Un singolo buco nero “nudo” riscrive la storia dell’universo

Il telescopio spaziale James Webb ha scoperto un solitario buco nero nell’universo primordiale con una massa pari a quella di 50 milioni di soli. Questa importante scoperta mette in discussione le teorie sul cosmo primordiale.

Un buco nero di dimensioni gigantesche appare misteriosamente nell’universo primordiale senza una galassia che lo circondi.

Nell’universo primordiale è stato individuato un buco nero diverso da qualsiasi altro mai visto. È enorme e sembra trovarsi essenzialmente isolato, con poche stelle che gli orbitano attorno. Questo oggetto, che potrebbe rappresentare una nuova classe di enormi buchi neri “nudi”, stravolge la comprensione tradizionale dell’universo primordiale.

Gli astronomi hanno individuato il buco nero “nudo” utilizzando il telescopio spaziale James Webb (JWST). Questo nuovo buco nero, che ha una massa pari a 50 milioni di soli e che è stato soprannominato QSO1, è in contrasto con la vecchia e provvisoria teoria del processo di formazione delle galassie, che non iniziava con i buchi neri. Si pensava che i buchi neri si formassero solo dopo che le stelle di una galassia collassavano gravitazionalmente in buchi neri e che poi si fondevano e crescevano. Ma gli esperti hanno descritto un leviatano solitario senza alcuna galassia progenitrice in vista.

La domanda ora è come sia nato questo buco nero.

L’ipotesi più entusiasmante, e al contempo controversa, risale a una proposta del 1971 del fisico britannico Stephen Hawking: i buchi neri si sarebbero formati nella “zuppa primordiale” del Big Bang stesso. In tal caso, l’oggetto sarebbe rimasto nell’oscurità fin dai primi istanti dell’universo, in attesa di essere illuminato da stelle e galassie.

QSO1 è uno delle centinaia di oggetti dall’aspetto simile, soprannominati “piccoli punti rossi”, che il JWST ha individuato nei suoi primi anni di esplorazione delle profondità cosmiche. Gli astrofisici non sono ancora in grado di stabilire se tutti questi punti siano buchi neri o meno e in generale nutrono ancora dubbi sulla caotica infanzia dell’universo. Le immagini del telescopio suggeriscono un cosmo giovane e turbolento che ha creato grandi buchi neri e galassie sia insieme che indipendentemente, o forse addirittura un universo in cui i buchi neri erano tra le prime grandi strutture esistenti: scure bolle di tapioca in un tè cosmico altrimenti perfettamente omogeneo.

Puntino rosso pallido

Lukas Furtak, astronomo dell’Università Ben-Gurion in Israele, ha capito che QSO1 era straordinario nel momento stesso in cui l’ha visto, o meglio, nel momento in cui ha notato i suoi tre riflessi nascosti tra una manciata di galassie bianche e sfocate in un’immagine scattata dal JWST nel 2023. “È qualcosa che salta subito all’occhio”, ha detto Furtak: ci sono tre sorgenti puntiformi rosse!

Sebbene QSO1 sia largo solo 1.300 anni luce, e la sua luce abbia viaggiato per oltre 13 miliardi di anni, è più facile da studiare rispetto alla maggior parte degli altri Little Red Dots perché viene ingrandito e moltiplicato dal fenomeno della lente gravitazionale causato dall’ammasso di galassie Abell 2744 (noto anche come Pandora’s Cluster).

Nell’immagine, una fortuita disposizione di galassie e materia oscura ha deviato i raggi luminosi provenienti dagli oggetti sullo sfondo, proprio come farebbe una lente di vetro; questa “lente gravitazionale” rivela oggetti più profondi dell’universo primordiale di quanto il telescopio potrebbe altrimenti osservare. La lente ingrandisce e deforma la materia retrostante, creando a volte immagini multiple. Furtak stava mappando le macchie di galassie a forma di banana che la lente aveva proiettato in più punti quando ha individuato i tre punti rossi di QSO1.

I puntini attirarono la sua attenzione perché non mostravano segni di allungamento. Sapeva che l’unica cosa che, anche dopo essere stata allungata, assomiglia a un piccolo punto rotondo, è un punto ancora più piccolo e rotondo. Non si trattava di una galassia, pensò; doveva essere un buco nero, una concentrazione di massa così densa che la sua gravità creava una zona di spazio inesorabile intorno a sé.

Nei sei mesi successivi, Furtak e i suoi collaboratori, hanno incaricato il JWST di fissare ciascuno dei tre punti rossi per 40 ore ciascuno per effettuare un censimento dei colori della luce proveniente dall’oggetto, noto come spettro. Tale studio ha concluso che è molto probabile che QSO1 sia un buco nero incandescente che racchiude una massa equivalente a decine di milioni di soli in uno spazio di massimo 100 anni luce di diametro, visto come appariva quando l’universo aveva solo 750 milioni di anni. Oggi il cosmo si sta avvicinando ai 14 miliardi di anni.

Il telescopio spaziale James Webb, lanciato nel 2021, ha individuato centinaia di strani buchi neri e galassie nell’universo primordiale, rivelando un primo miliardo di anni di storia cosmica molto caotico.

QSO1 è stato uno dei primi piccoli punti rossi scoperti. Ora ce ne sono più di 300 e un acceso dibattito sulla loro natura infuria da due anni. Hanno alcune caratteristiche classiche dei buchi neri incandescenti, ma non altre. Le stime delle loro masse sono state (fino ad ora) alquanto indirette. Di conseguenza, alcuni astrofisici hanno sostenuto -come ha fatto un gruppo in un’analisi di oltre 100 piccoli punti rossi – che in realtà questi oggetti sono solo galassie dall’aspetto bizzarro, senza buchi neri.

Bisogna ingrandire

Nel dicembre 2024 Roberto Maiolino ed altri collaboratori, hanno puntato il JWST su QSO1 per altre 10 ore. Hanno ingrandito il punto fino a renderlo nitido come una macchia pixelata ed hanno misurato i colori specifici provenienti da ciascun pixel. Da questi spettri, hanno calcolato la velocità con cui la sostanza luminosa in ogni pixel si muoveva verso di noi o si allontanava da noi. Gli scienziati hanno scoperto che il materiale luminoso, probabilmente gas caldo, turbinava in un vortice furioso, confermando così i risultati preliminari di Furtak.

Il loro sguardo più attento, ha rivelato in modo definitivo l’identità di QSO1.

Un indizio importante era la sua massa. Ricostruendo il vortice, il team ha misurato direttamente la massa dell’oggetto attorno al quale orbitava: 50 milioni di volte più massiccia del nostro sole. Questo risultato corrispondeva a quanto scoperto da Furtak e dai suoi collaboratori. Esso rappresenta un grande passo in avanti: suggerisce che la più semplice misurazione indiretta della massa, basata sull’intero spettro dell’oggetto, funziona anche per i buchi neri giovani, un punto che era stato oggetto di controversie da diverso tempo.

Finora sono stati osservati più di 300 “piccoli punti rossi”: misteriosi oggetti dell’universo primordiale che per certi versi assomigliano a grandi buchi neri luminosi e per altri a galassie insolite.

Inoltre il gruppo non ha trovato alcuna prova di una galassia stellare attorno a QSO1. Il gas orbita attorno al pixel centrale proprio come la Terra orbita attorno al Sole, il che indica che la massa è concentrata in un punto. Il team stima che il buco nero costituisca almeno due terzi della massa di QSO1, mentre il restante terzo sia costituito da gas e forse da una manciata di stelle. John Regan, che non ha partecipato alla ricerca, ritiene che siano stati prudenti e che QSO1 potrebbe essere composto per il 90% da un buco nero. “Non abbiamo mai visto niente di simile prima d’ora”, ha affermato.

Infine, gli spettri pixel per pixel hanno anche rivelato che il gas che orbita attorno al buco nero è essenzialmente idrogeno puro, un elemento che risale al Big Bang. Le stelle brillano fondendo l’idrogeno in atomi più pesanti e, quando esplodono, disperdono questi elementi più pesanti ovunque. QSO1 sembra aver raggiunto la sua forma attuale prima che molte stelle vicine avessero avuto inizio.

“La spiegazione più plausibile sembra essere che il buco nero si sia formato prima della galassia” ha affermato Marta Volonteri. Accreditata presso l’Istituto di Astrofisica di Parigi ha contribuito alla nuova analisi di QSO1.

Origini nascoste

Uno dei compiti principali per gli astrofisici ora sarà quello di capire come si sono formati QSO1 e gli altri oggetti simili, e come sono diventati i buchi neri supermassicci che oggi si trovano al centro delle galassie stellari. I buchi neri supermassicci, che possono raggiungere masse pari a miliardi di masse solari, sono stati osservati come punti di ancoraggio delle galassie alla fine del primo miliardo di anni dell’universo.

I buchi neri supermassicci sono da tempo un enigma per gli astrofisici. Sanno che le galassie possono formare buchi neri quando le loro stelle più grandi bruciano e muoiono. Questi corpi stellari si fondono e si nutrono di gas e polveri, crescendo di dimensioni. La teoria convenzionale afferma che questa crescita alla fine porta alla formazione di un gigantesco buco nero al centro della galassia. Il problema è che tutto questo nutrimento e fusione richiedono tempo e gli astrofisici faticano a immaginare che avvenga abbastanza rapidamente da dare origine ai buchi neri supermassicci che si osservano nell’universo, che ha un’età di un miliardo di anni. Per questo motivo, i teorici hanno trascorso decenni a elaborare una serie di teorie alternative sulla loro formazione.

Ora QSO1, che non ha una galassia di cui parlare, dimostra che deve esserci davvero un altro modo.

Come potrebbe dunque l’universo creare direttamente buchi neri giganteschi? Il gruppo di Maiolino propende per la proposta di Hawking. Il Big Bang ha prodotto un universo primordiale, più denso in alcune zone rispetto ad altre. Una densità sufficiente avrebbe potuto causare il collasso diretto in un buco nero, che si sarebbe poi espanso assorbendo tutta la materia circostante. Dopo centinaia di milioni di anni, alcuni di questi buchi neri “primordiali” potrebbero aver raggiunto proporzioni gigantesche, assomigliando molto a QSO1.

“È la spiegazione più plausibile che vedo” ha detto Volonteri. Ma “sono sicura che in futuro ci saranno altre persone che proporranno altre teorie”.

Ancor prima della scoperta di QSO1, Priyamvada Natarajan un astrofisica teorica dell’Università di Yale e i suoi collaboratori, avevano già pubblicato due teorie non primordiali che potevano spiegare l’origine di QSO1.

La prima teoria ipotizza che il Big Bang abbia prodotto punti densi che non sono collassati immediatamente. Invece si sono evoluti in nubi di gas nel corso di centinaia di migliaia di anni. La radiazione residua del Big Bang ha impedito a queste nubi di raffreddarsi e frammentarsi in stelle permettendo loro di diventare abbastanza massicce da collassare direttamente in buchi neri. In un articolo i ricercatori guidati da Wenzer Qin alla New York University hanno definito questi giganti che si sviluppano leggermente più tardi, buchi neri “non proprio primordiali”.

Forse QSO1 proveniva davvero da una galassia? Una di quelle che si è formata rapidamente, ha creato un grande buco nero ed è scomparsa? Nel 2014, Natarajan e Tal Alexander del Weizmann Institute of Science in Israele hanno descritto uno scenario dove una stella, in una regione particolarmente popolata, collassa in un enorme buco nero che poi sfreccia come un Pac-Man, risucchiando gas e gonfiandosi fino a raggiungere dimensioni enormi. Le altre stelle iniziali poi si spengono rapidamente, lasciando il gigantesco buco nero a se stesso.

Nessuna di queste ipotesi sull’origine di QSO1 si adatta perfettamente, sebbene ognuna sia possibile. L’unico scenario sostanzialmente escluso è quello classico, in cui le stelle collassano, si fondono e si nutrono di un disco di gas in orbita.

QSO1 non è il primo buco nero non convenzionale individuato dal JWST, sebbene sia il più spoglio. Un’altra scoperta sorprendente si trova in una galassia chiamata UHZ1, formatasi meno di mezzo miliardo di anni dopo il Big Bang. Combinando le osservazioni del JWST con i raggi X raccolti dall’oggetto attraverso il telescopio Chandra nel 2022, Natarajan e i suoi collaboratori hanno determinato che UHZ1 è più buco nero che galassia circostante. Questa e una serie di altre caratteristiche hanno portato il gruppo a concludere che il buco nero di UHZ1 è nato quando una nube di gas ha in gran parte saltato la fase stellare ed è collassata direttamente. Questa è una teoria che potrebbe funzionare anche per QSO1.

La sfida per gli astronomi risiede nel fatto che si trovano ad affrontare, per la prima volta, una nuova era della storia cosmica che si sta rivelando difficile da comprendere.

Come ragionare sulla relatività

Le idee di Albert Einstein sullo spazio-tempo non sono esattamente intuitive e non sono nemmeno del tutto originali.

Nella fisica newtoniana, spazio e tempo avevano identità indipendenti e nessuno li confondeva mai. Fu con la teoria della relatività, elaborata all’inizio del XX secolo, che parlare di spazio-tempo divenne quasi inevitabile. Nella relatività, non è più vero che spazio e tempo abbiano significati separati e oggettivi. Ciò che esiste realmente è lo spazio-tempo, e la sua suddivisione in spazio e tempo è semplicemente una convenzione umana utile.

Uno dei motivi principali per cui la relatività è considerata difficile da comprendere è che la nostra intuizione ci porta a pensare allo spazio e al tempo come entità separate. Percepiamo gli oggetti come aventi un’estensione nello “spazio” e questo ci sembra un dato di fatto piuttosto oggettivo. In definitiva, ci basta perché generalmente viaggiamo nello spazio a velocità di gran lunga inferiori a quella della luce, quindi la fisica pre-relativistica funziona.

Ma questa discrepanza tra intuizione e teoria rende il passaggio ad una prospettiva spazio-temporale alquanto intimidatorio. Quel che è peggio, le presentazioni della relatività spesso adottano un approccio dal basso verso l’alto: partono dalle nostre concezioni quotidiane di spazio e tempo e le modificano nel nuovo contesto della relatività.

Il nostro approccio sarà un po’ diverso. Potremmo considerarlo un percorso dall’alto verso il basso, prendendo sul serio fin da subito l’idea di uno spazio-tempo unificato e analizzando le sue implicazioni. Dovremo spremere un po’ le meningi, ma il risultato sarà una comprensione molto più profonda della prospettiva relativistica sul nostro universo.

Lo sviluppo della teoria della relatività viene solitamente attribuito ad Albert Einstein, ma egli fornì il culmine di un complesso quadro teorico che era in costruzione sin da quando James Clerk Maxwell unificò elettricità e magnetismo in un’unica teoria dell’elettromagnetismo negli anni Sessanta dell’Ottocento. La teoria di Maxwell spiegava cos’è la luce – un’onda oscillante nei campi elettromagnetici – e sembrava attribuire un significato particolare alla velocità con cui la luce si propaga. L’idea di un campo esistente di per sé non era del tutto intuitiva per gli scienziati dell’epoca, ed era naturale chiedersi cosa stesse effettivamente “ondeggiando” in un’onda luminosa.

Diversi fisici indagarono sulla possibilità che la luce si propagasse attraverso un mezzo che chiamarono etere luminifero. Ma nessuno riuscì a trovare prove dell’esistenza di tale etere, quindi furono costretti a inventare ragioni sempre più complesse per spiegare perché questa sostanza dovesse risultare non rilevabile. Il contributo di Einstein nel 1905 fu quello di dimostrare che l’etere era diventato del tutto superfluo e che potevamo comprendere meglio le leggi della fisica senza di esso. Tutto ciò che dovevamo fare era accettare una concezione completamente nuova di spazio e tempo. E’ un concetto piuttosto complesso, ma alla fine ne è valsa assolutamente la pena.

La teoria di Einstein divenne nota come teoria della relatività ristretta, o semplicemente relatività ristretta. Nel suo articolo fondamentale, sull’elettrodinamica dei corpi in movimento, egli sostenne la necessità di nuovi modi di pensare alla lunghezza e alla durata. Spiegò il ruolo speciale della velocità della luce ipotizzando l’esistenza di un limite di velocità assoluto nell’universo – una velocità alla quale la luce si muove nello spazio vuoto – e che tutti misurerebbero quella velocità come la stessa, indipendentemente dal mezzo di movimento. Per far sì che ciò funzionasse, dovette modificare le nostre nozioni convenzionali di tempo e spazio.

Ma non si spinse fino a sostenere l’unione di spazio e tempo in un unico spazio-tempo. Quel passo fu lasciato al suo ex professore universitario, Hermann Minkowski, all’inizio del XX secolo. Il campo della relatività ristretta è oggi noto come spazio-tempo di Minkowski.

Una volta compresa l’idea di pensare allo spazio-tempo come a un continuum quadridimensionale unificato, si possono iniziare a porsi domande sulla sua forma. Lo spazio-tempo è piatto o curvo, statico o dinamico, finito o infinito? Lo spazio-tempo di Minkowski è piatto, statico e infinito.

Einstein lavorò per un decennio per capire come la forza di gravità potesse essere integrata nella sua teoria. La sua intuizione finale fu quella di comprendere che lo spazio-tempo poteva essere dinamico e curvo, e che gli effetti di tale curvatura sono ciò che noi percepiamo come “gravità”. Il frutto di questa intuizione è ciò che oggi chiamiamo relatività generale.

La relatività speciale è quindi la teoria di uno spazio-tempo fisso e piatto, privo di gravità; la relatività generale è la teoria di uno spazio-tempo dinamico, in cui la curvatura dà origine alla gravità. Entrambe sono considerate teorie “classiche”, anche se sostituiscono alcuni principi della meccanica newtoniana. Per i fisici, “classico” non significa “non relativistico”, bensì “non quantistico”. Tutti i principi della fisica classica rimangono pienamente validi nel contesto relativistico.

Dovremmo essere disposti ad abbandonare la nostra predilezione pre-relativistica per la separazione tra spazio e tempo, e permettere loro di dissolversi nell’arena unificata dello spazio-tempo. Il modo migliore per arrivarci è riflettere ancora più attentamente su cosa intendiamo per “tempo”. E il modo migliore per farlo è tornare, ancora una volta, al modo in cui concepiamo lo spazio.

Consideriamo due punti nello spazio, come la tua casa e il tuo ristorante preferito. Qual è la distanza tra di loro?

Beh, dipende, penserete subito. C’è la distanza in linea d’aria, se potessimo immaginare di percorrere una linea perfettamente retta tra i due punti. Ma c’è anche la distanza che percorrereste in un viaggio reale, dove magari siete limitati a strade e marciapiedi pubblici, evitando edifici e altri ostacoli lungo il percorso. Il percorso che farete sarà sempre più lungo della distanza in linea d’aria, poiché la linea retta è la distanza più breve tra due punti.

Consideriamo ora due eventi nello spazio-tempo. Nel gergo tecnico della teoria della relatività, un “evento” è semplicemente un singolo punto nell’universo, specificato da posizioni sia nello spazio che nel tempo. Un evento, chiamiamolo A, potrebbe essere “a casa alle 18:00”, e l’evento B potrebbe essere “al ristorante alle 19:00”. Tenete a mente questi due eventi e immaginate un viaggio tra A e B. Non potete affrettarvi ad arrivare a B prima; se arrivate al ristorante alle 18:45, dovrete aspettare fino alle 19:00 per raggiungere l’evento nello spazio-tempo che abbiamo etichettato come B.

Ora possiamo chiederci, proprio come abbiamo fatto per la distanza spaziale tra casa e ristorante, quanto tempo intercorre tra questi due eventi.

Potreste pensare che questa sia una domanda a trabocchetto. Se un evento è alle 18:00 e l’altro alle 19:00, c’è un’ora di differenza tra i due, giusto?

Non così in fretta, dice Einstein. In una concezione del mondo antiquata e newtoniana, certo. Il tempo è assoluto e universale, e se l’intervallo tra due eventi è di un’ora, non c’è altro da aggiungere.

La relatività racconta una storia diversa. Esistono due nozioni distinte di cosa si intenda per “tempo”. Una nozione di tempo è come una coordinata nello spazio-tempo. Lo spazio-tempo è un continuum quadridimensionale e, se vogliamo specificare le posizioni al suo interno, è conveniente associare un numero chiamato “tempo” a ogni punto. Questo è generalmente ciò che abbiamo in mente quando pensiamo alle “18:00” e alle “19:00”. Si tratta di valori di una coordinata nello spazio-tempo, etichette che ci aiutano a localizzare gli eventi. Tutti dovrebbero capire cosa intendiamo quando diciamo “incontriamoci al ristorante alle 19:00”.

Ma, dice la relatività, proprio come la distanza in linea d’aria è generalmente diversa dalla distanza effettivamente percorsa tra due punti nello spazio, la durata del tempo che si sperimenta non sarà generalmente la stessa del tempo universale coordinato. Si sperimenta una quantità di tempo che può essere misurata da un orologio che si porta con sé durante il viaggio. Questo è il tempo proprio lungo il percorso. E la durata misurata da un orologio, proprio come la distanza percorsa misurata dal contachilometri della propria auto, dipenderà dal percorso intrapreso.

Questo è un aspetto di ciò che significa dire che “il tempo è relativo”. Possiamo pensare sia a un tempo comune in termini di una coordinata nello spazio-tempo, sia a un tempo personale che sperimentiamo individualmente lungo il nostro percorso. E il tempo è come lo spazio: queste due nozioni non necessariamente coincidono. (Come ha fatto notare lo storico Peter Galison, non è una coincidenza che Einstein lavorasse in un ufficio brevetti svizzero in un periodo in cui i viaggi ferroviari veloci costringevano gli europei a pensare a che ora fosse in altre città del continente, cosicché la costruzione di orologi più precisi divenne un’importante frontiera tecnologica).

Eppure, deve esserci un modo in cui il tempo non è come lo spazio, altrimenti parleremmo semplicemente di spazio quadridimensionale, invece di distinguere il tempo come qualcosa che merita una propria etichetta. E qui non stiamo pensando alla freccia del tempo: per il momento, ci troviamo in un mondo semplice con poche componenti in movimento, dove l’entropia e l’irreversibilità non sono problemi di cui dobbiamo preoccuparci.

La differenza sta in questo: nello spazio, una linea retta descrive la distanza più breve tra due punti. Nello spazio-tempo, al contrario, un percorso rettilineo rappresenta il tempo più lungo trascorso tra due eventi. È proprio questo passaggio dalla distanza più breve al tempo più lungo che distingue il tempo dallo spazio.

Per “percorso rettilineo” nello spazio-tempo, intendiamo sia una linea retta nello spazio sia una velocità di spostamento costante. In altre parole, una traiettoria inerziale, senza accelerazione. Fissiamo due eventi nello spazio-tempo: due posizioni nello spazio e i corrispondenti istanti di tempo. Un viaggiatore potrebbe percorrere la distanza tra di esse in linea retta a velocità costante (qualunque sia la velocità necessaria per arrivare al momento giusto), oppure potrebbe spostarsi avanti e indietro lungo un percorso non inerziale. Il percorso di andata e ritorno comporterà sempre una maggiore distanza spaziale, ma un minore intervallo di tempo proprio rispetto al percorso rettilineo.

Perché è così? Perché così dice la fisica. O se preferite, perché l’universo è fatto così. Forse un giorno scopriremo una ragione più profonda per cui deve essere così, ma allo stato attuale delle nostre conoscenze è uno dei presupposti fondamentali su cui costruiamo la fisica, non una conclusione derivante da principi più profondi. Le linee rette nello spazio rappresentano la distanza più breve possibile; i percorsi rettilinei nello spazio-tempo rappresentano il tempo più lungo possibile.

Potrebbe sembrare controintuitivo che i percorsi più lunghi richiedano meno tempo proprio. Va bene così. Se fosse intuitivo, non ci sarebbe voluto Einstein per arrivarci!

Nel mondo quantistico anche i punti di vista sono incerti!

I sistemi di riferimento da cui gli osservatori osservano gli eventi quantistici possono a loro volta avere più possibili posizioni contemporaneamente: un’intuizione che potrebbe avere conseguenze importanti.

La natura quantistica dei sistemi di riferimento può addirittura influenzare l’ordine percepito degli eventi.

Immagina di essere in piedi su una banchina ferroviaria e di guardare un carrello che passa. Una ragazza sul carrello lascia cadere una palla rossa brillante. Per lei, la palla cade dritta verso il basso. Ma dalla banchina, vedi la palla percorrere un arco prima di colpire il pavimento del carrello. Voi due osservate lo stesso evento, ma da sistemi di riferimento diversi: uno ancorato al carrello e l’altro alla banchina.

L’idea dei sistemi di riferimento ha una lunga storia nella fisica classica: Isaac Newton, Galileo e Albert Einstein vi si affidarono per i loro studi sul moto. Un sistema di riferimento è essenzialmente un sistema di coordinate (un modo per specificare posizioni e tempi rispetto a un punto zero, o origine) che potrebbe essere a sua volta in movimento. Einstein utilizzò i sistemi di riferimento per sviluppare le sue teorie della relatività, che rivelarono che spazio e tempo non sono fondali fissi dell’universo, ma piuttosto entità elastiche che possono allungarsi, contrarsi e deformarsi.

Ma la fisica quantistica ha per lo più ignorato i sistemi di riferimento. Alice e Bob, gli osservatori fittizi in molti esperimenti di fisica quantistica, hanno in genere posizioni fisiche diverse, ma si presume che abbiano un sistema di riferimento comune. Ora le cose stanno cambiando. I fisici quantistici si stanno rendendo conto che non possono ignorare il fatto che il sistema di riferimento a cui è ancorata Alice (simile al carrello o alla piattaforma) potrebbe avere più posizioni possibili contemporaneamente; o che l’orologio che Bob sta usando per misurare il tempo potrebbe essere soggetto ad incertezza quantistica.

Nel mondo quantistico, i sistemi di riferimento dovrebbero anche essere descritti dal formalismo della teoria quantistica.

Il fisico Časlav Brukner dell’Istituto di Ottica Quantistica e Informazione Quantistica dell’Università di Vienna e i suoi colleghi hanno dimostrato che i sistemi di riferimento quantistici offrono una nuova prospettiva su fenomeni quantistici studiati da tempo, come la sovrapposizione e l’entanglement. I risultati hanno portato a sospettare che i sistemi di riferimento quantistici potrebbero aiutare a risolvere alcuni degli strani paradossi che emergono negli esperimenti mentali quantistici.

Ancora più ambiziosamente, Brukner e i suoi colleghi sperano che riflettere sulla logica dei sistemi di riferimento quantistici possa portare a nuove intuizioni sulla gravità quantistica, un programma di ricerca che tenta di portare la gravità sullo stesso piano teorico delle altre forze fondamentali.

Posizioni sfocate

Il concetto di sistemi di riferimento quantistici è stato introdotto per la prima volta nel 1984, ma più gruppi hanno ripreso l’idea intorno al 2019, innescando un’ondata di studi recenti. Le argomentazioni ci sfidano a cambiare il nostro modo di pensare a due proprietà quantistiche essenziali: la sovrapposizione, in cui un oggetto può trovarsi simultaneamente in più stati possibili, e l’entanglement, in cui particelle distinte condividono un unico stato quantistico, in modo tale che la misurazione di una di esse determini istantaneamente lo stato dell’altra, indipendentemente dalla distanza tra loro.

Per capire come consideriamo due sistemi di riferimento che chiameremo A e B. Supponiamo che l’origine di A sia ancorata a un oggetto quantistico che ha probabilità di trovarsi in varie posizioni. Dal punto di vista di B, la posizione di A è distribuita su una certa regione. Ma dal punto di vista di A, la distanza da B è distribuita. Sembra che B sia quello in sovrapposizione.

Cosa succede se anche B è ancorato a un oggetto quantistico che si trova in una sovrapposizione di due posizioni? Allora lo stato quantistico di A è ora distribuito in due modi diversi, a seconda delle possibili posizioni di B. Poiché determinare lo stato quantistico di B determina lo stato di A, A e B sono ora entangled.

Nell’esempio precedente, due proprietà essenziali dei sistemi quantistici – sovrapposizione ed entanglement – ​​risultano dipendere dal sistema di riferimento. Il messaggio principale è che molte delle proprietà che riteniamo molto importanti, e in un certo senso assolute, sono relazionali o relative.

Anche l’ordine degli eventi soccombe ai rigori dei sistemi di riferimento quantistici. Ad esempio da un sistema di riferimento, potremmo osservare il clic di un rivelatore che si verifica in un certo istante; ma da un sistema di riferimento diverso, il clic potrebbe risultare in una sovrapposizione di eventi avvenuti prima e dopo un altro evento. Che si osservi il clic come se si verificasse in un istante particolare o come se si verificasse in una sovrapposizione di diversi ordini di eventi, dipende dalla scelta del sistema di riferimento.

Trampolino di lancio verso la gravità

I ricercatori sperano di utilizzare queste mutevoli prospettive quantistiche per dare un senso alla natura enigmatica della gravità. La relatività generale di Einstein, che è una teoria classica della gravità, afferma che la gravità è la deformazione del tessuto dello spazio-tempo da parte di un oggetto massiccio. Ma come si deformerà lo spazio-tempo se l’oggetto stesso si trova in una sovrapposizione di due posizioni? È molto difficile rispondere a questa domanda con la fisica quantistica e la gravità tradizionali.

Passando ad un sistema di riferimento la cui origine è in una sovrapposizione, l’oggetto massiccio può finire in una posizione definita rendendo possibile calcolarne il campo gravitazionale. Trovando un sistema di riferimento quantistico conveniente, possiamo prendere un problema che non possiamo risolvere e trasformarlo in un problema per il quale possiamo semplicemente usare la fisica standard nota.

Tali cambiamenti di prospettiva dovrebbero essere utili per analizzare futuri esperimenti che mirano a mettere in sovrapposizione masse estremamente piccole: come ad esempio collocando due masse, ciascuna in una sovrapposizione di due posizioni e poi studiando come ciò influenzi i rispettivi campi gravitazionali.

I crescenti tentativi di descrivere formalmente i sistemi di riferimento quantistici, potrebbero contribuire a dare un senso a queste indagini sull’interazione tra gravità e teoria quantistica, un trampolino di lancio essenziale per una teoria della gravità quantistica.

I sistemi di riferimento quantistici possano essere fondamentali anche per chiarire i fondamenti della fisica quantistica. Qualche anno fa, è stato ideato un esperimento mentale quantistico che crea una contraddizione logica. Il paradosso risultante sembra implicare che i fisici debbano rinunciare ad almeno una delle tante nozioni ampiamente accettate sul nostro mondo, come ad esempio che la teoria quantistica sia universale e si applichi agli esseri umani così come agli atomi.

Tuttavia ora si sospetta che il paradosso sorga semplicemente perché i fisici non hanno tenuto conto attentamente dei sistemi di riferimento. Nessuno ha ancora capito come riscrivere questo o altri esperimenti mentali utilizzando sistemi di riferimento quantistici, ma farlo è molto probabile che ci conduca alla soluzione dei paradossi.

Non sarà facile, perché i sistemi di riferimento quantistici presentano molti problemi irrisolti. Ad esempio, con i sistemi di riferimento classici, se si cambia il punto di vista da un sistema all’altro, questa trasformazione è reversibile: si può tornare al punto di vista originale. Non è chiaro se questo sia attualmente universalmente possibile con i sistemi di riferimento quantistici.

Inoltre, a questo punto, non esiste un modo standard per definire e tradurre tra loro i sistemi di riferimento quantistici. Diversi gruppi di fisici hanno approcci diversi. Sembrano tutti ragionevoli a prima vista, ma non sono equivalenti tra loro.

Alla fine sistemi di riferimento quantistici potrebbero rivelarsi essenziali per dare un senso al mondo quantistico.

Timescape Cosmology

La rinnovata ipotesi secondo cui l’energia oscura potrebbe non essere reale, in quanto priva del 70% della materia presente nell’universo, ha riacceso un dibattito di vecchia data.

Introduzione

L’energia oscura e la materia oscura sono invenzioni teoriche che spiegano osservazioni che altrimenti non potremmo comprendere.

Sulla scala delle galassie, la gravità sembra essere più forte di quanto possiamo spiegare utilizzando solo particelle in grado di emettere luce. Quindi aggiungiamo le particelle di materia oscura al 25% della massa-energia dell’Universo. Tali particelle non sono mai state rilevate direttamente.

Sulle scale più ampie su cui l’Universo si sta espandendo, la gravità appare più debole del previsto in un universo contenente solo particelle, siano esse materia ordinaria o materia oscura. Quindi aggiungiamo “energia oscura”: una debole forza antigravitazionale che agisce indipendentemente dalla materia.

Breve storia dell’energia oscura

L’idea dell’energia oscura è antica quanto la relatività generale stessa. Albert Einstein la incluse quando applicò per la prima volta la relatività alla cosmologia, esattamente 108 anni fa.

Einstein, erroneamente, voleva bilanciare esattamente l’autoattrazione della materia con l’antigravità su scale più grandi. Non riusciva ad immaginare che l’Universo avesse un inizio e non voleva che cambiasse nel tempo.

Nel 1917 non si sapeva quasi nulla dell’Universo. L’idea stessa che le galassie fossero oggetti situati a grandi distanze era oggetto di dibattito.

Einstein si trovò di fronte ad un dilemma. L’essenza fisica della sua teoria, riassunta decenni dopo nell’introduzione di un famoso libro di testo è:

La materia dice allo spazio come curvarsi e lo spazio dice alla materia come muoversi.

Ciò significa che lo spazio tende naturalmente ad espandersi o contrarsi, piegandosi insieme alla materia. Non sta mai fermo.

Questo fu compreso da Alexander Friedmann che nel 1922 mantenne gli stessi ingredienti di Einstein. Ma non cercò di bilanciare la quantità di materia ed energia oscura. Ciò suggerì un modello in cui gli universi potevano espandersi o contrarsi.

Inoltre l’espansione rallenterebbe sempre se fosse presente solo materia. Ma potrebbe accelerare se fosse inclusa l’energia oscura antigravitazionale.

Dalla fine degli anni ’90, molte osservazioni indipendenti sembrano suggerire un’espansione così accelerata, in un Universo con il 70% di energia oscura. Ma questa conclusione si basa sul vecchio modello di espansione, rimasto invariato dagli anni ’20.

Modello cosmologico standard

Le equazioni di Einstein sono diabolicamente difficili e non solo perché sono più numerose di quelle della teoria della gravità di Isaac Newton.

Purtroppo, Einstein ha lasciato senza risposta alcune domande fondamentali. Tra queste: su quali scale la materia dice allo spazio come curvarsi? Qual è l’oggetto più grande che si muove come una singola particella? E qual è l’immagine corretta su altre scale?

Questi problemi vengono opportunamente aggirati dall’approssimazione centenaria – introdotta da Einstein e Friedmann – secondo cui, in media, l’Universo si espande uniformemente. Proprio come se tutte le strutture cosmiche potessero essere frullate in un frullatore per ottenere una zuppa senza dettagli.

Questa approssimazione omogeneizzante fu giustificata agli albori della storia cosmica. Sappiamo dal fondo cosmico a microonde – la radiazione residua del Big Bang – che le variazioni nella densità della materia erano minuscole quando l’Universo aveva meno di un milione di anni.

Ma l’universo oggi non è omogeneo. L’instabilità gravitazionale ha portato alla crescita di stelle, galassie, ammassi di galassie e, infine, di una vasta rete cosmica, dominata in volume da vuoti circondati da strati di galassie e attraversata da sottili filamenti.

Nella cosmologia standard, ipotizziamo uno sfondo che si espande come se non ci fossero strutture cosmiche. Quindi eseguiamo simulazioni al computer utilizzando solo la teoria di Newton, vecchia di 330 anni. Questo produce una struttura che assomiglia alla rete cosmica osservata in modo ragionevolmente convincente, ma richiede di includere l’energia oscura e la materia oscura come ingredienti.

Anche dopo aver inventato il 95% della densità energetica dell’universo per far funzionare le cose, il modello stesso deve ancora affrontare problemi che vanno dalle tensioni alle anomalie .

Inoltre, la cosmologia standard fissa anche la curvatura dello spazio in modo uniforme ovunque e disaccoppiata dalla materia. Ma questo è in contrasto con l’idea fondamentale di Einstein secondo cui è la materia a dettare allo spazio come curvarsi.

Non stiamo usando tutta la relatività generale! Il modello standard si può riassumere meglio così:

Friedmann dice allo spazio come curvarsi e Newton dice alla materia come muoversi.

Backreaction (modello alternativo di retroazione)

Dall’inizio degli anni 2000, alcuni cosmologi hanno esplorato l’idea che, mentre le equazioni di Einstein collegano materia e curvatura su piccola scala, la loro media su larga scala potrebbe dar luogo ad una retroreazione , ovvero a un’espansione media non esattamente omogenea.

Le distribuzioni di materia e curvatura sono inizialmente pressoché uniformi quando l’universo è giovane. Man mano che la rete cosmica emerge e diventa più complessa, le variazioni di curvatura su piccola scala aumentano e l’espansione media può differire da quella della cosmologia standard.

I recenti risultati numerici di un team di Budapest e delle Hawaii, che afferma di poter fare a meno dell’energia oscura, hanno utilizzato simulazioni newtoniane standard; hanno evoluto il loro codice in avanti nel tempo con un metodo non standard per modellare l’effetto di retroreazione.

È interessante notare che la legge di espansione risultante, che si adatta ai dati del satellite Planck, è molto vicina a quella di un modello di retroreazione basato sulla relatività generale, vecchio di dieci anni , noto come cosmologia del timescape .

Questo postula che dobbiamo calibrare orologi e righelli in modo diverso quando consideriamo le variazioni di curvatura tra galassie e vuoti.

Innanzitutto, questo significa che l’Universo non ha più un’età unica.

La backreaction è il feedback gravitazionale delle strutture sull’espansione globale; è inevitabile in un universo non perfettamente liscio. Finora sembra un correttivo più che un motore dell’accelerazione cosmica, ma resta cruciale per un modello di precisione: ignorarla può introdurre errori sistematici non trascurabili nelle misure future di cosmologia ad alta accuratezza come il progetto del satellite Euclid che avrà il compito di verificare se l’espansione cosmica segue la legge omogenea di Friedmann o un modello alternativo di backreaction.

Cosa può insegnarci la relatività generale?

Sebbene la maggior parte dei ricercatori accetti l’esistenza degli effetti di retroreazione, il vero dibattito verte sulla possibilità che ciò possa comportare una differenza superiore all’1% o al 2% rispetto al bilancio massa-energia della cosmologia standard.

Qualsiasi soluzione di retroazione che elimini l’energia oscura deve spiegare perché la legge di espansione media appare così uniforme nonostante la disomogeneità della rete cosmica, qualcosa che la cosmologia standard presuppone senza spiegazioni.

Poiché le equazioni di Einstein possono, in linea di principio, far espandere lo spazio in modi estremamente complessi, è necessario un principio semplificativo per la loro media su larga scala. Questo è l’approccio della cosmologia del paesaggio temporale .

Qualsiasi principio semplificativo per le medie cosmologiche ha probabilmente origine nell’Universo primordiale, dato che era molto più semplice dell’Universo odierno. Negli ultimi 38 anni, i modelli di universo inflazionario sono stati invocati per spiegare la semplicità dell’Universo primordiale.

Pur avendo avuto successo sotto alcuni aspetti, molti modelli di inflazione sono ora esclusi dai dati satellitari di Planck . Quelli che sopravvivono forniscono interessanti indizi su principi fisici più profondi.

Molti fisici considerano ancora l’Universo come un continuum fisso che nasce indipendentemente dai campi di materia che lo abitano. Ma nello spirito della relatività – secondo cui spazio e tempo hanno significato solo quando sono relazionali – potremmo dover ripensare i concetti fondamentali.

Poiché il tempo stesso viene misurato solo da particelle con massa a riposo diversa da zero, forse lo spaziotempo come lo conosciamo emerge solo quando le prime particelle massicce si condensano.

Qualunque sia la teoria finale, è probabile che incarnerà l’innovazione fondamentale della relatività generale, vale a dire l’accoppiamento dinamico tra materia e geometria a livello quantistico.

L’universo eterno: la controversa ipotesi di Hawking sotto esame

Stephen Hawking

Nel 1981, molti dei più importanti cosmologi del mondo si riunirono presso la Pontificia Accademia delle Scienze, vestigia delle congiunte linee di scienza e teologia, situata in un’elegante villa nei giardini del Vaticano. Stephen Hawking scelse quell’imponente cornice per presentare quella che in seguito avrebbe considerato la sua idea più importante: una proposta su come l’universo avrebbe potuto nascere dal nulla.

Prima del discorso di Hawking, tutte le storie sull’origine cosmologica, scientifiche o teologiche, avevano suscitato la replica: “Cosa è successo prima?”. La teoria del Big Bang, ad esempio – elaborata 50 anni prima della conferenza di Hawking dal fisico e sacerdote cattolico belga Georges Lemaître, che in seguito fu presidente dell’Accademia delle Scienze vaticana – riavvolge l’espansione dell’universo fino a farla risalire a un fascio di energia caldo e denso. Ma da dove proveniva l’energia iniziale?

La teoria del Big Bang presentava altri problemi. I fisici avevano capito che un fascio di energia in espansione si sarebbe trasformato in un ammasso accartocciato, anziché nell’enorme e liscio cosmo che gli astronomi moderni osservano. Nel 1980, l’anno prima del discorso di Hawking, il cosmologo Alan Guth si rese conto che i problemi del Big Bang potevano essere risolti con un’aggiunta: uno scatto iniziale di crescita esponenziale noto come 
inflazione cosmica  che avrebbe reso l’universo enorme, liscio e piatto prima che la gravità avesse la possibilità di distruggerlo. L’inflazione divenne rapidamente la teoria principale sulle nostre origini cosmiche. Eppure il problema delle condizioni iniziali rimaneva: quale era la fonte della minuscola macchia che presumibilmente si sarebbe gonfiata nel nostro cosmo e dell’energia potenziale che l’aveva gonfiata?

Inflazione cosmica

Hawking, nella sua brillantezza, vide un modo per porre fine all’interminabile brancolare nel passato: ipotizzò che non ci fosse né fine né inizio. Secondo 
il documento della conferenza vaticana, il fisico di Cambridge, allora trentanovenne e ancora in grado di parlare con la propria voce, disse alla folla:

“Dovrebbe esserci qualcosa di molto speciale nelle condizioni al contorno dell’universo, e cosa può essere più speciale della condizione che non ci siano confini?”

La proposta senza confini, che Hawking e il suo frequente collaboratore, James Hartle hanno formulato in modo completo in un articolo del 1983, immagina il cosmo con la forma di un volano. Proprio come un volano ha un diametro pari a zero nel suo punto più basso e si allarga gradualmente verso l’alto. L’universo, secondo la proposta dell’assenza di confini, si è espanso dolcemente da un punto di dimensione zero. Hartle e Hawking hanno derivato una formula che descrive l’intero volano – la cosiddetta “funzione d’onda dell’universo” che comprende l’intero passato, presente e futuro contemporaneamente – rendendo vana ogni contemplazione di semi della creazione, di un creatore o di qualsiasi transizione da un tempo precedente.

Funzione d’onda dell’Universo

“Chiedere cosa ci fosse prima del Big Bang è insensato, secondo la proposta dell’assenza di confini, perché non esiste una nozione di tempo a cui fare riferimento”

ha affermato Hawking in un’altra conferenza alla Pontificia Accademia nel 2016, un anno e mezzo prima della sua morte . Ed aggiunse:

“Sarebbe come chiedere cosa si trovi a sud del Polo Sud”

La proposta di Hartle ed Hawking ha radicalmente ripensato il tempo. Ogni istante nell’universo diventa una sezione trasversale del volano; mentre percepiamo l’universo come in espansione ed evoluzione da un istante all’altro, il tempo consiste in realtà di correlazioni tra le dimensioni dell’universo in ogni sezione trasversale ed altre proprietà, in particolare la sua entropia, o disordine. L’entropia aumenta dal tappo alle piume, puntando una freccia emergente del tempo. Vicino alla base arrotondata del volano, tuttavia, le correlazioni sono meno affidabili; il tempo cessa di esistere e viene sostituito dallo spazio puro.

Volàno

La proposta di non-confine ha affascinato e ispirato i fisici per quasi quattro decenni.

“È un’idea straordinariamente bella e provocatoria”

ha detto Neil Turok cosmologo del Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, ed ex collaboratore di Hawking. La proposta rappresentava una prima ipotesi sulla descrizione quantistica del cosmo: la funzione d’onda dell’universo.

Presto un intero campo, la cosmologia quantistica, nacque man mano che i ricercatori elaboravano idee alternative su come l’universo potesse essere nato dal nulla, analizzavano le varie previsioni delle teorie ed i modi per verificarle, e interpretavano il loro significato filosofico. La funzione d’onda senza confine, secondo Hartle, era per certi versi la proposta più semplice possibile per questo.

Successivamente, un articolo di Turok, Job Feldbrugge e Jean-Luc Lehners ha messo in discussione la proposta di Hartle-Hawking.

La proposta è, ovviamente, praticabile solo se un universo che si curva a partire da un punto adimensionale, come immaginato da Hartle e Hawking, si sviluppa naturalmente in un universo come il nostro.

Hawking e Hartle sostenevano che effettivamente sarebbe stato così: che gli universi senza confini tenderebbero ad essere enormi, incredibilmente lisci, incredibilmente piatti ed in espansione, proprio come il cosmo reale.

“Il problema con l’approccio di Hawking e Hartle è che era ambiguo”

ha affermato Turok.

Nel loro articolo del 2017, Turok e i suoi coautori hanno affrontato la proposta di Hartle e Hawking senza confini con nuove tecniche matematiche che, a loro avviso, rendono le sue previsioni molto più concrete di prima.

“Abbiamo scoperto che ha semplicemente fallito miseramente”

ha detto Turok.

“Semplicemente non era possibile, dal punto di vista della meccanica quantistica, che un universo iniziasse nel modo in cui immaginavano”

Il trio ha verificato i loro calcoli e messo in discussione i presupposti di base prima di renderli pubblici, ma purtroppo, sembrava inevitabile che la proposta di Hartle e Hawking fosse un disastro.

L’articolo suscitò una polemica. Altri esperti organizzarono una vigorosa difesa dell’idea del non-confine e una confutazione del ragionamento di Turok e colleghi.

“Non siamo d’accordo con le sue argomentazioni tecniche”

ha affermato Thomas Hertog, fisico dell’Università Cattolica di Leuven, in Belgio, che ha collaborato strettamente con Hawking negli ultimi 20 anni della sua vita.

“Ma più fondamentalmente, siamo in disaccordo anche con la sua definizione, il suo quadro teorico, la sua scelta di principi. E questa è la discussione più interessante.”

Dopo due anni di discussioni, i gruppi hanno ricondotto il loro disaccordo tecnico alle diverse convinzioni sul funzionamento della natura. Il dibattito acceso, ma amichevole, ha contribuito a consolidare l’idea che più stuzzicava la fantasia di Hawking.

Persino i critici della formula specifica sua e di Hartle, tra cui Turok e Lehners, stanno elaborando modelli cosmologici quantistici concorrenti che cercano di evitare le presunte insidie ​​dell’originale, pur mantenendone l’immenso fascino.

Abbondano gli interrogativi su come le varie proposte si intersechino con il ragionamento antropico e la famigerata idea del multiverso . La funzione d’onda senza confine, ad esempio, favorisce universi vuoti, mentre per alimentare l’immensità e la complessità sono necessarie quantità significative di materia ed energia.

Hawking sosteneva che la vasta gamma di possibili universi permessa dalla funzione d’onda dovesse essere realizzata interamente in un multiverso più ampio, all’interno del quale solo universi complessi come il nostro avrebbero abitanti in grado di effettuare osservazioni.

Il recente dibattito verte sulla possibilità che questi universi complessi e abitabili siano lisci o fortemente fluttuanti.

In ogni caso forse ci ritroveremo con un’idea dell’essenza del quadro dipinto per la prima volta da Hawking alla Pontificia Accademia delle Scienze.

O forse invece di un non-inizio simile al Polo Sud, l’universo è emerso da una singolarità, richiedendo un tipo di funzione d’onda completamente diverso. In ogni caso, la ricerca continuerà.

“Se stiamo parlando di una teoria della meccanica quantistica, cos’altro c’è da trovare oltre alla funzione d’onda?”

ha chiesto Juan Maldacena , un eminente fisico teorico dell’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, che è rimasto per lo più fuori dalla mischia recente. La questione della funzione d’onda dell’universo è il tipo giusto di domanda da porre.

“Se stiamo trovando la funzione d’onda giusta, o su come dovremmo pensare alla funzione d’onda, questo è meno chiaro”.

E il dibattito continua…

Perché il peso minuscolo dello spazio vuoto è un mistero così grande?

La quantità di energia che permea lo spazio vuoto sembra troppo piccola per essere spiegata senza un multiverso. Ma i fisici hanno almeno un’alternativa da esplorare.

L’idea controversa che il nostro universo sia solo una bolla casuale in un multiverso infinito e spumeggiante, nasce logicamente dalla caratteristica apparentemente più innocua della natura: lo spazio vuoto. Nello specifico, il seme dell’ipotesi del multiverso è l’inspiegabilmente minuscola quantità di energia infusa nello spazio vuoto – energia nota come energia del vuoto, energia oscura o costante cosmologica. Ogni metro cubo di spazio vuoto contiene solo la quantità di questa energia necessaria ad accendere una lampadina per 11 trilionesimi di secondo. “L’osso nella nostra gola”, come lo definì una volta il premio Nobel Steven Weinberg, è che il vuoto dovrebbe essere almeno un trilione di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di volte più energetico, a causa di tutta la materia e dei campi di forza che lo attraversano. In qualche modo gli effetti di tutti questi campi sul vuoto si equalizzano, producendo una placida immobilità.

Perché lo spazio vuoto è così vuoto?

Sebbene non conosciamo la risposta a questa domanda – il famigerato “problema della costante cosmologica” – l’estrema vacuità del nostro vuoto sembra necessaria per la nostra esistenza. In un universo permeato anche solo leggermente di questa energia gravitazionalmente repulsiva, lo spazio si espanderebbe troppo rapidamente perché strutture come galassie, pianeti o persone possano formarsi. Questa situazione così ben definita suggerisce che potrebbe esserci un numero enorme di universi , tutti con dosi diverse di energia del vuoto, e che abitiamo in un universo a energia straordinariamente bassa perché non potremmo trovarci in nessun altro luogo.

Alcuni scienziati si irritano per la tautologia del “ragionamento antropico” e detestano il multiverso perché non è testabile. Persino coloro che sono aperti all’idea del multiverso vorrebbero avere soluzioni alternative al problema della costante cosmologica da esplorare. Ma finora si è dimostrato quasi impossibile risolverlo senza un multiverso. “Il problema dell’energia oscura è così spinoso, così difficile, che non si hanno ancora una o due soluzioni”, ha affermato Raman Sundrum, fisico teorico dell’Università del Maryland.

Per capirne il motivo, consideriamo cos’è effettivamente l’energia del vuoto. La teoria della relatività generale di Albert Einstein afferma che materia ed energia indicano allo spazio-tempo come curvarsi e la curvatura dello spazio-tempo indica alla materia e all’energia come muoversi. Una caratteristica automatica delle equazioni è che lo spazio-tempo può possedere una propria energia – la quantità costante che rimane quando non c’è altro, che Einstein chiamò costante cosmologica. Per decenni, i cosmologi hanno ipotizzato che il suo valore fosse esattamente zero, dato il tasso di espansione ragionevolmente costante dell’universo e si sono chiesti perché. Ma poi, nel 1998, gli astronomi hanno scoperto che l’espansione del cosmo sta in realtà accelerando gradualmente, il che implica la presenza di un’energia repulsiva che permea lo spazio. Soprannominata energia oscura dagli astronomi, è quasi certamente equivalente alla costante cosmologica di Einstein. La sua presenza fa sì che il cosmo si espanda sempre più rapidamente, poiché, espandendosi, si forma nuovo spazio e la quantità totale di energia repulsiva nel cosmo aumenta.

Tuttavia, la densità dedotta di questa energia del vuoto contraddice ciò che la teoria quantistica dei campi, il linguaggio della fisica delle particelle, afferma sullo spazio vuoto. Un campo quantistico è vuoto quando non vi sono eccitazioni di particelle che lo attraversano. Ma a causa del principio di indeterminazione della fisica quantistica, lo stato di un campo quantistico non è mai certo, quindi la sua energia non può mai essere esattamente zero. Si pensi a un campo quantistico come costituito da piccole molle in ogni punto dello spazio. Le molle si muovono costantemente, perché si trovano sempre entro un intervallo incerto della loro lunghezza di massimo rilassamento. Sono sempre un po’ troppo compresse o allungate, e quindi sempre in movimento, possedendo energia. Questa è chiamata energia di punto zero del campo. I campi di forza hanno energie di punto zero positive, mentre i campi di materia ne hanno negative, e queste energie si sommano e si sottraggono all’energia totale del vuoto.

L’energia totale del vuoto dovrebbe essere all’incirca uguale al maggiore di questi fattori contributivi. (Immaginiamo di ricevere un regalo di 10.000 Euro; anche dopo aver speso 100 Euro o aver trovato 3 Euro sul divano, rimarranno comunque circa 10.000 Euro). Eppure, il tasso di espansione cosmica osservato indica che il suo valore è tra 60 e 120 ordini di grandezza inferiore ad alcuni dei contributi di energia di punto zero, come se tutti i diversi termini positivi e negativi si fossero in qualche modo annullati. Elaborare un meccanismo fisico per questa equalizzazione è estremamente difficile per due motivi principali.

In primo luogo, l’unico effetto dell’energia del vuoto è gravitazionale, quindi ridurla sembrerebbe richiedere un meccanismo gravitazionale. Ma nei primi istanti dell’universo, quando un tale meccanismo avrebbe potuto operare, l’universo era così piccolo fisicamente che la sua energia del vuoto totale era trascurabile rispetto alla quantità di materia e radiazione. L’effetto gravitazionale dell’energia del vuoto sarebbe stato completamente annullato dalla gravità di tutto il resto. Un meccanismo di feedback gravitazionale che regola con precisione l’energia del vuoto nelle condizioni dell’universo primordiale.

A complicare ulteriormente la situazione, i calcoli della teoria quantistica dei campi indicano che l’energia del vuoto avrebbe subito variazioni di valore in risposta ai cambiamenti di fase nell’universo in raffreddamento poco dopo il Big Bang. Ciò solleva la questione se l’ipotetico meccanismo che ha equalizzato l’energia del vuoto sia intervenuto prima o dopo che questi cambiamenti si fossero verificati.

E come avrebbe potuto il meccanismo conoscere l’entità dei loro effetti, per compensarli?

Finora, questi ostacoli hanno vanificato i tentativi di spiegare il peso minuscolo dello spazio vuoto senza ricorrere ad una lotteria del multiverso. Ma recentemente, alcuni ricercatori hanno esplorato una possibile strada: se l’universo non si fosse formato per esplosione, ma avesse invece rimbalzato, in seguito a una precedente fase di contrazione, allora l’universo in contrazione nel lontano passato sarebbe stato immenso e dominato dall’energia del vuoto. Forse un qualche meccanismo gravitazionale avrebbe potuto agire sull’abbondante energia del vuoto di allora, diluendola naturalmente nel tempo. Questa idea ha motivato i fisici Peter Graham, David Kaplan e Surjeet Rajendran a scoprire un nuovo modello di rimbalzo cosmico, sebbene non abbiano ancora dimostrato come avrebbe potuto funzionare la diluizione del vuoto nell’universo in contrazione.

Raphael Bousso ha definito il loro approccio “un tentativo molto valido” e “una lotta informata ed onesta con un problema significativo”. Ha però aggiunto che permangono enormi lacune nel modello e che “gli ostacoli tecnici per colmare queste lacune e farlo funzionare sono significativi. La costruzione è già una macchina di Rube Goldberg, e diventerà, nella migliore delle ipotesi, ancora più complicata quando queste lacune saranno colmate”. Lui ed altri sostenitori del multiverso considerano la loro risposta più semplice, al confronto.

Rube Goldberg machine

Quando filosofia e scienza si scontrano in un universo “finemente sintonizzato”

Quando gli scienziati parlano della possibilità che esistano milioni di multiversi , la consueta domanda “siamo soli nell’Universo” assume un significato completamente nuovo.

Il nostro Universo in continua espansione è incomprensibilmente grande e il suo tasso di crescita sembra accelerare; se così fosse, in realtà si troverebbe in un equilibrio molto delicato. È quindi incredibile che l’universo esista! Cerchiamo di comprendere assieme quest’ultima asserzione.

Nel 2004 il neuroscienziato Christof Koch scrisse:

Tutte le nostre teorie e sperimentazioni dipendono da particolari presupposti filosofici di base. Questa influenza nascosta è un forte imbarazzo per molti ricercatori e quindi non viene spesso riconosciuta. Nozioni fondamentali come realtà, spazio, tempo e causalità, nozioni che si trovano al centro dell’impresa scientifica, si basano tutte su particolari presupposti metafisici sul mondo.

Ciò può sembrare ovvio e fu ritenuto importante da Einstein, Bohr e dai fondatori della teoria quantistica un secolo fa, ma è in contrasto con le opinioni degli scienziati attivi nel dopoguerra. In effetti, i matematici e gli scienziati del XXI secolo sembrano non avere bisogno della filosofia.

I giorni di gloria di Karl Popper il quale sosteneva che la falsificabilità fosse un segno distintivo della buona scienza, e di Thomas Kuhn , che notò il fenomeno dei cambiamenti di paradigma, sono ormai tramontati nella scienza come nelle discipline umanistiche.

Per molti anni, la filosofia scientifica praticata dagli scienziati è rimasta inattiva. Ma forse, oggi, dopotutto, la scienza moderna ha davvero bisogno della filosofia.

Coincidenze cosmiche

I principali fattori trainanti in questo caso sono alcuni sviluppi davvero sconcertanti in fisica e cosmologia. Negli ultimi anni fisici e cosmologi hanno scoperto numerose “coincidenze cosmiche” sbalorditive, esempi notevoli di apparente “messa a punto” dell’universo.

Ecco alcune delle tante che potremmo elencare:

Risonanza del carbonio e forza forte.

Sebbene l’abbondanza di idrogeno, elio e litio sia ben spiegata da noti principi fisici, la formazione di elementi più pesanti, a partire dal carbonio, dipende in modo molto sensibile dall’equilibrio delle forze forti e deboli. Se la forza forte fosse leggermente più forte o leggermente più debole (di appena l’1% in entrambe le direzioni), non ci sarebbe carbonio o altri elementi più pesanti in nessuna parte dell’universo, quindi nessuna forma di vita basata sul carbonio, come la nostra, a cui chiedere il perché.

Il rapporto di massa protone-elettrone.

La massa di un neutrone è leggermente superiore alla massa combinata di un protone, un elettrone e un neutrino. Se il neutrone fosse leggermente meno massiccio, allora non potrebbe decadere senza apporto di energia. Se la sua massa fosse inferiore dell’1%, allora decadrebbero protoni isolati al posto dei neutroni e potrebbero formarsi pochissimi atomi più pesanti del litio.

La costante cosmologica.

Forse l’esempio più sorprendente di fine tuning è il paradosso della costante cosmologica . Questo deriva dal fatto che quando si calcola, sulla base dei principi della meccanica quantistica, la densità di energia del vuoto dell’universo concentrandosi sulla forza elettromagnetica, si ottiene l’incredibile risultato che lo spazio vuoto ha una massa pari a 1.093 g per centimetro cubo. La densità di massa media effettiva dell’universo oscilla tra i 10 e i 28 g per centimetro cubo divergendo di 120 ordini di grandezza dalla teoria.

I fisici, che da anni si preoccupano del paradosso della costante cosmologica, hanno notato che calcoli come quello sopra riportato, coinvolgono solo la forza elettromagnetica e quindi forse, quando si includono i contributi delle altre forze note, tutti i termini si annulleranno esattamente fino a zero, come conseguenza di qualche sconosciuto principio fondamentale della fisica.

Ma queste speranze andarono in frantumi con la scoperta del 1998 che l’espansione dell’universo sta accelerando, il che implicava che la costante cosmologica dovesse essere leggermente positiva.

Ciò significava che i fisici si ritrovarono a dover spiegare il fatto sorprendente che i contributi positivi e negativi alla costante cosmologica, si annullano fino a una precisione di 120 cifre, ma non riescono ad annullarsi a partire dalla 121 esima cifra.

Curiosamente questa osservazione è in accordo con una previsione fatta dal premio Nobel e fisico Steven Weinberg nel 1987, il quale sosteneva, partendo da principi basilari, che la costante cosmologica deve essere pari a zero, con un’approssimazione di una parte su 10120 (e tuttavia essere diversa da zero), altrimenti l’universo, molto tempo fa, si sarebbe disperso troppo velocemente perché si potessero formare stelle e galassie, oppure sarebbe collassato su se stesso.

Il principio antropico

In breve, numerose caratteristiche del nostro universo sembrano fantasticamente calibrate per l’esistenza di vita intelligente. Mentre alcuni fisici si ostinano ancora a sostenere una spiegazione naturale, molti altri stanno ora affrontando l’idea che il nostro universo sia profondamente innaturale , senza alcuna buona spiegazione se non il Principio Antropico : l’universo si trova in questo stato estremamente improbabile, perché se non lo fosse, non saremmo qui a discuterne.

Essi sottolineano inoltre, che lo scenario prevalente del big bang dell’inflazione eterna, suggerisce che il nostro universo sia solo uno dei tanti presenti in un multiverso in continua biforcazione.

La cosmologia inflazionistica, tra l’altro, ha ricevuto un notevole impulso sperimentale con l’annuncio del 17 marzo 2014 della scoperta da parte degli astronomi di onde gravitazionali, segni distintivi dell’inflazione del Big Bang.

In modo simile, la teoria delle stringhe, l’attuale miglior candidato per una “teoria del tutto“, prevede un insieme enorme, ipotizzato in 10500 universi paralleli. Quindi, in un insieme così grande o addirittura infinito, non dovremmo sorprenderci di trovarci in un universo estremamente fine tuned.

Ma per molti scienziati, tale ragionamento è un anatema per la scienza empirica tradizionale. Lee Smolin scrisse nel 2006:

Una teoria scientifica [il paradigma del multiverso/principio antropico/teoria delle stringhe] che non fa previsioni e quindi non è soggetta a esperimenti non può mai fallire, ma una tale teoria non può nemmeno avere successo, finché la scienza rappresenta la conoscenza ottenuta da argomentazioni razionali supportate da prove.

E anche i sostenitori di tali opinioni hanno qualche spiegazione da dare. Ad esempio: se ci sono davvero infiniti universi come il nostro, come sostengono i fisici, come si può definire una “misura di probabilità” su un tale insieme?

In altre parole, cosa significa parlare della “probabilità” che il nostro universo esista nel suo stato osservato?

Ma altri non vedono alternative a qualche forma di multiverso e al Principio Antropico. Il fisico Max Tegmark, nel suo libro Our Mathematical Universe, sostiene che non solo il multiverso è reale, ma che in realtà il multiverso è matematica: tutte le leggi e le strutture matematiche esistono realmente e sono la sostanza ultima dell’universo.

La scienza moderna ha bisogno della filosofia?

In questo contesto, un numero crescente di scienziati chiede interazioni dirette con i filosofi. In un articolo del New Scientist, il cosmologo Joseph Silk esamina queste ed altre questioni, e poi nota che tali problemi, che sondano il significato della nostra stessa esistenza, sono strettamente simili a quelli che sono stati dibattuti dai filosofi nel corso dei secoli.

Quindi forse un nuovo dialogo tra scienza e filosofia può apportare alcune intuizioni di cui c’è tanto bisogno in fisica e in altri campi d’avanguardia come la neurobiologia.

Come spiega Silk,

Tracciare il confine tra filosofia e fisica non è mai stato facile. Forse è giunto il momento di smettere di provarci. L’approccio multidisciplinare è maturo per l’esplorazione.

L’inflazione cosmica…

Poco più di 40 anni fa, una nuova teoria sull’universo primordiale fornì un modo per affrontare contemporaneamente molteplici enigmi cosmologici.

Per Alan Guth, la scoperta delle origini dell’universo iniziò in un’aula magna della Cornell University nell’autunno del 1978.

Fu in quel semestre che Guth, allora postdoc, partecipò ad una serie di conferenze dell’astronomo e fisico Robert Dicke. Nelle sue lezioni, Dicke introdusse una questione cosmologica critica che stava erodendo la teoria del Big Bang: il problema della piattezza.

Il quesito posto dal problema della piattezza è:

perché l’universo appare come appare?

La densità di materia ed energia presenti subito dopo il Big Bang avrebbero dovuto determinare la forma futura dell’universo, ed i parametri che avrebbero prodotto un universo piatto, al contrario di uno curvo, erano estremamente ristretti.

Tuttavia, per quanto possiamo misurare usando diversi metodi, il nostro universo è quasi perfettamente piatto.

Semplicemente aumentando o diminuendo leggermente la densità, in tempi molto remoti, si sarebbe ottenuto un universo fortemente curvato in una direzione o nell’altra. Inoltre, forse in modo preoccupante, entrambe queste opzioni avrebbero potuto precludere la nostra esistenza.

Nel primo secondo dopo il Big Bang,

se l’universo fosse stato meno denso “di una sola cifra nella 14a posizione decimale”, disse Guth, sarebbe stato in gran parte vuoto. Questo perché ci sarebbe stata meno massa a frenare la sua espansione.

D’altro canto, un universo leggermente più denso si sarebbe espanso troppo lentamente, portandolo a collassare su se stesso in un Big Crunch.

Il significato del grafico sopra riportato, è quello di mostrare l’evoluzione del raggio dell’universo osservato nel tempo. Sull’asse delle ascisse (x) abbiamo il tempo espresso in secondi e sull’asse delle ordinate (y) le dimensioni del raggio dell’Universo osservato espresse in metri.

Vediamo quali sono gli elementi Chiave:

Inflationary Period:
E’ rappresentato da una banda verticale ombreggiata sul lato sinistro del grafico, ed indica la rapida espansione dell’universo.

Inflation Theory:
E’ rappresentata da una linea rossa, che suggerisce un aumento improvviso ed esponenziale del raggio dell’universo durante il periodo di inflazione.

Standard Theory:
E’ rappresentata da una linea blu e mostra un aumento più graduale del raggio dell’universo nel tempo.

Present:
L’attuale presente cosmico è segnato da una linea verticale sul lato destro del grafico.

Quali sono le considerazioni che possiamo fare dopo aver esaminato il grafico?

Possiamo considerare il fatto che durante il periodo di inflazione, il raggio dell’universo è aumentato drasticamente secondo quest’ultima, rispetto alla teoria standard che, invece, mostra un aumento più costante.

Questa differenza suffraga le diverse spiegazioni dell’espansione iniziale dell’universo.

Le teorie più diffuse postulavano che l’universo primordiale avrebbe dovuto produrre un numero enorme di particelle pesanti, tra cui i monopoli magnetici.

Il lettore a questo punto si starà domandando: cosa sono i monopoli magnetici?

I monopoli sono particelle teoriche che possiedono una sola carica magnetica, cioè un polo nord o un polo sud, ma non entrambi. Questo concetto è stato proposto per la prima volta dal fisico Paul Dirac nel 1931.

Quali sono le caratteristiche dei monopoli magnetici:

Carica Magnetica Singola: A differenza dei comuni magneti i monopoli magnetici avrebbero solo un polo.

Teorici: Non sono ancora stati osservati sperimentalmente, ma la loro esistenza è prevista da alcune teorie avanzate come la teoria delle stringhe e la teoria della grande unificazione.

Importanza: La scoperta dei monopoli magnetici potrebbe portare a una migliore comprensione delle forze fondamentali dell’universo.

Queste particelle distintive avrebbero dovuto proliferare e restare in giro e dovremmo essere in grado di trovarle oggi. Ma i fisici non ne hanno ancora incontrata nemmeno una.

Guth, insieme all’allora collega postdoc della Cornell Henry Tye, ha esplorato il motivo per cui ciò potrebbe accadere. 

Tye e Guth pensavano che il super raffreddamento estremo potesse spiegare l’apparente mancanza di monopoli magnetici nell’universo. Come spiega Guth,

i monopoli si sarebbero formati quando le torsioni in un campo quantistico caotico si sarebbero congelate in una transizione di fase.

Tuttavia, se la transizione di fase fosse stata ritardata dal super raffreddamento estremo, le torsioni avrebbero potuto appianarsi prima di congelarsi, con conseguente assenza di monopoli.

Fu solo quando, più di un anno dopo, Guth affermò di aver improvvisamente notato un collegamento cruciale tra questa idea e il problema della planarità.

Lo scopo era quello di osservare quale effetto avrebbe avuto il super raffreddamento estremo sulla velocità di espansione nell’universo.

“Rientrai a casa una sera all’inizio di dicembre per elaborare le equazioni che descrivono come il tasso di espansione nell’universo sarebbe stato influenzato dal super raffreddamento della materia”, raccontò Guth.

Ed è stato subito ovvio che avrebbe influenzato enormemente l’espansione dell’universo. Avrebbe spinto l’universo in un periodo di espansione esponenziale, che è ciò che ora chiamiamo inflazione; la stessa notte in cui capì che questa espansione esponenziale avrebbe anche fornito una soluzione al problema della piattezza.

Secondo la teoria dell’inflazione, il tasso di espansione dell’universo è esploso nei suoi primi istanti e poi ha rallentato.

Ciò è accaduto quando un campo quantistico chiamato campo inflatone ha subito una transizione che ha allontanato le cose prima di stabilizzarsi in una fase di gravità normale.

La prima parte, la rapida espansione, avrebbe diluito qualsiasi materia ed energia già presenti quando è iniziata l’inflazione. La seconda parte avrebbe rilasciato successivamente un nuovo lotto. 

L’energia rilasciata era proprio la giusta quantità per spingere l’universo verso la piattezza.

Oltre a offrire soluzioni plausibili ai problemi di piattezza e di monopolo, l’inflazione ha anche contribuito a spiegare un terzo problema: il problema dell’orizzonte. Esso deriva dalle nostre osservazioni della radiazione cosmica di fondo o CMB: il bagliore residuo lasciato dalle prime particelle di luce liberate nell’universo primordiale.

In sostanza, gli scienziati hanno osservato che la CMB ha quasi esattamente la stessa temperatura in tutte le direzioni. Ciò è stato considerato strano perché le parti dell’universo ai bordi opposti del nostro “orizzonte” (per quanto possiamo rilevare dal nostro punto di osservazione sulla Terra) erano distanti troppi anni luce l’una dall’altra per aver mai comunicato tra loro. Non avrebbero dovuto essere in grado di stabilizzarsi in una temperatura media uniforme.

L’inflazione suggerisce che l’intero universo visibile un tempo esisteva come una singola regione, prima che il campo inflatone la spingesse all’espansione. Questa prossimità di origine condivisa spiegherebbe come parti ora disparate dell’universo, potrebbero essersi un tempo mescolate. 

La teoria dell’inflazione è stata ampiamente celebrata, ma una teoria da sola non basta a chiudere il caso sul mistero dell’universo primordiale.

La CMB è di grande interesse per gli scienziati che studiano la teoria dell’inflazione. La rapida espansione avrebbe dovuto produrre onde gravitazionali, che avrebbero lasciato un pattern unico nella CMB chiamato polarizzazione B-mode. Nel 2014, l’esperimento BICEP2 annunciò di aver osservato questo pattern, ma in seguito gli scienziati persero la loro fiducia nel risultato ottenuto. Tuttavia gli esperimenti proseguono ancora e sono sempre alla ricerca della polarizzazione B-mode nella CMB.

C’è un limite ai dati e un limite causale a ciò che possiamo vedere nell’universo, coerente con la velocità finita della luce.

Ma è incredibile quanto possiamo vedere e dedurre, quindi questa incertezza residua non è la fine del mondo.

In realtà, è solo l’inizio!

Come è nato il nostro Universo?

Intraprendiamo oggi un breve viaggio attraverso la storia primordiale del nostro cosmo.

L’universo era un posto molto affollato durante i primi tre minuti. Il cosmo così come lo vediamo oggi si è espanso da un minuscolo granello sino alle sue attuali dimensioni.

Sono apparse le particelle elementari; i protoni e i neutroni si sono combinati, formando i primi nuclei atomici andando a riempire l’universo con i precursori degli elementi che oggi troviamo in abbondanza nel cosmo.  

Grazie allo sviluppo di teorie intelligenti e alla conduzione di esperimenti con acceleratori di particelle, telescopi e satelliti, i fisici sono riusciti a riavvolgere la pellicola dell’universo di miliardi di anni fa e ad intravedere i dettagli dei primissimi momenti della storia della nostra casa cosmica. 

Siete pronti per iniziare il nostro viaggio? Ok, allacciate le cinture e andiamo!

L’epoca di Planck:
Tempo: < 10-44 sec.

Benvenuti all’epoca di Planck, che prende il nome dalla scala più piccola di misurazioni ad oggi possibili nella fisica delle particelle. Questa è attualmente lo strumento che gli scienziati possono utilizzare per avvicinarsi il più possibile all’inizio del tempo. 

I fisici teorici non sanno molto sui primissimi momenti dell’universo. Dopo che la teoria del Big Bang ha guadagnato popolarità, gli scienziati hanno pensato che nei primi momenti il ​​cosmo fosse al suo massimo calore e densità e che tutte e quattro le forze fondamentali (elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale) fossero combinate in un’unica forza unificata.

Ma l’attuale quadro teorico principale per l’inizio del nostro universo non richiede necessariamente queste condizioni.

L’universo si espande:
Tempo: da 10-43 sec. a circa 10-36 sec.

In questa fase, gli scienziati ritengono che l’universo abbia subito un’espansione esponenziale superveloce, in un processo noto come inflazione. 

I fisici proposero per la prima volta la teoria dell’inflazione negli anni ’80 per ovviare alle carenze della teoria del Big Bang che, nonostante la sua popolarità, non riusciva a spiegare perché l’universo fosse così piatto e uniforme e perché le sue diverse parti avessero iniziato a espandersi simultaneamente. 

Durante l’inflazione, le fluttuazioni quantistiche potrebbero essersi allungate per produrre uno schema che in seguito ha determinato le posizioni delle galassie. Potrebbe essere stato solo dopo questo periodo di inflazione che l’universo è diventato una palla di fuoco calda e densa come descritto nella teoria del Big Bang.

Le particelle elementari nascono:
Tempo: ~10-36 sec.

Quando l’universo era ancora molto caldo, il cosmo era come un gigantesco acceleratore, molto più potente del Large Hadron Collider, che funzionava a energie estremamente elevate. In esso nacquero le particelle elementari che conosciamo oggi. 

Gli scienziati pensano che siano arrivate per prime le particelle esotiche, seguite da quelle più familiari, come elettroni, neutrini e quark. Non è da escludere che anche le particelle di materia oscura siano apparse durante questa fase del processo evolutivo. 

I quark si combinarono presto, formando i familiari protoni e neutroni, che sono collettivamente noti come barioni. I neutrini furono in grado di sfuggire a questo plasma di particelle cariche e iniziarono a viaggiare liberamente nello spazio, mentre i fotoni continuarono a essere intrappolati dal plasma.

Emergono i primi nuclei:
Tempo: da ~1 sec. a 3 min.

Gli scienziati ritengono che quando l’universo si raffreddò abbastanza da far cessare le violente collisioni, protoni e neutroni si aggregarono nei nuclei degli elementi leggeri (idrogeno, elio e litio), in un processo noto come nucleosintesi del Big Bang. 

I protoni sono più stabili dei neutroni, a causa della loro massa inferiore. Infatti, un neutrone libero decade con un’emivita di 15 minuti, mentre i protoni potrebbero non decadere affatto, per quanto ne sappiamo. 

Quindi, mentre le particelle si combinavano, molti protoni restavano spaiati.

Come conseguenza, l’idrogeno, formato dai protoni che non hanno mai trovato un partner, costituisce circa il 74% della massa della materia “normale” nel nostro cosmo.

Il secondo elemento più abbondante è l’elio, che costituisce circa il 24%, seguito da tracce di deuterio, litio ed elio-3 (elio con un nucleo di tre barioni). 

Gli scienziati sono stati in grado di misurare con precisione la densità dei barioni nel nostro universo. La maggior parte di queste misurazioni sono in linea con le stime dei teorici su quali dovrebbero essere le quantità, ma c’è un problema persistente: i calcoli del litio sono sbagliati di un fattore tre.

Potrebbe essere che le misurazioni siano sbagliate, ma potrebbe anche essere che qualcosa di cui non siamo ancora a conoscenza sia accaduto durante questo periodo di tempo per modificare l’abbondanza di litio.

La radiazione cosmica di fondo è visibile:
Tempo: 380.000 anni.

Centinaia di migliaia di anni dopo l’inflazione, la zuppa di particelle si era raffreddata abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei per formare atomi elettricamente neutri. Attraverso questo processo, noto anche come ricombinazione, i fotoni divennero liberi di attraversare l’universo, creando il fondo cosmico a microonde.  

Oggi, la radiazione di fondo cosmico a microonde (CMB,CMBR) è uno degli strumenti più preziosi per i cosmologi, che ne esplorano le profondità alla ricerca di risposte a molti dei segreti più nascosti dell’universo, tra cui la natura dell’inflazione e la causa dell’asimmetria materia-antimateria.  

Poco dopo che la CMB divenne rilevabile, particelle di idrogeno neutro si formarono in un gas che riempì l’universo. Senza alcun oggetto che emettesse fotoni ad alta energia, il cosmo sprofondò nell’età oscura per milioni di anni. 

Le prime stelle brillano:
Tempo: ~100 milioni di anni.

L’epoca oscura terminò con la formazione delle prime stelle e con il verificarsi della reionizzazione, un processo attraverso il quale fotoni altamente energetici strapparono elettroni agli atomi di idrogeno neutri.

Gli scienziati pensano che la stragrande maggioranza dei fotoni ionizzanti sia emersa dalle stelle più antiche. Ma anche altri processi, come le collisioni tra particelle di materia oscura, potrebbero aver giocato un ruolo determinante.

In questo periodo, la materia iniziò a formare le prime galassie. La nostra galassia, la Via Lattea, contiene stelle nate quando l’universo aveva solo diverse centinaia di milioni di anni.

Il nostro sole è nato:
Tempo: 9.2 miliardi di anni.

Il sole è una delle poche centinaia di miliardi di stelle nella Via Lattea. Gli scienziati pensano che si sia formato da una gigantesca nube di gas composta principalmente da idrogeno ed elio.

Oggi:
Tempo: 13.8 miliardi di anni.

Oggi, il nostro cosmo si trova ad una temperatura fredda di 2.7 Kelvin (meno 270.42 gradi Celsius). L’universo si sta espandendo ad un ritmo crescente, in un modo simile (ma di molti ordini di grandezza più lento) all’inflazione.  

I fisici ritengono che sia molto probabilmente l’energia oscura, una misteriosa forza repulsiva che attualmente rappresenta circa il 70% dell’energia del nostro universo, a determinare questa espansione accelerata.

Rientriamo alla base:
Tempo: adesso.

Siamo finalmente ritornati alla nostra amata e bistrattata Terra! E al termine di questo nostro viaggio nel tempo, possiamo dire che, il nostro universo è una sinfonia di caos e ordine, di meraviglia e mistero, un luogo dove ogni cosa esiste per un istante eterno, sospesa nel vasto abbraccio dell’infinito.

Nel prossimo articolo, affronteremo il tema dell’inflazione cosmica. Stay tuned!

Il bosone che la fisica ha quasi rifiutato!

Peter Higgs (1929-2024)

Quando il 4 luglio 2012 i ricercatori del Large Hadron Collider annunciarono la scoperta del bosone di Higgs, il fisico Peter Higgs reagì alla rivendicazione del suo più importante lavoro teorico in modo tipicamente mite, dicendo: “È molto bello avere ragione a volte.“

La scoperta ha innescato festeggiamenti globali nella comunità della fisica delle particelle. Fino ad allora il bosone di Higgs era l’unica particella del Modello Standard della fisica delle particelle che non era ancora stata misurata sperimentalmente.

Cercarlo è stata una motivazione chiave per costruire l’LHC e la domanda determinante per molti ricercatori di fisica delle particelle.

Il suo ritrovamento ha confermato le previsioni di vecchia data sulle particelle fondamentali e sulle forze che governano l’universo. 

La particella di Dio!

Il bosone di Higgs è una particella fondamentale nel Modello Standard della fisica delle particelle, e la sua massa è determinata sperimentalmente.

Il meccanismo di Higgs, che spiega come le particelle acquisiscono massa, coinvolge il campo di Higgs e la sua energia potenziale. L’energia potenziale del campo di Higgs è spesso rappresentata dalla seguente formula:

Dove:

(phi) rappresenta il campo di Higgs
(mu) & (lamba) sono costanti

Questa funzione di energia potenziale ha una forma a “cappello messicano” o “sombrero”, che porta alla rottura spontanea della simmetria e conferisce massa alle particelle attraverso le loro interazioni con il campo di Higgs.

Higgs potential

Nel 2024 la comunità dei fisici si è riunita di nuovo, questa volta per piangere la scomparsa di Higgs all’età di 94 anni.

Non era affatto vero che la particella prevista da Higgs sarebbe stata trovata durante la vita di Higgs.

La struttura matematica che implicava l’esistenza del bosone non specificava quale massa avrebbe posseduto, il che significa che i fisici avrebbero dovuto cercarlo ovunque in un ampio intervallo. 

Gli scienziati finalmente si sono concentrati su di esso 48 anni dopo che Higgs e altri ne avevano proposto l’esistenza. Nessun’altra particella fondamentale ha impiegato così tanto tempo per essere trovata.

Come afferma Reina Camacho Toro, fisica sperimentale delle particelle presso l’Università Paris Cité e il CERN, la storia decennale della previsione e del rilevamento del bosone di Higgs evidenzia “l’importanza di lavorare insieme, così come la comunicazione tra la comunità teorica e la comunità sperimentale”.

Manca il quadro più ampio

Nato a Newcastle upon Tyne, Higgs ha completato il dottorato di ricerca al Kings College di Londra e ha poi continuato le sue ricerche presso l’Università di Edimburgo. Lì pubblicò il suo articolo più famoso, nel 1964.

A quel tempo, il Modello Standard della fisica delle particelle non era ancora stato concepito. 

Standard model of particles

I fisici stavano ancora cercando di dare un senso al serraglio di particelle chiamate adroni che venivano continuamente scoperte nei primi esperimenti con acceleratori e raggi cosmici.

Non sapevano ancora che quelle particelle erano tutte combinazioni di un insieme molto più piccolo di particelle fondamentali, i quark, legate insieme dalla forza forte.

I fisici conoscevano la forza forte, che tiene insieme le particelle che compongono i nuclei degli atomi.

Conoscevano anche la forza debole, che avevano osservato svolgere il suo ruolo determinante nel decadimento radioattivo.

E la nuova teoria dell’elettrodinamica quantistica descriveva chiaramente il modo in cui le cariche elettriche e magnetiche si combinavano nell’interazione elettromagnetica. 

I fisici tentarono di trovare una teoria del campo analoga per combinare le forze forti e deboli, ma non riuscirono a realizzarla.

Il problema era legato alle particelle portatrici della forza debole, chiamate bosoni W e Z.

Mentre tutte le altre particelle portatrici di forza sono prive di massa, i bosoni W e Z non lo sono. 

I fisici non sono riusciti a capire perché i bosoni W e Z fossero diversi. Perché erano le uniche particelle portatrici di forza dotate di massa?

Le insolite particelle hanno rotto una simmetria in natura!

Nel 1964 Higgs pubblicò un articolo in cui spiegava come la simmetria avrebbe potuto essere rotta.

Per dirla in modo molto più semplice, immaginate che l’universo primordiale fosse riempito da un campo simmetrico ma instabile, responsabile di fornire masse di particelle che possono, con il tempo, stabilizzarsi in uno stato più stabile.

Questa trasformazione avrebbe potuto mantenere la simmetria matematica delle equazioni che spiegano le diverse forze, ma ha invece prodotto una differenza osservabile tra le particelle che trasportano quelle forze.

Il campo brevemente instabile, ora noto come campo di Higgs, ha reso possibile la presenza di enormi quantità di bosoni W e Z.

Higgs sviluppò ulteriormente le sue idee in un articolo successivo, in cui delineava quello che alla fine sarebbe stato riconosciuto come “il modello di Higgs“.

La rivista accademica Physics Letters inizialmente rifiutò l’articolo a causa della percepita mancanza di urgenza nel pubblicizzare la teoria.

Dopo aver ricevuto questa notizia, Higgs revisionò il documento. Attirò l’attenzione sulla possibilità che questo campo fosse associato ad un bosone massiccio a cui alludevano, anche in un articolo scritto, i fisici teorici Francois Englert e Robert Brout.

Il nuovo bosone sarebbe stato diverso da tutti gli altri: tutti avrebbero avuto una proprietà chiamata spin, mentre il nuovo bosone avrebbe avuto spin zero.

In questo modo Higgs, aveva dato ai fisici sperimentali un modo per dimostrare che la teoria era corretta. Non restava che aprire la caccia al nuovo bosone!

Physics Letters accettò l’articolo, ma ci vollero anni prima che la comunità di ricerca gli prestasse molta attenzione. 

Una scoperta enorme

La ricerca del bosone di Higgs ha occupato la fisica delle particelle per gran parte della seconda metà del ventesimo secolo e fino al ventunesimo secolo.

Tuttavia la sua scoperta è solo la prima scena nella storia della particella, con molti capitoli importanti ancora da scrivere. 

Anche i fatti fondamentali sulla particella devono ancora essere stabiliti, ad esempio se il bosone è una particella fondamentale o ha una struttura interna.

I fisici teorici sono oggi interessati ad approfondire l’accoppiamento trilineare di Higgs, una misurazione che fornirebbe informazioni cruciali su come i bosoni di Higgs vengono prodotti in coppia all’interno del Modello Standard.

Dal punto di vista sperimentale, l’enorme quantità di dati raccolti durante la seconda fase dell’LHC ha permesso agli esperimenti ATLAS e CMS del CERN di stabilire con precisione come l’Higgs si accoppia con particelle fondamentali come il quark top, il quark bottom e il leptone tau.

Ma c’è ancora molto lavoro da fare. Come sottolinea Camacho Toro, “ci sono altri accoppiamenti che non abbiamo ancora osservato, come ad esempio gli accoppiamenti ai quark charm o gli accoppiamenti addirittura con gli elettroni o i muoni“.

Il bosone di Higgs continuerà a confermare le previsioni dei teorici o a costringerli a fornire nuove spiegazioni.

Tuttavia una cosa è certa: la ricerca sull’Higgs rimane un campo vivace, sia sul fronte sperimentale che su quello teorico.

The God particle!