Appunti di scienza. Una sintesi (semplificata) della genesi dell’universo

di Domenico Coiante.

La Via Lattea dall'Adelasia by Giacomo Faccio

La Via Lattea dall’Adelasia by Giacomo Faccio

Avvertenza
Questo lavoro costituisce un tentativo di sintesi semplificata circa l’attuale teoria sulla genesi dell’Universo. A chi volesse saperne di più si consiglia di consultare i testi elencati in bibliografia.

Premessa
Nel 1929 Edwin Hubble, osservando il cielo con il telescopio di Monte Wilson, scoprì che esistevano una miriade di galassie simili alla nostra Via Lattea, sparse nello spazio profondo. L’osservazione ripetuta mostrò che le galassie si allontanavano (quasi) tutte l’una dall’altra con una velocità proporzionale alla loro distanza dalla Terra (legge di Hubble). Quelle più distanti avevano una velocità impressionante, che si confrontava con la velocità della luce.
Due anni prima, Georges Lemaître aveva risolto l’equazione di Einstein per la relatività generale ed aveva trovato che lo spazio-tempo si sarebbe dovuto espandere. Einstein, dapprima criticò questa soluzione, ma poi, convinto dalle osservazioni sperimentali di Hubble, riconobbe il suo errore e si convinse che effettivamente il nostro spazio era in espansione. L’allontanamento reciproco delle galassie era la prova evidente dello “stiramento” della trama spaziale, che trascinava con sé tutti gli agglomerati di stelle esistenti nell’universo. Non si trattava di un movimento delle galassie rispetto allo spazio, ma di una dilatazione dello spazio stesso, che portava con sé le galassie e che ci appariva come se esse si allontanassero da noi con diverse velocità.

Immaginando di procedere a ritroso, dobbiamo pensare che sia esistito un tempo in cui tutte le galassie erano compresse entro una spazio molto ristretto, un “punto” fisico contenente tutta la massa del nostro universo, o meglio per l’equivalenza di massa ed energia, un “grumo” di spazio racchiudente tutta l’energia dell’universo. I calcoli mostrano come tale situazione possa essersi verificata circa 14 miliardi di anni fa, quando il nostro universo è emerso dal vuoto assieme allo spazio-tempo con un lampo iniziale, simile ad un esplosione, seguita da una rapida dilatazione del denso grumo d’energia, la cui espansione è ancora presente (“Big Bang”).
Ma come può essere avvenuto tutto ciò?
Negli anni passati sono state avanzate numerose teorie, tutte basate sul concetto di “singolarità geometrica” iniziale in cui la densità della massa-energia, a causa della forza d’aggregazione gravitazionale, raggiunge un valore infinito con un’altrettanto infinita pressione. In tali condizioni si pensa che le leggi ordinarie della fisica non abbiano più valore e che il processo d’aggregazione non possa procedere all’infinito. Accade, pertanto, che ad un certo istante la pressione prevale sulla forza di aggregazione della materia ed ha inizio l’inversione del processo con un’espansione esplosiva dello spazio e conseguente rapida diminuzione della densità dell’energia. La spinta espansionistica è contrastata nel tempo dalla gravità e si affievolisce fino a che l’aggregazione non diviene nuovamente prevalente. A quel punto ha inizio un nuovo processo d’addensamento delle galassie che porta a ricondurre tutta la materia in un nuovo stato di singolarità a densità infinita: una grande strizzata (“Big Crunch”) da cui ripartire con un rimbalzo per una nuova esplosione. E così via.
Per molti anni la teoria dell’Universo a rimbalzi infiniti ha tenuto banco, soprattutto perché essa soddisfaceva il senso estetico, non dovendo richiedere un inizio ed una fine. Oggi, però, sono venuti alla luce fatti sperimentali nuovi che hanno messo in dubbio questa teoria. Si è infatti recentemente misurato (1998, Saul Perlmutter e altri) che l’Universo, oltre ad essere in continua espansione senza alcun accenno ad una diminuzione della velocità, sta addirittura accelerando. Il ritmo di allargamento dello spazio è in aumento già da qualche miliardo di anni. Sembrerebbe quindi da escludere l’inversione del processo d’espansione: non ci sarebbe alcun rimbalzo. L’Universo diventerà sempre più grande e la diluizione della massa-energia proseguirà fino a far tendere a zero la sua densità.
Questo è un fatto sperimentale di cui occorre tenere conto. La sua spiegazione consiste nell’ammettere la presenza in tutto lo spazio vuoto di una forza espansiva, una vera e propria antigravità, che contrasta l’attrazione tra le galassie. Questa repulsione, presente fin dal principio, sembra avere intensità costante, ma grandezza inferiore all’attrazione gravitazionale, almeno durante la fase iniziale dell’evoluzione dell’Universo. Con l’espansione dello spazio e la diluizione progressiva della materia la repulsione è divenuta prevalente sulla gravità e ciò è avvenuto già da qualche miliardo d’anni. Si tratta dell’azione della cosiddetta “energia oscura”, argomento che di recente è apparso nel panorama degli studi cosmologici per motivi diversi, connessi alle osservazioni sperimentali circa la densità critica della massa-energia nell’Universo.

Fase zero: vuoto cosmico (prima dell’inizio)
La teoria, oggi più accreditata, spiega la situazione presente di alcuni parametri del cosmo, come ad esempio l’abbondanza relativa dell’elio e dell’idrogeno e l’uniformità del fondo di radiazione, ipotizzando il seguente processo evolutivo. S’immagina l’esistenza di un universo primordiale, vuoto di materia, ma dotato di un potenziale energetico enorme, la cui distribuzione spaziale è omogenea e isotropa (nei limiti delle fluttuazioni quantistiche dovute al principio d’indeterminazione). Questa ipotesi richiama in modo impressionante quella che Anassimandro di Mileto nel sesto secolo a.c. aveva avanzato per spiegare la creazione delle cose dalla sostanza primordiale indifferenziata, l’“apeiron” che pervadeva il vuoto cosmico. Oggi l’ipotesi è ottenuta per logica induttiva procedendo dal basso, cioè dalla situazione della conoscenza presente del “nostro” spazio-tempo. Essa costituisce la congettura fisica più ardita che, allo stato attuale, si possa concepire.
Energia è “capacità di compiere lavoro”. L’energia è contenuta tutta in un campo di forza, detto “inflatone” (nome scelto perché esso, come si vedrà, darà luogo all’espansione inflazionaria dello spazio). L’inflatone pervade con la sua energia tutto lo spazio vuoto, anzi esso stesso è lo spazio, perché non c’è null’altro che faccia da sostegno al campo. E’ come un mare la cui superficie appare uniforme se vista da lontano, ma molto agitata quando la si osserva da vicino a causa delle fluttuazioni quantistiche che la scuotono. Il potenziale energetico del campo mostra una configurazione particolare: possiede bassi valori in corrispondenza di una zona di alta energia e un alto valore in relazione ad una zona di bassa energia. Il profilo è detto a “sombrero” perché è simile alla sezione mediana di un cappello messicano.

In questa fase iniziale, ogni zona dell’universo primordiale è rappresentabile a scala microscopica mediante i punti P del diagramma, collocati in corrispondenza dell’origine degli assi e definiti dalle seguenti coordinate: valore nullo del campo (quindi niente particelle) e grande energia potenziale (vedi diagramma). Il valore del campo in P non è fisso, perché esso fluttua quantisticamente intorno al valor medio nullo. Finché il valore del campo nelle sue oscillazioni quantistiche si mantiene vicino allo zero (zona apicale piatta del diagramma), i nostri punti si trovano in una situazione di equilibrio, perfettamente simmetrica (non ci sono direzioni privilegiate).
C’è solo tanta energia concentrata in quei punti, ciascuno dei quali possiede le dimensioni minime compatibili con il principio d’indeterminazione, cioè quelle della scala di Planck (10-33 cm). Si tratta di un grumo denso di energia potenziale, disponibile per compiere un grande lavoro. Il lavoro implica l’esistenza di una forza, che, data la simmetria totale, è unica. Quel “punto” costituisce il seme del nostro universo, cioè del nostro spazio-tempo.

Prima fase: espansione iniziale, gravità (dopo 10-43 s)
Osservando il profilo del campo (vedi grafico) su una scala di valori più ampi, si nota che l’equilibrio non è stabile, ma è metastabile. Avviene statisticamente che un’oscillazione quantistica del campo possa avere ampiezza più grande delle dimensioni del pianerottolo. In tal caso il sistema inizia a scivolare lungo il pendio del potenziale. L’energia comincia a calare, mentre aumenta il valore del campo. Il volume di spazio che racchiude il tutto si espande. Il ritmo d’espansione è proporzionale al tasso di variazione del profilo: cioè, è in crescita moderata nel tratto iniziale e in rapido aumento nella parte digradante del campo.
In termini di spazio-tempo, la transizione lungo il pendio equivale al fatto che il punto (grumo d’energia) si espande ed ha inizio il tempo e lo spazio come lo conosciamo noi. Lo spazio si espande lungo le tre dimensioni e l’energia si diluisce nel volume spaziale in aumento. Eventuali altre dimensioni, che fossero presenti nel punto iniziale, non seguono il processo d’espansione e rimangono “congelate”.
L’inflatone trasferisce in tempo breve la sua energia allo spazio e lo fa in modo caotico, irregolare, per via delle fluttuazioni quantistiche, cosicché i “luoghi” in formazione conterranno addensamenti energetici diseguali. La trama spaziale appare disomogenea: si formano zone dello spazio a differente curvatura che interagiscono con gli agglomerati d’energia (la materia ancora non esiste). Secondo la relatività generale, gli avvallamenti dello spazio si comportano come un campo di forza nei confronti dei grumi energetici. La forza che ne deriva è la gravità: essa nasce per prima dalla disuniformità del tessuto spaziale. Dove l’energia è più addensata, la curvatura dello spazio è più profonda. Lo spazio-tempo appare come un panorama fatto di ondulazioni, colline ed avvallamenti, che alloggiano addensamenti energetici: il tutto in continua espansione.

Seconda fase: inflazione (10-38 10-33 s)
L’espansione dell’universo prosegue lungo il profilo dell’inflatone fino a raggiungere la zona in caduta dove la velocità di variazione è massima. Questo tratto è attraversato in un tempo brevissimo fino a raggiungere una nuova posizione a fondo valle, dove l’equilibrio è di nuovo stabile. La transizione avviene in un lampo, perché si tratta di un processo rigenerativo “a valanga”: il valore del campo aumenta a spese dell’energia potenziale che diminuisce fino al valore minimo del fondo valle. Qui le oscillazioni quantistiche non hanno ampiezza sufficiente a far risalire il pendio, cosa che richiederebbe tutta l’energia che è stata liberata. Questa non è più recuperabile, perché è stata impiegata per alimentare il processo di espansione dello spazio e la formazione di altri campi di forza. Poiché la forza è energia per unità di spazio e l’energia si conserva, la forza decresce al crescere dello spazio e si fraziona (cambio di fase e rottura spontanea della simmetria).
La Fig.2 mostra una sequenza temporale immaginaria, non in scala, dello svolgimento dell’azione. In A l’inflatone ha appena iniziato a trasformare un punto dello spazio primordiale in una regione piccolissima (raggio di circa 10-28 cm) del nostro spazio-tempo, una piccola bolla in rapida espansione. Dopo circa 10-38 s la regione ha superato la fase intermedia B ed ha raggiunto (C) le dimensioni di circa 1 cm. L’espansione prosegue a ritmo ancora sostenuto, ma minore.

Terza fase: Higgs e altri campi (10-33 10-11 s)
L’espansione dello spazio-tempo prosegue per inerzia a minore velocità. Come si è detto, quando la densità d’energia cala al giusto valore per un nuovo cambio di fase, si formano i campi delle altre forze. Questi sono più o meno localizzati o diffusi nello spazio-tempo. Si comincia con il campo di Higgs che pervade tutto lo spazio in modo uniforme. La sua configurazione è analoga a quella dell’inflatone: la forma a sombrero consente che le particelle associate (bosoni) si formino in corrispondenza di alti valori del campo e relativamente bassa energia. Ciò significa che essi hanno grande probabilità di interazione con tutti i campi a profilo “normale” che si vanno formando, tra cui quello unificato tra la forza nucleare forte e quella elettrodebole. L’ulteriore diminuzione della densità d’energia porta presto alla separazione tra i campi della forza forte e di quella elettro-debole.

Successivamente (10-11 s) il campo elettromagnetico si separa da quello della forza debole e pervade anch’esso tutto lo spazio, mentre si formano quelli localizzati di cui le varie particelle rappresentano gli stati eccitati. Trattandosi di pacchetti d’energia, tutti si muovono alla stessa velocità, quella della luce. In particolare, il campo elettromagnetico dà luogo a miriadi di particelle: i fotoni. Questi diffondono in tutte le direzioni, riempiendo lo spazio intero di radiazione luminosa e trasportando l’energia da una parte all’altra dell’universo. Questo ha ancora dimensioni piccole, tali che i fotoni possono percorrerle avanti e indietro innumerevoli volte interagendo fra di loro e con le altre particelle prodotte dai campi, principalmente elettroni. Lo scambio energetico è intenso cosicché presto si raggiunge una densità uniforme in tutto il volume. L’universo è luminosissimo e uniforme, ma opaco e in espansione. La sua temperatura media è maggiore di 3000 K.

Si conclude la fase inflazionaria quando le dimensioni dell’universo raggiungono un valore tale che la probabilità d’interazione tra i fotoni e gli elettroni diviene praticamente nulla. La temperatura scende sotto i 3000 K. La luce si diffonde nello spazio divenuto completamente trasparente, mentre esso continua ad espandersi. La densità della radiazione che pervade lo spazio è ancora molto alta, ma va diminuendo mano a mano che il volume aumenta.
La radiazione del fondo cosmico, che oggi osserviamo, costituisce il residuo fossile di quella situazione. Proprio dalle misure della radiazione di fondo, effettuate recentemente dai satelliti Cobe e Planck, si è avuta la conferma sperimentale dell’ipotesi inflazionaria. Si è accertato che tale radiazione è uniforme nell’universo con una precisione di una parte su diecimila e ciò si spiega solo ipotizzando l’uniformità iniziale della densità d’energia nello stato di partenza, cioè dello stato in cui si trovava l’universo alla fine della fase inflazionaria.
Le precisissime misure del satellite Planck hanno messo in evidenza che il fondo cosmico inizia a mostrarsi disuniforme quando si spinge la precisione al di là di una parte su diecimila. In particolare, a una parte su centomila, si nota la presenza di zone di radiazione più intensa, che sottendono a volumi di spazio a densità energetica più alta. Questo risultato, previsto dalla teoria quantistica, viene letto come la conferma dell’esistenza dei primi addensamenti di energia, che si trasformeranno nei primi agglomerati di massa, i semi da cui sono nate le prime strutture galattiche.

Quarta fase: massa (10-11 s 102 s ed oltre)
Guardando lo spazio su scala microscopica, vediamo all’opera il campo di Higgs, che per la sua particolare configurazione interagisce attivamente con gli altri campi. L’interazione produce una ripetuta interruzione della traiettoria delle particelle associate agli altri campi. Accade, pertanto, che il libero cammino medio delle particelle viene a dipendere dalla frequenza delle interazioni con il campo di Higgs. Ciò appare su scala macroscopica come una resistenza al moto, la cui misura costituisce ciò che conosciamo come massa della particella. Il campo di Higgs conferisce la massa alla materia, rendendola fortemente sensibile al campo gravitazionale.
Ha inizio il mondo macroscopico. Si formano gli elettroni, i quarks, i nucleoni, gli atomi, le molecole. La gravità agisce sulla massa aggregando la materia fino a formare le stelle e le galassie con tutto ciò che segue e che in parte conosciamo, mentre un parte notevole ci è sconosciuta (materia ed energia oscure).
Prosegue per inerzia la dilatazione dello spazio-tempo ad una velocità relativamente bassa. Tuttavia recenti e più precise misure hanno mostrato che è iniziata da qualche tempo una nuova fase: la velocità di allontanamento delle galassie da qualche miliardo d’anni ha preso ad aumentare. Come si è accennato, quest’accelerazione dell’espansione dipende dalla presenza dell’energia oscura, che pervade in modo uniforme tutto lo spazio. Le conseguenze sull’evoluzione dell’universo costituiscono l’oggetto dei presenti studi cosmologici. In ogni caso, l’energia è ormai diluita tantissimo, cosicché non si formano più nuovi campi.

Multiuniverso
Abbiamo visto come l’intero processo descritto sopra abbia avuto inizio da una fluttuazione quantistica di un “punto” dell’inflatone. Come si è detto, questo pervade tutto lo spazio vuoto primordiale e ciascun punto si trova nella posizione di equilibrio metastabile visibile in Fig.1. Ogni punto ha la stessa probabilità di subire una fluttuazione quantistica tale da avviare il processo inflazionario. A priori, non c’è alcun motivo per cui il processo sia avvenuto una sola volta e solo in un punto. A lume di logica, è quindi probabile che da altri punti siano nati e continuino a nascere altri universi paralleli. Il “nostro universo” appare come una bolla di spazio-tempo in espansione in un panorama infinito di innumerevoli altre bolle, ciascuna delle quali costituisce un altro universo.

Riferimenti
⦁ Barrow John D.: “Le origini dell’Universo” – Edizioni RCS, Milano 1995
⦁ Weinberg Steven: “I primi tre minuti” – Edizioni Mondadori-De Agostini – Novara 1994
⦁ Rees Martin: “Prima dell’inizio, il nostro universo e gli altri” – Raffaello Cortina Editore, Milano 1998
⦁ Randall Lisa: “Bussando alle porte del cielo, l’Universo come non l’abbiamo mai conosciuto” – Edizioni Il Saggiatore, Milano 2012
⦁ Rovelli Carlo: “La realtà non è come ci appare” – Raffaello Cortina Editore, Milano 2014
⦁ Rodriguez-Quintero Josè: “Universi paralleli, realtà multiple e dimensioni nascoste” – Edizioni RBA, 2015
⦁ Lallena Antonio M.: “Il Big Bang e l’origine dell’universo, la teoria più ambiziosa mai pensata” – Edizioni RBA, Milano 2016

iMille.org – Direttore Raoul Minetti

1 Commento

  1. Giancarlo Abbate

    Caro Domenico,
    splendida sintesi, scritta in modo elegante e chiaro. Purtroppo nella pubblicazione sul sito sono “saltate” le figure e ti consiglio di chiedere all’editor di inserirle perché sarebbero sicuramente di aiuto alla lettura. Ancora purtroppo (è il secondo ma è il più importante) dubito che molti, anche tra i lettori di iMille, possano apprezzare in pieno la grandezza di questo tuo scritto, non solo come divulgazione scientifica, ma come pietra miliare filosofica e sociale dalla quale emerge come i pur gravi problemi attuali ci sembrano grandi eppure sono minuscoli se comparati con un “grumo” di dimensioni infinitesime.

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