L'universo specchio, con il big bang al centro

Simmetria CPT e materia oscura: una nuova cosmologia speculare

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Viviamo in un’epoca d’oro per l’apprendimento dell’universo. I nostri telescopi più potenti hanno rivelato che il cosmo è sorprendentemente semplice sulle scale visibili più grandi. Allo stesso modo, il nostro “microscopio” più potente, il Large Hadron Collider, non ha trovato deviazioni dalla fisica nota 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 stringh, un potente framework matematico senza ancora previsioni fisiche di successo, e “inflazione cosmica”, l’idea che, in una fase molto precoce, l’universo si sia gonfiato selvaggiamente in termini di dimensioni. 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 sconcertante varietà 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 costituito da molti universi, ciascuno con proprietà fisiche e leggi totalmente diverse.

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

L’altra possibilità è che l’universo sia davvero molto semplice e prevedibile sia sulla scala più grande che su quella più piccola. Credo che questa possibilità debba essere presa molto più seriamente. Perché, se fosse vera, potremmo essere più vicini di quanto immaginassimo a comprendere i più basilari enigmi dell’universo. E alcune delle risposte potrebbero già essere sotto i nostri occhi.

Indice

Il problema con la teoria delle stringhe e l’inflazione

L’attuale ortodossia è il culmine di decenni di sforzi da parte di migliaia di seri teorici. Secondo la teoria delle stringhe, i mattoni fondamentali dell’universo sono minuscoli anelli vibranti e pezzi di stringa subatomica. Come attualmente inteso, la teoria funziona solo se ci sono più dimensioni dello spazio delle tre che sperimentiamo. Quindi, i teorici delle stringhe presumono che il motivo per cui non le rileviamo è che sono minuscole e arrotolate.

Sfortunatamente, questo rende difficile testare la teoria delle stringhe, poiché esiste un numero quasi inimmaginabile di modi in cui le piccole dimensioni possono essere ripiegate, ognuno dei quali fornisce 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 infantile fosse piccolo e grumoso, ma un’esplosione estrema di espansione ultra-rapida lo ha fatto esplodere enormemente in termini di dimensioni, levigandolo e appiattendolo per renderlo 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, innescando la formazione di galassie.

Negli ultimi tre decenni, le variazioni di densità sono state misurate con sempre maggiore accuratezza sia mappando la radiazione cosmica di fondo (la radiazione del big bang) sia mappando la distribuzione tridimensionale delle galassie.

Nella maggior parte dei modelli di inflazione, la prima estrema esplosione di espansione che ha levigato e appiattito l’universo ha anche generato onde gravitazionali a lunghezza d’onda lunga, ovvero increspature nel tessuto dello spazio-tempo. Tali onde, se osservate, sarebbero un segnale di “pistola fumante” che conferma che l’inflazione ha effettivamente avuto luogo. Tuttavia, finora le osservazioni non sono riuscite a rilevare alcun segnale del genere. Invece, man mano che gli esperimenti sono costantemente migliorati, sono stati esclusi sempre più modelli di inflazione.

Inoltre, durante l’inflazione, diverse regioni dello spazio possono sperimentare quantità di espansione molto diverse. Su scale molto grandi, ciò produce un multiverso di universi post-inflazionistici, ognuno con proprietà fisiche diverse.

La storia dell'universo secondo il modello dell'inflazione cosmica
La storia dell’universo secondo il modello dell’inflazione cosmica. wikipedia, CC BY-SA

Lo scenario dell’inflazione si basa su ipotesi, sulle forme di energia presenti e sulle condizioni iniziali. Mentre queste ipotesi risolvono alcuni enigmi, 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 giuste proprietà per adattarsi all’universo che vediamo.

Tuttavia, anche se questo fosse vero (e non è stato ancora trovato un modello del genere), un confronto equo delle teorie dovrebbe includere un “fattore di Occam”, che quantifica il rasoio di Occam, che penalizza le teorie con molti parametri e possibilità rispetto a quelle più semplici e più predittive. Ignorare il fattore di Occam equivale a supporre che non ci sia alternativa all’ipotesi complessa e imprevedibile, un’affermazione che ritengo abbia scarso fondamento.

Negli ultimi decenni, ci sono state molte opportunità per esperimenti e osservazioni di rivelare segnali specifici della teoria delle stringhe o dell’inflazione. Ma non ne è stato visto nessuno. Ancora e ancora, le osservazioni si sono rivelate più semplici e più minimali del previsto.

Credo che sia giunto il momento di riconoscere questi fallimenti, di trarne insegnamento e di cominciare a cercare seriamente alternative migliori.

Un’alternativa più semplice

Di recente, alcuni ricercatori hanno cercato di costruire teorie più semplici e più verificabili che eliminassero l’inflazione e la teoria delle stringhe. Prendendo spunto dalle osservazioni, hanno cercato di affrontare alcuni dei più profondi enigmi cosmici con un minimo di ipotesi teoriche.

I primi tentativi hanno avuto successo oltre le più rosee speranze. Il tempo ci dirà se sopravvivranno a un ulteriore esame. Tuttavia, i progressi che hanno già fatto convincono che, con ogni probabilità, ci sono alternative all’ortodossia standard, che è diventata una camicia di forza da cui dobbiamo liberarci.

Si spera che questa esperienza incoraggi altri, in particolare i ricercatori più giovani, a esplorare nuovi approcci guidati fortemente dalla semplicità delle osservazioni, e a essere più scettici sui preconcetti dei più anziani. In definitiva, dobbiamo imparare dall’universo e adattare le nostre teorie a esso, piuttosto che viceversa.

Questi ricercatori hanno iniziato affrontando uno dei più grandi paradossi della cosmologia. Se seguiamo l’universo in espansione a ritroso nel tempo, usando la teoria della gravità di Einstein e le leggi note della fisica, 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 sottolineato una profonda simmetria nelle leggi fondamentali che governano la luce e le particelle prive di massa. Questa simmetria, chiamata simmetria “conforme”, significa che né la luce né le particelle prive di massa sperimentano effettivamente il restringimento dello spazio al big bang.

Sfruttando questa simmetria, si può seguire la luce e le particelle fino all’inizio. Facendo ciò, questi ricercatori hanno scoperto che si poteva descrivere la singolarità iniziale come uno “specchio”: un confine riflettente nel tempo (con il tempo che si muove in avanti da un lato e all’indietro dall’altro).

Rappresentare il big bang come uno specchio spiega in modo chiaro molte caratteristiche dell’universo che altrimenti potrebbero sembrare in conflitto con le leggi più basilari della fisica. Ad esempio, per ogni processo fisico, la teoria quantistica consente un processo “specchio” in cui lo spazio è invertito, il tempo è invertito e ogni particella è sostituita con la sua antiparticella (una particella simile a essa in quasi tutti gli aspetti, ma con la carica elettrica opposta).

Secondo questa potente simmetria, chiamata simmetria CPT, il processo “specchio” dovrebbe verificarsi esattamente alla stessa velocità di quello originale. Uno degli enigmi più basilari sull’universo è che sembra [violare la simmetria CPT] perché il tempo scorre sempre in avanti e ci sono più particelle che antiparticelle.

Questa ipotesi dello specchio ripristina la simmetria dell’universo. Quando ti guardi allo specchio, vedi la tua immagine speculare dietro di esso: se sei mancino, l’immagine è destrorsa e viceversa. La combinazione di te e della tua immagine speculare è più simmetrica di quanto lo sia tu da solo.

Allo stesso modo, quando questi ricercatori 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 in numero le particelle. Affinché questa immagine sia vera, non abbiamo bisogno che l’universo speculare sia reale nel senso classico (proprio come la tua immagine in uno specchio non è reale). 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 speculare come a un dispositivo matematico che assicura che la condizione iniziale per l’universo non violi la simmetria CPT.

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

I neutrini pesanti “destrorsi” non sono mai stati osservati direttamente, ma la loro esistenza è stata dedotta dalle proprietà osservate dei neutrini leggeri sinistrorsi. I neutrini stabili destrorsi sarebbero i candidati perfetti per la materia oscura perché non si accoppiano a nessuna delle forze note, eccetto la gravità. Prima i questo lavoro, non si sapeva come potessero essere stati prodotti nell’universo caldo primordiale.

L’ipotesi dello specchio ci ha permesso di calcolare esattamente quanti se ne sarebbero formati e di dimostrare che potevano spiegare la materia oscura cosmica.

Ne è seguita una previsione verificabile: se la materia oscura è composta da neutrini stabili destrorsi, allora uno dei tre neutrini leggeri che conosciamo deve essere esattamente privo di massa. Sorprendentemente, questa previsione è ora sottoposta a verifica utilizzando osservazioni dell’aggregazione gravitazionale della materia effettuate da indagini galattiche su larga scala.

L’entropia degli universi

Incoraggiati da questo risultato, questi ricercatori si sono messi ad affrontare un altro grande enigma: perché l’universo è così uniforme e spazialmente piatto, non curvo, sulle scale visibili più grandi? Dopotutto, 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 distribuite più o meno uniformemente nello spazio e che condividono l’energia totale più o meno equamente. Questo tipo di argomentazioni sono utilizzate nella fisica statistica, il campo che sta 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. Utilizzando un’argomentazione elegante, hanno calcolato la temperatura e l’entropia dei buchi neri. Utilizzando l’ipotesi “specchio”, si è riusciti a estendere le loro argomentazioni alla cosmologia e a calcolare l’ entropia di interi universi.

Con sorpresa, l’universo con l’entropia più alta (il che significa che è 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 di inflazione cosmica.

Come sarebbero state generate le variazioni di densità primordiali, solitamente attribuite all’inflazione, nel nostro universo speculare simmetrico? Di recente, è stato dimostrato che uno specifico tipo 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 lunghezza d’onda lunga che l’inflazione prevede, e che non sono state osservate.

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

Anche se la nuova teoria fallisse, ci avrebbe insegnato una lezione preziosa. Potrebbero esserci 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 fondamenta più solide sia per la fisica fondamentale sia per la nostra comprensione dell’universo.