui non li rileviamo è che sono minuscoli e accartocciati.

Sfortunatamente, questo rende la teoria delle stringhe difficile da testare, poiché esiste un numero quasi inimmaginabile di modi in cui le piccole dimensioni possono essere accartocciate, ognuno dei quali dà un diverso insieme di leggi fisiche nelle restanti grandi dimensioni.

Nel frattempo, l'inflazione cosmica è uno scenario proposto negli anni 80 per spiegare perché l'universo è così liscio e piatto sulle scale più grandi che possiamo vedere. L'idea è che l'universo primordiale fosse piccolo e irregolare, ma che un'esplosione estrema di espansione ultra-rapida ne abbia aumentato enormemente le dimensioni, appianandolo e rendendolo coerente con ciò che vediamo oggi.

L'inflazione è popolare anche perché potenzialmente spiega perché la densità di energia nell'universo primordiale variava leggermente da un luogo all'altro. Questo è importante perché le regioni più dense sarebbero poi collassate sotto la loro stessa gravità, alimentando la formazione delle galassie.

Negli ultimi tre decenni, le variazioni di densità sono state misurate in modo sempre più accurato sia attraverso la mappatura del fondo cosmico a microonde - la radiazione del big bang - sia attraverso la mappatura della distribuzione tridimensionale delle galassie.

Nella maggior parte dei modelli di inflazione, l'estrema espansione iniziale che ha appiattito l'universo ha generato anche onde gravitazionali di lunga durata, ovvero increspature nel tessuto dello spazio-tempo. Tali onde, se osservate, sarebbero un segnale “pistola fumante” che confermerebbe che l'inflazione ha effettivamente avuto luogo. Tuttavia, finora le osservazioni non hanno rilevato alcun segnale di questo tipo. Al contrario, con il costante miglioramento degli esperimenti, sempre più modelli di inflazione sono stati esclusi.

Inoltre, durante l'inflazione, regioni diverse dello spazio possono subire quantità di espansione molto diverse. Su scale molto grandi, questo produce un multiverso di universi post-inflazionati, ciascuno con proprietà fisiche diverse.

La storia dell'universo secondo il modello dell'inflazione cosmica.

Lo scenario dell'inflazione si basa su ipotesi sulle forme di energia presenti e sulle condizioni iniziali. Queste ipotesi risolvono alcuni enigmi, ma ne creano altri. I teorici delle stringhe e dell'inflazione sperano che da qualche parte nel vasto multiverso inflazionario esista una regione di spazio e tempo con le proprietà giuste per corrispondere all'universo che vediamo.

Tuttavia, anche se questo fosse vero (e non è ancora stato trovato un modello di questo tipo), un confronto equo tra le teorie dovrebbe includere un “fattore Occam”, che quantifica il rasoio di Occam, che penalizza le teorie con molti parametri e possibilità rispetto a quelle più semplici e predittive. Ignorare il fattore Occam equivale a supporre che non esistano alternative all'ipotesi complessa e non predittiva - un'affermazione poco fondata.

Negli ultimi decenni, ci sono state molte opportunità di esperimenti e osservazioni per rivelare segnali specifici della teoria delle stringhe o dell'inflazione. Ma non se ne è vista nessuna. Le osservazioni si sono rivelate sempre più semplici e minime di quanto previsto.

È giunto il momento di riconoscere e imparare da questi fallimenti e di iniziare a cercare seriamente alternative migliori.

Un'alternativa più semplice

Di recente alcuni ricercatori hanno cercato di costruire teorie più semplici e più testabili, che si allontanano dall'inflazione e dalla teoria delle stringhe. Prendendo spunto dalle osservazioni, hanno cercato di affrontare alcuni dei più profondi enigmi cosmici con un minimo di ipotesi teoriche.

I loro primi tentativi sono andati oltre le loro più rosee speranze. Il tempo ci dirà se sopravviveranno a ulteriori verifiche. Tuttavia, i progressi già compiuti ci convincono che, con ogni probabilità, esistono alternative all'ortodossia standard, che è diventata una camicia di forza da cui dobbiamo uscire.

I ricercatori coinvolti sperano che la loro esperienza incoraggi altri, soprattutto i ricercatori più giovani, a esplorare nuovi approcci guidati dalla semplicità delle osservazioni e a essere più scettici nei confronti dei preconcetti degli anziani. In definitiva, dobbiamo imparare dall'universo e adattare le nostre teorie ad esso piuttosto che viceversa.

Boyle e Neil Turok hanno iniziato affrontando uno dei più grandi paradossi della cosmologia. Se seguiamo l'espansione dell'universo all'indietro nel tempo, utilizzando la teoria della gravità di Einstein e le leggi fisiche conosciute, lo spazio si restringe fino a un singolo punto, la “singolarità iniziale”.

Nel tentativo di dare un senso a questo inizio infinitamente denso e caldo, i teorici, tra cui il premio Nobel Roger Penrose, hanno evidenziato una profonda simmetria nelle leggi fondamentali che regolano la luce e le particelle senza massa. Questa simmetria, chiamata simmetria “conforme”, significa che né la luce né le particelle prive di massa sperimentano effettivamente la contrazione dello spazio durante il big bang.

Sfruttando questa simmetria, è possibile seguire la luce e le particelle fino all'inizio. In questo modo, i ricercatori hanno scoperto che potevano descrivere la singolarità iniziale come uno “specchio”: un confine riflettente nel tempo (con il tempo che si muove in avanti da un lato e indietro dall'altro).

Immaginare il big bang come uno specchio spiega perfettamente molte caratteristiche dell'universo che altrimenti potrebbero sembrare in conflitto con le leggi fisiche più elementari. Per esempio, per ogni processo fisico, la teoria quantistica consente un processo “a specchio” in cui lo spazio è invertito, il tempo è invertito e ogni particella è sostituita dalla sua antiparticella(una particella simile ad essa in quasi tutti gli aspetti, ma con carica elettrica opposta).

Secondo questa potente simmetria, chiamata simmetria CPT, il processo “speculare” dovrebbe avvenire esattamente alla stessa velocità di quello originale. Uno degli enigmi fondamentali dell'universo è che sembra violare la simmetria CPT perché il tempo scorre sempre in avanti e ci sono più particelle che antiparticelle.

L’ ipotesi dello specchio ripristina la simmetria dell'universo. Quando vi guardate allo specchio, vedete la vostra immagine speculare dietro di voi: se siete mancini, l'immagine è destrorsa e viceversa. La combinazione di voi e della vostra immagine speculare è più simmetrica di quanto non lo sia voi da soli.

Allo stesso modo, quando Boyle e Neil Turok hanno estrapolato il nostro universo attraverso il big bang, hanno trovato la sua immagine speculare, un universo pre-bang in cui (rispetto a noi) il tempo scorre all'indietro e le antiparticelle superano le particelle. Affinché questo quadro sia vero, non è necessario che l'universo speculare sia reale in senso classico (così come non è reale la vostra immagine in uno specchio).

La teoria quantistica, che governa il microcosmo di atomi e particelle, sfida la nostra intuizione, quindi a questo punto il meglio che possiamo fare è pensare all'universo a specchio come a un dispositivo matematico che assicura che la condizione iniziale dell'universo non violi la simmetria CPT.

Sorprendentemente, questa nuova immagine ha fornito un importante indizio sulla natura della sostanza cosmica sconosciuta chiamata materia oscura. I neutrini sono particelle leggerissime e spettrali che, in genere, si muovono a una velocità prossima a quella della luce e che ruotano mentre si spostano, come piccole trottole. Se si punta il pollice della mano sinistra nella direzione in cui si muove il neutrino, le quattro dita indicano la direzione in cui ruota. I neutrini leggeri osservati sono chiamati neutrini “mancini”.

I neutrini pesanti “destrorsi” non sono mai stati osservati direttamente, ma la loro esistenza è stata dedotta dalle proprietà osservate dei neutrini leggeri, mancini. I neutrini stabili destrorsi sarebbero il candidato perfetto per la materia oscura, perché non si accoppiano a nessuna delle forze conosciute, tranne la gravità. Prima del nuovo lavoro, non si sapeva come potessero essere prodotti nel caldo universo primordiale.

L’ ipotesi a specchio ha permesso agli scienziati di calcolare con esattezza il numero di corpi celesti che si sarebbero formati e di dimostrare che potevano spiegare la materia oscura cosmica.

Ne è seguita una previsione testabile: se la materia oscura è costituita da neutrini stabili e destrorsi, allora uno dei tre neutrini leggeri che conosciamo deve essere esattamente privo di massa. È sorprendente che questa previsione sia ora testata grazie alle osservazioni dell'ammasso gravitazionale di materia effettuate da indagini su larga scala delle galassie.

L'entropia degli universi

Incoraggiati da questo risultato, i ricercatori hanno iniziato ad affrontare un altro grande rompicapo: perché l'universo è così uniforme e spazialmente piatto, e non curvo, sulle più grandi scale visibili?

Lo scenario dell'inflazione cosmica è stato inventato dai teorici per risolvere questo problema.

L'entropia è un concetto che quantifica il numero di modi diversi in cui un sistema fisico può essere organizzato. Ad esempio, se mettiamo alcune molecole d'aria in una scatola, le configurazioni più probabili sono quelle che massimizzano l'entropia, con le molecole più o meno uniformemente distribuite nello spazio e che condividono l'energia totale più o meno equamente. Questo tipo di argomentazioni sono utilizzate in fisica statistica, il campo che è alla base della nostra comprensione del calore, del lavoro e della termodinamica.

Il defunto fisico Stephen Hawking e i suoi collaboratori hanno notoriamente generalizzato la fisica statistica per includere la gravità. Con un elegante ragionamento, hanno calcolato la temperatura e l'entropia dei buchi neri. Utilizzando l’ ipotesi dello “specchio”, Boyle e Turok sono riusciti a estendere i loro argomenti alla cosmologia e a calcolare l'entropia di interi universi.

Con loro sorpresa, l'universo con l'entropia più alta (cioè il più probabile, proprio come gli atomi sparsi nella scatola) è piatto e si espande a una velocità accelerata, proprio come quello reale. Quindi gli argomenti statistici spiegano perché l'universo è piatto e liscio e ha una piccola espansione accelerata positiva, senza bisogno dell'inflazione cosmica.

Come sarebbero state generate le variazioni di densità primordiali, solitamente attribuite all'inflazione, nel nostro universo speculare simmetrico? Recentemente abbiamo dimostrato che un tipo specifico di campo quantistico (un campo di dimensione zero) genera esattamente il tipo di variazioni di densità che osserviamo, senza inflazione.

È importante notare che queste variazioni di densità non sono accompagnate dalle onde gravitazionali a lunga lunghezza d'onda che l'inflazione prevede e che non sono state osservate.

Questi risultati sono molto incoraggianti. Ma è necessario un ulteriore lavoro per dimostrare che la nuova teoria è matematicamente valida e fisicamente realistica.

Anche se questa nuova teoria dovesse fallire, ci ha insegnato una lezione preziosa. Potrebbero esistere spiegazioni più semplici, più potenti e più verificabili per le proprietà fondamentali dell'universo rispetto a quelle fornite dall'ortodossia standard.

Affrontando i profondi enigmi della cosmologia, guidati dalle osservazioni ed esplorando direzioni ancora inesplorate, potremmo essere in grado di gettare basi più sicure sia per la fisica fondamentale che per la nostra comprensione dell'universo.

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