nuovi scenari sull'universo!! vediamo di capirne qualcosa.
Forse fra poco potremmo dire addio all’idea che l’universo sia nato dal big bang come singola palla di fuoco. Studiosi stanno esplorando una nuova teoria basata sull’ipotesi, enunciata ormai 15 anni fa, che l’universo abbia attraversato uno stadio di inflazione. Durante questo stadio , afferma la teoria, il cosmo si ampliò esponenzialmente in una infinitesima frazione di secondo; dopo di che, l’universo continuò la propria evoluzione secondo il modello del big bang. Via via che gli studiosi hanno perfezionato lo scenario dell’inflazione, sono venute in luce alcune conseguenze sorprendenti, una delle quali rappresenta un cambiamento fondamentale nella visione del cosmo. Secondo le versioni più recenti della teoria inflazionaria, l’universo, anziché essere una palla di fuoco in espansione, sarebbe un immenso frattale che cresce continuamente: esso sarebbe costituito da molte sfere che si rigonfiano, le quali producono nuove sfere, che a loro volta ne generano altre, all’infinito.
Questa concezione piuttosto bizzarra dell’universo non è nata arbitrariamente. Parecchi ricercatori, prima in Russia e poi negli Stati Uniti, proposero l’ipotesi inflazionaria che ne costituisce il fondamento allo scopo di risolvere alcune complicazioni create dalla vecchia teoria del big bang. Nella sua forma tradizionale, questa afferma che l’universo nacque circa 15 miliardi di anni fa da una singolarità cosmologica, ossia uno stato di temperatura e densità infinite. Come è ovvio queste grandezze non possono essere realmente descritte in termini fisici come infinite; di solito si postula che le attuali leggi fisiche non fossero applicate a quell’epoca. Esse cominciarono a valere solo dopo che la densità dell’universo fu scesa al di sotto della densità di Planck, che è pari a 1094 g/cc.
Via via che l’universo si espandeva, cominciò gradualmente a raffreddarsi. Un residuo dell’esplosione primordiale esiste ancora oggi: è la radiazione di fondo a microonde, la quale indica che la temperatura dell’universo è scesa a 2,7 kelvin. La scoperta di questa radiazione si è rivelata la prova cruciale che ha dato alla teoria del big bang il suo attuale ruolo preminente in cosmologia. Questa teoria aveva anche il pregio di spiegare le abbondanze dell’idrogeno e degli altri elementi dell’universo.
Molti dilemmi hanno costretto i fisici a riflettere in maniera approfondita sugli assunti di base della teoria cosmologica standard, parecchi dei qualsiasi sono rivelati, a un più attento esame, decisamente precari.
La teoria inflazionaria non è sempre stata così semplice da un punto di vista concettuale, i tentativi di costruire una teoria dell’espansione esponenziale dell’universo hanno una lunga storia. Dopo varie realistiche versioni ed interpretazioni arriviamo alla parte più interessante della nostra storia, ossia alla teoria di un universo inflazionario eternamente esistente e in grado di autoriprodursi. E’ una teoria assai generale, ma appare particolarmente promettente e conduce alle conseguenze più profonde nel contesto dello scenario dell’inflazione caotica.
Si possono visualizzare come onde le fluttuazioni quantistiche del campo scalare in un universo inflazionario. Inizialmente queste onde si muovevano in tutte le direzioni possibili, per poi bloccarsi l’una sopra l’altra; ciascuna onda bloccata incrementava leggermente il campo scalare in alcune parti dell’universo e lo diminuiva in altre. Ora consideriamo quelle regioni dell’universo dove le onde che si bloccavano hanno costantemente aumentato il campo scalare. I rari domini dell’universo dove il campo riesce ad acquisire un valore abbastanza alto cominciano a espandersi esponenzialmente a velocità sempre crescente; più alto è il valore del campo scalare, più veloce è l’espansione. Ben presto questi rari domini raggiungono un volume molto superiore a quello di tutti gli altri.
L'evoluzione di un campo scalare genera molti domini inflazionari, come rivela questa sequenza di immagini generate al calcolatore. In quasi tutte le regioni dell'universo il campo scalare diminuisce (ed è rappresentato da depressioni e valli);altrove le fluttuazioni provocano la crescita del campo. In queste regioni, rappresentate nell'elaborazione come picchi, l'universo si espande rapidamente. Noi ci collochiamo in una delle valli, dove lo spazio non è più inflazione.
Da questa teoria segue che, se l'universo contiene almeno un dominio inflazionario di dimensioni sufficienti, allora esso comincerà a produrre incessantemente nuovi domini inflazionari. L'inflazione in ciascun dato punto può terminare rapidamente, ma a volte altre regioni continueranno a espandersi; il volume totale di tutti questi domini crescerà senza fine. Essenzialmente, da un universo inflazionario scaturiscono bolle inflazionarie, che a loro volta ne producono di nuove, e così via.
Questo processo, chiamato inflazione eterna, continua come una reazione a catena, producendo una configurazione di universi simile ad un frattale. In questo scenario l'universo nel suo complesso è immortale; ciascuna specifica parte di esso può derivare da una singolarità manifestatasi nel passato e potrà terminare in una singolarità nel futuro, ma non vi è alcuna fine per l'evoluzione dell'intero universo.
Che cosa sia avvenuto all'origine è incerto. Vi è la possibilità che tutte le parti dell'universo siano state generate simultaneamente in una singolarità iniziale, un big bang. Sebbene questo scenario renda l'esistenza del big bang quasi irrilevante agli effetti pratici, si può considerare il momento della formazione di ciascuna bolla inflazionaria come un nuovo "big bang". Da questa prospettiva l'inflazione non è una parte della teoria del big bang, come si pensava 15 anni fa; al contrario, è questo ad essere compreso all'interno del modello inflazionario.
Un universo capace di autoriprodursi appare come una configurazione ramificata di bolle inflazionarie. I diversi colori rappresentano "mutazioni" nelle leggi fisiche rispetto agli universi genitori. Le proprietà dello spazio in ciascuna bolla non dipendono dall'epoca di formazione della bolla stessa. In questo senso l'universo potrebbe essere stazionario, anche se l'interno di ciascuna bolla è descritto dalla teoria del big bang.
Questa nuova teoria cosmologica è estremamente insolita ed è comprensibile che sia difficile comprenderla. Una delle principali ragioni della popolarità del vecchio scenario del big bang è che immaginare l'universo come un palloncino che si espande in tutte le direzioni è relativamente semplice. E' molto più difficile afferrare alla struttura di un universo frattale che si autoriproduce all'infinito: le simulazioni al calcolatore possono essere di un certo aiuto. Studiosi hanno iniziato queste simulazioni con una fetta bidimensionale di universo riempita da un campo scalare quasi omogeneo e abbiamo calcolato in che modo il campo variava in ciascun punto del nostro dominio dopo l'inizio dell'inflazione. Poi hanno sommato a tale risultato onde sinusoidali, corrispondenti alle fluttuazioni quantistiche che si bloccano.
Applicando ripetutamente questa procedura, hanno ottenuto una seria di valori che mostrano la distribuzione del campo scalare nell'universo inflazionario. Le immagini hanno rivelato che nella maggior parte dl dominio di partenza il campo scalare decresce lentamente: noi viviamo in una di queste regioni dell'universo. Piccole onde "congelate" sopra un campo quasi omogeneo finiscono per dare origine a perturbazioni di temperatura della radiazione di fondo. Altre parti dell'immagine mostrano montagne in crescita, corrispondenti alle enormi densità di energia che producono un'inflazione estremamente rapida. Si può interpretare ogni picco come un nuovo "big bang" che crea un universo "inflazionario".
La natura frattale dell'universo è divenuta ancora più evidente quando i ricercatori hanno aggiunto un altro campo scalare. Per rendere le cose ancora più interessanti hanno preso in considerazione una teoria in cui l'energia potenziale di questo campo ha tre minimi differenti, rappresentati da altrettanti colori (vedi la figura). In una fetta bidimensionale dell'universo, i colori presso le vette delle montagne cambiano continuamente, a indicazione del fatto che il campo scalare sta rapidamente balzando da un minimo di energia a un altro. Qui le leggi fisiche non sono ancora stabilizzate; nelle valli, però, dove la velocità di espansione è bassa, i colori non fluttuano più. Il dominio in cui viviamo è uno di questi, altri domini sono estremamente lontani. Le proprietà delle particelle elementari e le leggi che regolano le loro interazioni variano nel passare da un dominio all'altro.
Nel riflettere sul processo di autoriproduzione dell'universo, non si può fare a meno di trovare delle analogie, per quanto superficiali possano essere. Si può dire: non è forse ciò che accade a noi? Qualche tempo fa siamo nati, prima o poi moriremo e l'intero mondo dei nostri pensieri, dei nostri sentimenti e dei nostri ricordi scomparirà. Ma ci sono stati altri esseri umani che sono vissuti prima di noi, ce ne saranno altri dopo di noi e l'umanità nel suo insieme potrà sopravvivere per molto tempo.
L'evoluzione della teoria inflazionaria ha dato origine ad un paradigma cosmologico del tutto nuovo, che differisce considerevolmente dalla vecchia teoria del big bang e anche dalle prime versioni del modello inflazionario. In esso l'universo appare caotico ed omogeneo, in espansione e stazionario. La nostra dimora cosmica cresce, fluttua e si riproduce eternamente in tutte le forme possibili, come se tendesse ad adattarsi a tutti i possibili tipi di vita.
Commenta