Spacetime

L’Universo senza compleanno

Secondo il modello del Big Bang, la struttura su larga dell’Universo si espande continuamente, e sempre più velocemente, e lo spazio appare mediamente uguale in ogni direzione. Inoltre, il modello del Big Bang assume che la fisica convenzionale, inclusa la teoria della gravità di Einstein, sia più o meno corretta. In base a questo modello, se si riavvolge indietro di 13,8 miliardi di anni la storia cosmica si arriva ad un “inizio” in cui l’Universo si trovava in uno stato fisico incredibilmente caldo e denso: stiamo parlando della singolarità gravitazionale. Il tempo inizia quando questa singolarità esplode nel Big Bang. Stephen Hawking ha dichiarato che è possibile “eliminare” dalle nostre teorie cosmologiche alcuni eventi “prima” del Big Bang in quanto non esiste alcun modo di misurarli. Tuttavia, la domanda su ciò che ha preceduto il Big Bang rimane ancora affascinante e per qualche scienziato non si può evitare dal punto di vista teorico.

Lo scorso anno, i fisici Saurya Das dell’University of Lethbridge in Alberta e Ahmed Ali della Benha University in Egitto pubblicarono un articolo in cui affermavano che l’Universo, a differenza del modello del Big Bang, non ha avuto un inizio (post). Essi ammettono che circa 13,8 miliardi di anni fa vi fu una immediata esplosione di energia ma negano l’esistenza di una singolarità iniziale. Secondo il modello del Big Bang, il nostro Universo ebbe origine da un punto infinitamente denso, per l’appunto da uno stato singolare. Tuttavia, una buona teoria fisica non dovrebbe contenere delle singolarità perciò gli scienziati hanno tentato di capire nel corso degli anni se effettivamente la meccanica quantistica fosse in grado di eliminarle. Nel modello proposto da Das e Ali si parte dal presupposto per cui la posizione e la velocità di qualsiasi cosa presente nel cosmo, secondo il principio di indeterminazione, è incerta, inclusa la singolarità stessa, che quindi non dovrebbe esistere con certezza. In più c’è il problema del tempo. La domanda è: il tempo ha avuto un inizio? Il modello del Big Bang afferma di sì mentre secondo il modello di Das e Ali l’età dell’Universo sarebbe infinita. Inoltre, il nostro Universo contiene circa il 70 percento di energia scura e circa il 25 percento di materia scura, le cui origini sono sconosciute. Il modello di Das e Ali tenta di affrontare questo problema ipotizzando che l’Universo sia permeato da una sorta di “fluido quantistico freddo” noto come condensato di Bose-Einstein, che può tener conto della materia ed energia scure. Ma in che modo? Questo fluido composto da gravitoni, cioè le ipotetiche particelle che dovrebbero mediare l’interazione gravitazionale, ha una massa e densità. I due scienziati postulano che tale densità possa spiegare in qualche modo la densità osservata della materia scura. Inoltre, il fluido, essendo un oggetto quantistico, esercita una forza quantistica minima che sarebbe assente nel caso in cui il cosmo fosse deterministico, così come ritenevano Newton e Einstein. Questa forza, che ha una pressione negativa, spiegherebbe così l’azione dell’energia scura e i calcoli eseguiti finora dai due ricercatori sono promettenti.

Che ne è della singolarità iniziale del Big Bang? Se l’Universo in cui viviamo ebbe origine circa 13,8 miliardi di anni fa da una singolarità gravitazionale, non esiste alcun modo di dire ciò che accadde prima, dato che le teorie fisiche non possono essere estese prima di questo evento: ciò vuol dire che lo spazio e il tempo cessano di avere un significato. Dunque, siamo di fronte ad un grosso problema. Secondo l’idea proposta da Das e Ali, si traccia all’indietro la storia cosmica utilizzando non la meccanica classica deterministica bensì la meccanica quantistica. In questo modo, man mano che l’Universo diventa sempre più piccolo e più denso, procedendo verso il passato, esso non si contrae in un punto a densità infinita ma continua a ritroso per sempre. In altre parole, la singolarità iniziale del Big Bang viene eliminata dalle incertezze quantistiche. Se poi le predizioni di questo nuovo modello saranno supportate dalle attuali e future osservazioni, si potrebbe proporre anche una teoria alternativa all’inflazione cosmica che presenta un certo numero di problemi nonostante spieghi in maniera brillante l’omogeneità, l’isotropia e la geometria spazialmente piatta del nostro Universo. L’Universo esisterà per sempre? Secondo i due scienziati la risposta è sì. Se la teoria è corretta e il fluido di Bose-Einstein rimarrà intatto, l’Universo dovrebbe continuare ad accelerare al punto che le galassie scompariranno dal rispettivo orizzonte diventando alla fine invisibili: si parla di un altro evento catastrofico noto come Big Rip. D’altra parte, però, se il fludio quantistico si frammenterà l’Universo potrebbe arrestare la sua accelerazione, rallentando sempre più al punto da ricollassare nuovamente in un piccolo volume di spazio. Das e Ali stanno studiando queste eventualità. C’è da dire che il loro modello si basa sulla meccanica quantistica standard e perciò è consistente con le sue varie interpretazioni. Una di loro è la cosiddetta “interpretazione a molti mondi” che ipotizza l’esistenza di universi paralleli. Forse, questi ultimi potrebbero esistere davvero.

Physics Letters B: Cosmology from quantum potential
arXiv: Bose-Einstein condensation as an alternative to inflation 
arXiv: Discreteness of time in the evolution of the universe
arXiv: Dark matter and dark energy from Bose-Einstein condensate