L’universo risulta essere piatto e questo dovrebbe spaventarti

Dio non gioca a dadi, gli uomini si. 🙁

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L’universo risulta essere piatto e questo dovrebbe spaventarti

Un veicolo spaziale sta osservando la luce più antica che esista. Lo fa ormai da anni, mappando deboli macchie di temperatura in un bagliore emesso prima che esistessero le stelle, prima che gli atomi si unissero tra loro. Una di quelle macchie si trova nel mirino e lo strumento ne misura l’ampiezza apparente da qui.

Un grado

Il numero è esattamente quello che ci si aspetterebbe se lo spazio non presentasse alcuna curvatura. Perfettamente, noiosamente piatto.

È il risultato più allarmante nel campo della cosmologia.

Come misurare la forma del nulla

Cominciamo col definire cosa si intende per “piatto”, perché non si tratta di un’affermazione sulla disposizione delle galassie, bensì di un’affermazione sulla geometria in sé.

Disegna un triangolo su un foglio di carta e somma gli angoli interni. Il risultato è sempre 180 gradi. Ecco cosa significa “piatto”.

Ora disegnate lo stesso triangolo sulla superficie di una sfera a curvatura positiva — e la somma degli angoli sarà superiore a 180. Disegnatelo su una superficie iperbolica a forma di sella, che ha curvatura negativa, e la somma degli angoli sarà inferiore.

La cosa fondamentale è che questo vale anche in tre dimensioni. I triangoli nello spazio obbediscono alle stesse regole dei triangoli sulle superfici, il che significa che se si potesse misurare un triangolo sufficientemente grande, gli angoli rivelerebbero la curvatura dello spazio stesso. Non la forma di qualcosa nello spazio. La forma del palcoscenico.

Allora, come si fa a costruire un triangolo abbastanza grande da avere un significato?

Si utilizza la radiazione cosmica di fondo: il bagliore residuo dell’universo primordiale, emesso quando il cosmo si raffreddò per la prima volta abbastanza da diventare trasparente, che ora giunge da ogni direzione sotto forma di un debole fruscio a microonde. È quasi perfettamente uniforme, ma non del tutto. Presenta infatti sottili fluttuazioni di temperatura macchie leggermente più calde e leggermente più fredde rispetto alla media.

Quelle macchie rappresentano l’estremità più lontana del tuo triangolo, e funzionano perché sappiamo quanto sono grandi in realtà.

Le loro dimensioni fisiche sono determinate dalle leggi della fisica piuttosto che dal caso. Nel plasma rovente dell’universo primordiale, le onde di pressione letteralmente onde sonore potevano percorrere una certa distanza massima prima che l’universo diventasse trasparente e fissasse definitivamente quel disegno. Tale distanza è calcolabile e attribuisce alle macchie più luminose una dimensione reale nota.

Sappiamo anche a che distanza si trovano.

Conoscendo le dimensioni e la distanza, e applicando la trigonometria di base, si ottiene l’angolo che dovrebbero sottendere da qui. Se lo spazio è piatto, quell’angolo risulta pari a un grado. Se lo spazio è curvo in senso positivo, i percorsi della luce si incurvano in modo tale da ingrandirli, e appaiono più grandi. Se è curvo in senso negativo, appaiono più piccoli.

Sembrano un grado.

Le misurazioni attuali indicano che la curvatura si discosta di circa lo 0,4% dalla perfetta planarità, mentre i vincoli più rigorosi che combinano i dati del satellite Planck con quelli sulle strutture su larga scala forniscono un parametro di curvatura pari a 0,001 ± 0,002, il che significa che l’universo è piatto, nei limiti delle nostre capacità di verifica.

E probabilmente il tuo istinto ti dice che va bene così. “Piatto” è la risposta più semplice. “Piatto” è proprio quello che penseresti. La natura ci ha offerto la soluzione più chiara.

Quell’istinto è esattamente l’opposto, e la ragione si riduce a un unico numero che descrive come doveva essere l’universo nel suo primo istante per apparire così oggi.

Una decima parte di sessantadue

Il problema è questo: la planarità non è stabile.

Un universo in espansione governato dalla gravità ordinaria non rimane piatto. Qualsiasi deviazione dalla perfetta piattezza viene amplificata man mano che l’universo si espande, e lo fa rapidamente. La curvatura non è una grandezza che rimane immutata: ti sfugge via.

L’analogia che illustra questo concetto è quella della pista da bowling. Un modo per realizzare uno strike è mantenere la palla vicina al centro per tutto il percorso. Ma se la palla procede lentamente, anche la più piccola deviazione iniziale dal centro esatto ha il tempo di spingerla nella canalina. Più la palla si allontana, più l’errore iniziale si aggrava.

In questa immagine, il centro della corsia rappresenta un universo piatto, mentre i bordi indicano una curvatura estrema, positiva da un lato e negativa dall’altro. Se si parte anche solo leggermente decentrati, le leggi della gravità ci spingono sempre più lontano man mano che l’universo si espande.

Allora proviamo a ragionare a ritroso. Siamo 13,8 miliardi di anni più avanti nel tempo, e la palla si trova ancora entro lo 0,4% dal centro.

Il che significa che, nel primo istante, l’universo doveva essere piatto con una precisione di circa una parte su 10⁶².

Si tratta di un 1 seguito da 62 zeri. Non esiste analogia che regga il confronto con quel numero, ma ecco un tentativo: è come far rotolare una palla da bowling con tanta delicatezza da mantenerla entro lo 0,4% della linea centrale lungo una pista lunga un anno luce.

Questo è il problema della piattezza, e notate bene di che tipo di problema si tratta. Non c’è nulla che non funzioni. Nessuna misurazione contraddice un’altra. Le equazioni funzionano. È semplicemente che le condizioni iniziali richieste sono talmente assurdamente specifiche che l’affermazione «è semplicemente iniziato così» smette di funzionare come spiegazione.

E non arriva da solo.

Il secondo problema, che è ancora più grave

L’universo osservabile ha un diametro di circa 93 miliardi di anni luce.

La luce ha impiegato 13,8 miliardi di anni per percorrere questa distanza. Anche tenendo conto dell’espansione dell’universo, che allunga tali distanze, esistono regioni situate ai lati opposti del cielo che non sono mai state in grado di scambiarsi alcun tipo di segnale. Nessuna luce, nessuna gravità, nessuna informazione. Sono causalmente scollegate: dal punto di vista della fisica, non si sono mai incontrate.

E hanno la stessa temperatura.

Non “approssimativamente”. Il fondo cosmico a microonde è uniforme su tutto il cielo con una precisione di poche parti su 100.000, anche tra aree che non sono mai state a contatto.

Questo è il problema dell’orizzonte, e il motivo per cui è così difficile ignorarlo è che l’equalizzazione della temperatura è un processo. Gli oggetti raggiungono la stessa temperatura scambiandosi energia. Due regioni che non sono mai state in grado di scambiarsi nulla non dispongono di alcun meccanismo per concordare alcunché.

Eppure coincidono fino alla quinta cifra decimale.

Abbiamo quindi due anomalie indipendenti, che puntano entrambe alla stessa ipotesi: che, dopo l’impulso iniziale del Big Bang, la gravità ordinaria fosse l’unico fattore a determinare il tasso di espansione. Tale ipotesi porta due volte a una risposta errata. Questo è il segnale che indica di scartarla.

Un’idea, due problemi

L’inflazione funziona così.

Partiamo da un universo così piccolo che l’intera regione destinata a diventare il nostro universo osservabile era racchiusa in uno spazio in cui ogni cosa poteva interagire con ogni altra cosa. Causalmente connesse. Mescolate. In equilibrio, perché aveva lo spazio e il tempo per raggiungerlo.

Quindi, per un intervallo estremamente breve, espandiamo quella zona a un ritmo esponenziale vertiginoso — allontanando le regioni vicine a una velocità superiore a quella della luce — finché non diventa enorme e la maggior parte di essa non è stata spinta fuori dal contatto causale con il resto. A quel punto ci fermiamo e lasciamo che subentri l’espansione ordinaria.

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I numeri richiesti sono ben precisi. L’universo ha dovuto espandersi di un fattore pari ad almeno 10²⁶ in meno di 10⁻³² secondi, fino a raggiungere dimensioni pari all’incirca a quelle di un oggetto che si può tenere in mano. Nei 13,8 miliardi di anni trascorsi da allora, l’universo si è espanso ancora una volta di un fattore più o meno equivalente il che la dice lunga su quanto fosse violento quel primo istante.

Il problema dell’orizzonte si risolve immediatamente. Le regioni lontane hanno temperature identiche perché un tempo erano a contatto, si sono mescolate a fondo e poi sono state scagliate lontano l’una dall’altra. L’uniformità è una traccia di una precedente intimità.

E il problema della piattezza si risolve con la stessa mossa, per un motivo che è quasi imbarazzante nella sua semplicità.

Se si ingrandisce abbastanza una qualsiasi superficie curva, questa appare piatta. La Terra è una sfera; il pavimento è livellato. Prendiamo un universo estremamente irregolare e fortemente curvo, ne individuiamo un minuscolo frammento: quel frammento apparirà più liscio e più piatto dell’insieme, perché la levigatezza e la piattezza sono le caratteristiche che si notano alle scale più piccole.

L’inflazione prende un minuscolo granello, liscio e piatto, di un universo molto più grande e forse molto curvo, e lo ingrandisce in un istante fino a dimensioni macroscopiche. Quel granello poi si espande fino a diventare tutto ciò che possiamo vedere e conserva la piattezza e la levigatezza che aveva quando era subatomico.

Il che comporta una conseguenza che vale la pena sottolineare chiaramente. Se l’ipotesi dell’inflazione è corretta, l’universo che osserviamo è una piccola porzione di qualcosa di infinitamente più vasto, e quel qualcosa di più vasto potrebbe benissimo essere curvo. La nostra piattezza non è una proprietà dell’universo. È una proprietà del nostro campione.

Due problemi profondi, un unico meccanismo, senza aggiunte artificiose per ciascuno di essi. È proprio questa semplicità che spiega perché praticamente tutti i cosmologi ritengano che si sia verificato un fenomeno simile all’inflazione.

Cosa potrebbe mai causare una cosa del genere?

L’obiezione più ovvia è che nulla si muove più velocemente della luce. La risposta è che nulla nello spazio si muoveva più velocemente della luce. Era lo spazio stesso a espandersi, e la distanza tra due punti cresceva più velocemente di quanto la luce potesse percorrerla. La relatività limita il movimento nello spazio, ma non pone un limite all’espansione dello spazio stesso.

Ma serve comunque qualcosa per metterla in moto, e la formula matematica era già stata elaborata da Einstein, per una ragione del tutto sbagliata.

Quando Einstein applicò la relatività generale all’universo, questo si rifiutò di rimanere immobile: la materia avrebbe dovuto provocarne il collasso. Poiché all’epoca tutti davano per scontato un cosmo statico, egli aggiunse un termine per bilanciare il tutto. Un termine antigravitazionale. La costante cosmologica.

Poi Hubble scoprì che l’universo si stava espandendo, la necessità di quel meccanismo di equilibrio svanì ed Einstein lo abbandonò.

Tuttavia, proprio quel termine ormai in disuso descrive esattamente il tipo di espansione richiesta dall’inflazione. Einstein ha ragione anche quando ha torto.

La costante cosmologica attribuisce allo spazio vuoto una densità energetica propria. Non specifica di che tipo di energia si tratti, ma solo che si tratta di una proprietà dello spazio piuttosto che di un elemento presente nello spazio stesso, e che è essa a determinare l’espansione.

Il che porta a un processo inarrestabile. Più spazio significa più di questa sostanza, perché la sostanza è una proprietà dello spazio. Più sostanza significa maggiore espansione. Maggiore espansione significa più spazio.

Quel circolo virtuoso è una crescita esponenziale, ed è proprio questo il motore.

La stessa matematica descrive anche l’energia oscura, quella forza che apparentemente sta accelerando l’espansione dell’universo oggi, il che potrebbe essere o meno una coincidenza e che al momento non è spiegabile in alcun modo.

Ed ecco l’aspetto che richiede una spiegazione più approfondita: l’inflazione si è arrestata. La crescita esponenziale si è interrotta, lasciando il posto alla graduale espansione di Hubble che misuriamo oggi. Conosciamo il livello minimo di inflazione necessario per risolvere i due problemi. Non sappiamo però quando sia iniziata, per quanto tempo sia durata, né cosa l’abbia interrotta.

Quello che nessuno è in grado di mostrarti al momento

Ora veniamo alla verità nuda e cruda, perché l’inflazione è al tempo stesso il quadro di riferimento standard e una delle idee meno verificate direttamente in fisica.

L’inflazione non è una teoria. È un quadro di riferimento — una struttura di soluzione che racchiude un’ampia famiglia di modelli specifici, che differiscono per il campo che ha guidato l’espansione, per la natura della sua energia potenziale e per la durata del processo. Le osservazioni hanno escluso gran parte di questi modelli, il che rappresenta un vero progresso. Tuttavia, non hanno ancora identificato quello corretto. Non sappiamo cosa sia il campo dell’inflaton, se esista o come si colleghi ad altri aspetti della fisica.

La prova più difficile che ci sia è quella che non abbiamo superato.

L’inflazione avrebbe dovuto generare onde gravitazionali nell’universo primordiale, che avrebbero dovuto lasciare un caratteristico motivo a spirale i modi B nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. La loro individuazione costituirebbe una prova quasi diretta. L’intensità del segnale è descritta da una grandezza chiamata rapporto tensore-scalare, r.

Non l’abbiamo mai rilevato. Il miglior limite attualmente disponibile, derivante dagli esperimenti BICEP/Keck al Polo Sud combinati con i dati di Planck, è r < 0,036 con un livello di confidenza del 95%, con una sensibilità che si avvicina al livello in cui diventano accessibili i modelli che prevedono un valore di r intorno a 0,01.

Nel 2014 ci fu un episodio in cui fu annunciata una rilevazione che poi venne ritirata, poiché il segnale si rivelò essere polvere proveniente dalla nostra stessa galassia. Vale la pena ricordare quell’episodio non come uno scandalo, ma come un momento di verifica: questa misurazione è complessa, i segnali di primo piano sono reali e il settore si è corretto da solo sotto gli occhi di tutti.

C’è poi un’obiezione più profonda, che riguarda la possibilità stessa di verificare l’inflazione.

Nel 2017, Anna Ijjas, Paul Steinhardt e Abraham Loeb hanno sostenuto su Scientific American che l’inflazione non può essere valutata con il metodo scientifico — che i modelli compatibili con i dati attuali richiedono a loro volta una messa a punto, reintroducendo il problema che erano stati concepiti per risolvere, e che, poiché l’inflazione produce genericamente un’inflazione eterna e un multiverso di esiti, essa predice tutto e quindi nulla.

La risposta è stata una lettera firmata da 33 fisici, tra cui Alan Guth, il primo ad aver proposto la teoria dell’inflazione, e Andrei Linde, nella quale si sosteneva che la critica si basasse su presupposti discutibili e che la teoria dell’inflazione fosse più solida che mai.

Entrambe le parti sono serie. Steinhardt ha contribuito a sviluppare la cosmologia inflazionistica prima di rivoltarsi contro di essa. Il disaccordo non è tra “eccentrici” e “establishment”; si tratta di un dibattito vivo su cosa si possa considerare una previsione scientifica quando la propria teoria genera un numero infinito di esiti.

E questo modello presenta una caratteristica che, a seconda del proprio temperamento, può essere considerata profonda o invece inaccettabile: l’inflazione cancella la propria preistoria. Qualunque cosa ci fosse prima viene spinta oltre i confini dell’universo osservabile. Il presupposto centrale della teoria è anche il motivo per cui non possiamo verificare ciò di cui essa sostiene essere una conseguenza.

Spiegare o mostrare

Il dilemma sta proprio qui, e non si può risolvere aspettando.

Da un lato: l’inflazione è l’idea più economica che sia mai stata formulata. Due problemi gravi e non correlati tra loro una regolazione di precisione di una parte su 10⁶² e regioni in equilibrio termico che non si sono mai incontrate si riducono a un unico meccanismo, che per di più utilizza una matematica già esistente per altri scopi e che ha previsto lo spettro delle fluttuazioni di densità che osserviamo. Si tratta di un risultato scientifico di grande rilievo secondo qualsiasi standard comune.

D’altra parte: la firma che lo confermerebbe non è emersa, il modello specifico è sconosciuto e il successo del quadro teorico nel spiegare la nostra “patch” deriva dal ricorrere a una realtà di gran lunga più ampia che ci è permanentemente invisibile. Il costo della correzione della “messa a punto” in questo caso consiste nel postulare un “là” che non possiamo esaminare.

La posizione in cui si imposta il cursore dipende da ciò che si ritiene che una teoria debba offrire. Se la “unificazione esplicativa” è la valuta di riferimento, l’inflazione è straordinariamente ricca. Se invece la valuta è una misura che avrebbe potuto avere un esito diverso ma non l’ha avuto, la spiegazione è meno solida di quanto il consenso lasci intendere.

Ciò che non è in discussione è che i due problemi siano reali. Chiunque rifiuti l’inflazione eredita un universo piatto con una precisione di una parte su 10⁶² e uniforme tra regioni causalmente disconnesse, e deve fornire una spiegazione per entrambi. Le cosmologie “a rimbalzo” proposte dai critici sono tentativi di far fronte proprio a questa sfida.

È iniziato?

È qui che l’idea assume una piega talmente bizzarra da stravolgere la domanda a cui era stata concepita per rispondere. Quando la teoria dell’inflazione fu proposta per la prima volta, si partiva dal presupposto che essa avesse avuto inizio in un momento successivo al Big Bang: si trattava di un’accelerazione della crescita all’interno di un universo già esistente, preceduta da una fase di espansione normale.

Ma una volta che si prende sul serio l’inflazione, non c’è alcun motivo evidente per insistere su quella sequenza temporale. Potrebbe non esserci stato un periodo di espansione normale in precedenza. Potrebbe non esserci stato un “prima”.

È del tutto possibile che l’espansione inflazionistica sia lo stato predefinito della struttura più ampia che non abbia un inizio, che stia ancora avvenendo altrove e che ciò che chiamiamo Big Bang non sia stato l’origine di tutto, ma il momento locale in cui l’inflazione si è arrestata nella nostra porzione di spazio-tempo e la fisica ordinaria ha preso il sopravvento. Questa è l’idea dell’inflazione eterna, che non richiede la presenza di una singolarità esplosiva in nessuna fase della storia.

In questa interpretazione, il Big Bang non è l’inizio. È la fine di qualcosa, vista dall’interno.

Il che porta alla domanda che l’intero quadro era stato concepito proprio per evitare, ora spostata di un livello più in basso e notevolmente più complessa.

Se è stata l’inflazione a dare origine al nostro universo, e se l’inflazione stessa potrebbe non aver mai avuto inizio, allora cosa stiamo realmente chiedendo quando ci chiediamo come sia iniziato tutto?

Sciencedaily

Fonte: https://substack.com/@sciencedaily11 & DeepWeb

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