Alle origini dell’Universo: dall’inflazione al Multiverso con Alan Guth

APPROFONDIMENTO – La scorsa settimana l’International Centre for Theoretical Physics di Trieste (ICTP) ha ospitato Alan Guth, padre della teoria dell’inflazione cosmologica e Victor F. Weisskopf Professor of Physics al Massachusetts Institute of Technology. L’occasione è stata data da tre lezioni, attorno a vari aspetti della teoria del Multiverso e ai suoi legami con l’inflazione, che Guth ha tenuto nell’ambito delle Salam Distinguished Lecture Series, lezioni aperte al pubblico che si tengono annualmente all’ICTP e che vedono ospiti scienziati di fama mondiale (qui il link per chi volesse vedere o scaricare le lezioni). Quello di Guth è un ritorno in quanto proprio all’ICTP, nel 2002, gli era stata consegnata la Medaglia Dirac per i suoi studi sull’inflazione.

La teoria dell’inflazione cosmologica, proposta da Guth nel 1979, prevede che l’Universo, durante il Big Bang, abbia subito una fase di espansione fortemente accelerata che ne avrebbe aumentato le dimensioni di un miliardo di miliardi di volte in appena un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Per quanto questo fenomeno possa sembrare singolare esso era in grado di risolvere alcuni problemi che si erano affacciati nella teoria del Big Bang in quegli anni. Guth stava lavorando sulla Teoria di Grande Unificazione (GUT), un’insieme di teorie che unificano interazione forte, debole ed elettromagnetica, ossia tre delle quattro interazioni fondamentali, che così non sarebbero altro che diverse manifestazioni di un unico campo la cui unità sarebbe visibile solo alle altissime energie che si sono avute nei primi istanti di vita dell’Universo.

La GUT, in particolare, prevede l’esistenza di particolari particelle facilmente individuabili dette monopoli magnetici. Queste dovrebbero essere state prodotte in gran numero nei primi istanti dell’Universo ma in realtà non sono mai state osservate. Guth propose allora l’espansione inflazionaria proprio come un meccanismo in grado di diluire enormemente la presenza di monopoli (addirittura ce ne potrebbe essere appena uno in tutto l’Universo visibile) e giustificare il fatto che non ne siano stati mai osservati. La teoria, inoltre, ha il grande pregio di spiegare in maniera molto naturale perché l’Universo appare omogeneo e uniforme risolvendo il cosiddetto problema dell’orizzonte. Anche se non vi è ancora un fenomeno fisico ben riconosciuto alla base dell’inflazione, la teoria nel corso degli anni ha avuto un successo sempre crescente in quanto è stata sempre in grado di spiegare molto bene le proprietà dell’Universo che sono state man mano individuate. Tra le sue conseguenze più strane vi è però anche la possibilità che il nostro sia solo uno tra infiniti universi che vengono continuamente prodotti in un processo senza fine e che quindi faccia parte di un cosiddetto Multiverso.

Abbiamo quindi approfittato della presenza di Guth all’ICTP per chiedergli quale sia il filo conduttore dei suoi studi a cavallo tra cosmologia e fisica teorica, per chiedergli lumi sull’inflazione e le sue conseguenze e per avere un chiarimento su un premio molto particolare che ha vinto qualche tempo fa.

La sua teoria dell’inflazione cosmologica è piuttosto famosa. Ma l’inflazione e la cosmologia non sono i suoi soli campi di ricerca. Si può dire che si trova nella area di sovrapposizione tra cosmologia e fisica teorica, giusto? Ci può spiegare in generale di cosa si occupa?

In generale lavoro su vari aspetti legati alla cosmologia: mi occupo della questione di come l’Universo potrebbe essersi formato dal nulla, mi occupo delle diverse fasi dell’evoluzione dei primissimi istanti di vita dell’Universo. Attualmente sto lavorando a un progetto con un certo numero di studenti su come l’inflazione e la cosmologia possono produrre buchi neri primordiali che potrebbero essere diventati magari i buchi neri super massivi al centro delle galassie. Sto anche lavorando su un tema completamente differente, il cosiddetto Cosmic Bell Experiment.

L’esperimento di Bell costituisce un test sulla validità della meccanica quantistica, un esperimento progettato per distinguerla da una possibile teoria delle variabili nascoste, una teoria deterministica che potrebbe sottostare alla meccanica quantistica (teorizzata dallo stesso Einstein in opposizione all’indeterminazione della meccanica quantistica, Nda). L’esperimento coinvolge due polarizzatori che devono essere settati in maniera casuale affinché l’esperimento sia valido e sia in grado di distinguere tra la meccanica quantistica e una teoria delle variabili nascoste. Di solito questo è fatto attraverso diversi tipi di generatori di numeri random, ma questo lascia la possibilità che se la teoria sottostante davvero coinvolge delle variabili nascoste, tale teoria può manipolare i generatori di numeri random e può così contraffare la meccanica quantistica. Ciò che rende il Cosmic Bell Experiment diverso da altri è che i detector sono settati sulla base di fotoni provenienti da sorgenti astronomiche distanti. Questo garantisce che se c’è una teoria invariante che prova a imitare la meccanica quantistica dovremmo aver pianificato questa strategia almeno 600 anni fa perché stiamo usando la luce di stelle lontane 600 anni luce. Quindi ciò mette di vincoli molto forti sulla possibilità che qualche teoria invariante ci dia l’illusione che la teoria giusta sia quella quantistica.

Non capita tutti i giorni di poter sentire una teoria come quella dell’inflazione direttamente da chi l’ha formulata. Ce la potrebbe spiegare e chiarirci perché ha avuto tanto successo?

L’inflazione in pratica è un teoria su ciò che ha guidato il big bang causando l’espansione dell’Universo. Prima dell’inflazione avevamo ciò che chiamo la teoria del big bang classica. Questa teoria non dice nulla sulla natura del bang in sé: anche se ha il nome di teoria del big bang in realtà è solo la teoria di ciò che ne è seguito e non dice nulla sulle sue cause. La teoria dell’inflazione fornisce delle possibili risposte a questa domanda e porta alla predizione che l’Universo primordiale abbia subito una fase di espansione esponenziale per un certo periodo di tempo. Espansione esponenziale vuol dire che la grandezza dell’Universo raddoppia e poi raddoppia e raddoppia ancora. Secondo questa teoria, la repulsione che ha fatto crescere l’Universo in espansione esponenziale – ciò che chiamiamo Big Bang – può essere guidata da una forma repulsiva di gravità. Questo però non vuol dire che sia basata su una nuova forma di gravità. Infatti, anche se è vero che la gravità newtoniana è sempre attrattiva – e infatti l’inflazione non è possibile con questa – in realtà la gravità è descritta dalla teoria della Relatività Generale e questa permette una repulsione gravitazionale.

L’inflazione propone che proprio questo tipo di gravitazione repulsiva sia stata la forza che ha guidato il big bang. È emerso che ciò porta a delle conseguenze ben definite che possono essere verificate. L’inflazione, ad esempio, porta la densità di massa dell’Universo verso un particolare valore detto densità critica. Quando l’inflazione è stata proposta non sembrava che l’Universo avesse una densità di massa pari a quella critica, sembrava piuttosto che fosse tra un quinto e un terzo di questo valore. Questa conoscenza ha avuto un cambiamento drammatico nel 1998 quando gli astronomi hanno scoperto che l’espansione dell’Universo non sta rallentando sotto l’impulso della gravità, ma sta invece accelerando. Ciò implica che ci deve essere qualcosa che guida questa accelerazione e che viene chiamato Energia Oscura. Noi non sappiamo con sicurezza cosa sia, ma possiamo comunque ricavare quanta ce ne deve essere per provocare l’accelerazione dell’espansione che osserviamo. Da questo si ricava che la densità di massa dell’Universo deve essere uguale a quella critica con una incertezza del 0,5% e questo risultato è diventato un grande successo per l’inflazione.

La teoria dell’inflazione funziona molto bene nel descrivere le proprietà dell’Universo, tuttavia non siamo in grado di osservare direttamente cosa è avvenuto nell’Universo appena formato. Vi sono inoltre molti modelli di inflazione, ma al momento, mi corregga se sbaglio, non vi è nessun candidato fisico conosciuto che può averla causata. C’è qualche osservazione sperimentale che potrebbe aiutare a definire meglio la teoria? Pensa che riuscirà a darci qualche indizio il segnale lasciato nella radiazione cosmica di fondo dalle onde gravitazionali prodotte durante l’inflazione?

In quasi tutti i modelli di inflazione, questa è guidata da un cosiddetto campo scalare attraverso una gravità repulsiva. Un campo scalare è come una sorta di campo elettrico o magnetico con l’eccezione che questi sono campi vettoriali e quindi puntano in una direzione dello spazio. Un campo scalare invece è definito solo da un numero in ogni punto dello spazio. C’è uno di questi campi di cui è stata al momento accertata l’esistenza ed è il campo di Higgs del Modello Standard, un campo che è associato alle particelle che sono state scoperte al Cern nel 2012 – i bosoni di Higgs – e che hanno completato il Modello Standard: una scoperta sperimentale spettacolare. L’inflazione può essere basata utilizzando qualcosa di analogo al campo di Higgs. È risultato che il campo di Higgs stesso può essere concepito come il campo che ha guidato l’inflazione, anche se in realtà è molto probabile che l’inflazione sia stata causata da qualche campo a energie più alte che non abbiamo ancora scoperto. Anche se non sappiamo molto sulla natura del campo che ha guidato l’inflazione, le misure molto precise e fantastiche che abbiamo fatto col satellite Plank e altri esperimenti ci hanno fornito dei vincoli molto stretti per le proprietà del campo inflatonico, in particolare sulla funzione che descrive la densità di energia come la funzione del valore del campo. Ora sappiamo qualcosa di questa funzione anche se non abbiamo ancora identificato il campo inflatonico e la particella associata ad esso.

Per quanto riguarda le onde gravitazionali primordiali, il modo B della polarizzazione ci permette di vedere i loro effetti attraverso il pattern della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. Sarebbe grande se si trovassero poiché, come i tuoi lettori potrebbero sapere, nel 2014 il gruppo BICEP 2 annunciò che aveva individuato esattamente quei modi B, ma poi è emerso che si sbagliava. È risultato infatti che c’era abbastanza polvere nella nostra galassia da rendere conto dell’intero segnale rilevato – anche la polvere può produrre questi modi B. Gli astronomi stanno però ancora provando a rilevare le onde gravitazionali cercando di tenere conto del segnale prodotto dalla polvere. Il segnale delle onde gravitazionali primordiali sarebbe una scoperta di incredibile importanza per la nostra comprensione dell’inflazione. Un questione chiave tuttora sconosciuta dei questa teoria e è infatti la scala di energia alla quale è avvenuta. Quale è stata la densità di energia dell’Universo al tempo dell’inflazione? Questo è anche una sorta di indizio del tempo esatto in cui è avvenuta. Noi non lo sappiamo e tutti i tipi dati che abbiamo, indipendentemente dalla loro precisione, non toccano la questione. Ma scoprire i modi B risponderà alla questione e ci dirà a quale scala di energia è avvenuta l’inflazione e questo è cruciale se sta cercando di capire la fisica sottostante all’inflazione.

C’erano molte aspettative sui risultati degli esperimenti al LHC per riuscire a trovare indizi su una nuova classe di leggi fisiche, ma vi è stata solo la definitiva coronazione del Modello Standard con l’osservazione del bosone di Higgs. Dato che non possiamo produrre energie ancora maggiori pensa che la cosmologia possa essere una sorta di ultima risorsa per la fisica teorica?

Beh, di sicuro le ricerche cosmologiche aprono una finestra nella fisica delle particelle in quanto in linea di principio rendono possibili delle osservazione a energie molto più alte di quelle che possono raggiungere gli acceleratori. Un esempio molto importante è quello dell’esatta natura di questo campo inflazionario. Se noi riuscissimo a individuarla sulla base di precise osservazioni cosmologiche questo ci darebbe informazioni sulla fisica ben oltre le energie del Modello Standard. Sarebbe davvero una scoperta molto importante.

Qui all’ICTP ha tenuto delle lezioni sulla teoria del Multiverso e su vari aspetti attorno ad essa. Ci potrebbe accennare qualcosa su questa teoria?

Come detto la teoria dell’inflazione prevede che l’Universo primordiale abbia subito una fase di espansione esponenziale per un certo periodo di tempo. In seguito almeno nella nostra parte di Universo questa espansione esponenziale è cessata convertendosi nell’espansione ordinaria: si passa quindi da una espansione accelerata a una che invece rallenta lentamente sotto l’effetto della gravità. Ora sappiamo che l’Universo attuale sta di nuovo accelerando, un fenomeno che pensiamo sia simile a ciò che è avvenuto nell’Universo primordiale. La questione alla base dell’idea di Multiverso, una delle principali che motivano quest’idea, deriva direttamente dall’inflazione e dalla particolare modalità con cui cessa questa espansione esponenziale dell’Universo primordiale: in quasi tutti i modelli che descrivono cosa accade, infatti, non cessa contemporaneamente ovunque. Mentre termina in una regione producendo un Universo che in questo contesto chiamiamo Universo bolla, l’espansione esponenziale continuerà altrove fermandosi in maniera casuale nelle varie zone producendo così molti altri di questi universi bolla. Ma ci sarà sempre uno spazio di sfondo che andrà avanti in eterno espandendosi esponenzialmente producendo un numero crescente in maniera esponenziale di universi bolla e questo è ciò che chiamiamo Multiverso

A questo punto una domanda semplice, ma fondamentale: da dove viene l’Universo?

Beh, certamente non lo sappiamo. Abbiamo delle teorie speculative sull’origine ultima dell’Universo. Devo enfatizzare il fatto che l’inflazione non è una teoria sull’origine dell’Universo. L’inflazione inizia con un Universo molto piccolo e descrive come è cresciuto. Il tipo di teoria che riguarda la creazione dell’Universo su cui i teorici stanno facendo speculazioni si basa su ipotesi che derivano da una comprensione qualitativa della gravità quantistica – noi non abbiamo una teoria della gravità quantistica e ciò rende il tutto piuttosto speculativo. Ciò nonostante  è stato teorizzato che nella teoria definitiva della gravità quantistica, che ancora non abbiamo, ci potrebbe essere uno stato che si può identificare come assolutamente nulla: uno stato senza spazio, senza tempo, senza nulla. Questo sarebbe il punto di partenza naturale per l’Universo. E poi la teoria potrebbe descrivere il salto quantico che da quello stato di nulla produce presumibilmente un piccolo Universo iniziale che poi subisce l’inflazione per diventare infine l’Universo che vediamo. I fisici hanno seguito queste congetture pubblicando articoli, ma di sicuro non abbiamo una teoria definitiva su questo.

E questo è in conflitto con la teoria del Multiverso?

No, non è in conflitto con la teoria del Multiverso. Può anzi contribuire alla teoria in quanto questi processi quantici possono avvenire molte volte, per quanto ne sappiamo, e questo già produce un Multiverso. Ogni volta che ciò avviene produce un Universo inflazionario che può iniziare una inflazione eterna producendo un Multiverso all’interno di ognuna di queste origini. In questo modo quindi si moltiplicano i possibili multiversi.

Un ultima domanda. Gira voce che qualche anno fa abbia vinto una gara per l’ufficio più disordinato. È vero? Si trattava forse di un esperimento sull’entropia?

Hehe, giusto! Si è trattato di uno dei miei principali esperimenti sull’entropia. Volevo vedere quanto può crescere velocemente e ciò ha impegnato il mio ufficio molto al di là di ogni mia aspettativa.

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