Teoria dell'Universo inflazionario

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Il modello classico del Big Bang presentava delle carenze dal punto di vista concettuale che hanno portato allo sviluppo di un nuovo modello delle primissime fasi della storia dell’Universo. Questo nuovo modello, detto Modello Inflazionario, ha molte caratteristiche in comune con quello del Big Bang.

La teoria del Big Bang data la nascita dell’Universo a 10-15 miliardi di anni fa, e lo descrive come una palla di fuoco primordiale di densità e temperature altissime che da allora ha continuato a raffreddarsi ed a espandersi.

Questo modello inoltre ha fornito una valida spiegazione a molti aspetti dell’Universo osservato tra i quali il red-shift della luce delle galassie lontane, la radiazione cosmica di fondo a microonde e le abbondanze primordiali degli elementi più leggeri, eventi che hanno avuto luogo dopo il primo secondo dall’inizio di tutto.

Prima di Guth, l’artefice del modello inflazionario, nessuno aveva mai proposto ipotesi su cosa fosse avvenuto durante il primo secondo dell’Universo, si pensava che la temperatura, nel primo attimo, fosse superiore ai 10 miliardi di K ma poco si sapeva sulle proprietà delle materia a tali condizioni, perciò estendere il modello classico del Big Bang ad un tempo in cui regnava l’incertezza, fece sorgere numerosi problemi:

·       Difficoltà di spiegazione dell’omogeneità su grande scala dell’Universo osservato (evidente nella radiazione di fondo). L’Universo si evolve troppo velocemente perché si possa raggiungere l’uniformità con i consueti processi con cui un sistema si avvicina all’equilibrio termico. In ogni momento esiste una distanza massima detta “distanza-orizzonte“ percorribile da un segnale luminoso dall’inizio del tempo, distanza che dovrebbe trovare corrispondenza pragmatica nell’analisi della radiazione cosmica di fondo. Secondo il modello classico del Big Bang caldo le distanze osservate da due sorgenti di radiazione cosmica erano circa 90 volte maggiori della distanza-orizzonte teorica. Da questi presupposti è necessario ipotizzare l’omogeneità dell’Universo come condizione iniziale già propria del Big Bang.

·       Difficoltà di spiegazione della disomogeneità su piccola scala di galassie, ammassi e superammassi. Per spiegare ciò è necessario ipotizzare l’esistenza di uno “spettro di disomogeneità iniziali“ pensando che dopo 10-45 s a causa delle attrazioni gravitazionali reciproche si siano formate le primitive disomogeneità, considerazione che va contro le precedenti conclusioni.

·       La grande precisione dell’equilibrio della densità di energia dell’Universo. Se la densità dell’Universo è maggiore di quella critica lo spazio si dovrebbe incurvare su se stesso, le linee parallele convergerebbero e la gravità prima o poi arresterebbe l’espansione per poi iniziare la contrazione (Big Crunch, Universo chiuso). Se la densità è minore di quella critica le linee parallele dovrebbero divergere e l’Universo si espanderebbe indefinitamente (Universo aperto). Invece se due densità sono uguali l’Universo continuerebbe ad espandersi a velocità decrescente (Universo piatto, detto anche Spazio Euclideo).

·       Un grave problema deriva dalla combinazione delle G.U.T. e della teoria del Big Bang. Nella transizione tra la fase simmetrica e quella  a simmetria spezzata si formano numerosi difetti, quando regioni diverse della fase simmetrica subiscono una transizione verso stati di simmetria spezzata diversi (circa come la cristallizzazione di un liquido). Nelle G.U.T. esistono gravi problemi cosmologici legati a difetti puntiformi che corrispondono a monopoli magnetici ed a difetti puntiformi detti “pareti di Bloch“, questi, stabili e massicci, (m difetto = 1016 m protone), sarebbero numerosissimi dopo la transizione di fase e dominerebbero la densità di energia dell’Universo accelerandone l’evoluzione successiva. Se così fosse la radiazione di fondo avrebbe raggiunto la sua temperatura attuale di 3 K solo 30000 anni dopo il Big Bang e non oggi dopo 10-15 miliardi di anni. Ne deduciamo che qualunque combinazione di Big Bang e G.U.T. debba comprendere una teoria capace di dimostrare la presenza di qualche meccanismo che blocchi la produzione dei monopoli magnetici.

Tutti questi problemi vennero abilmente risolti, almeno teoricamente, dalla teoria inflazionaria, sviluppata nei primi anni ottanta dal fisico statunitense Alan Guth , non potendo spiegare l’attuale grado di omogeneità dell’Universo, se non ipotizzando un processo d’espansione eccessivamente rapido, lo scienziato decise di ammettere questa ipotesi.

Guth basò la propria teoria dell’inflazione sulle ricerche condotte dal fisico Stephen Hawking sul comportamento di campi gravitazionali estremamente intensi, simili alle vicinanze di un buco nero o al tempo dell’Universo primordiale. Il lavoro di Hawking mostrava che tutta la materia dell’Universo doveva essere stata creata da una fluttuazione quantistica dello spazio verificatasi in determinate condizioni; Guth allora utilizzò la teoria dei campi per mostrare che un certo numero di transizioni di fase potevano aver avuto luogo nei primi istanti di vita dell’Universo e che una regione di quello stato caotico originario poteva essersi gonfiata (in inglese to inflate, “gonfiarsi”, da cui il termine “inflazione”) così  rapidamente da permettere la formazione dell’Universo osservabile.

Lo studio teorico di Guth s’imbattè nel concetto di inflazione analizzando le G.U.T. della fisica delle particelle, secondo le quali la forza nucleare forte, la forza nucleare debole e la forza magnetica ad alte temperature, cioè a livelli energetici impensabili non riproducibili sperimentalmente ma ipotizzabili negli istanti successivi al Big Bang, si fonderebbero, nel periodo detto Era G.U.T.: egli ipotizzò che i livelli energetici che possono permettere la fusione delle quattro forze rendano possibile anche fenomeni di transizione di fase che stanno alla base dell’intera sua teoria.

Aprendo una breve parentesi di approfondimento l’Era G.U.T. finisce quando l’interazione nucleare si separa dalle altre forze e l’Universo subisce una transizione di fase simile alla trasformazione di H2O in ghiaccio.

La transizione di fase è il passaggio della materia da uno stato aggregato all’altro in un periodo di tempo infinitesimo

Verso la fine di questo periodo la transizione potrebbe essere ritardata in certe regioni dell’Universo lasciandole in uno stato di sovraraffreddamento (come acqua liquida al di sotto della temperatura di 0° C: l’acqua pura se raffreddata a pressione costante può arrivare anche a -18° C senza congelare però, una volta iniziato il congelamento a queste condizioni, il passaggio di stato avviene con velocità stupefacente)

Queste regioni sovraraffreddate sarebbero entrate in uno stato speciale detto “falso vuoto” in cui la gravità diventa una forza repulsiva invece che attrattiva , subendo un’espansione di breve durata ma molto intensa: l’INFLAZIONE.

Una di queste regioni, , tra 10-34 s e 10-32 s dopo il Big Bang, del diametro presumibilmente di 10-40 cm ( più piccola di un protone )contenente un’enorme quantità d’energia si sarebbe espansa fino alle dimensioni di circa un pompelmo  trasformandosi, in questo modo, in energia di massa della materia; dopo  i primi      10 -34 s , questa energia fece si che l’Universo raddoppiasse le sue dimensioni ogni   10 -34 s.

La velocità di espansione ebbe un notevole incremento durante il periodo inflazionario che termino 10-32 s dopo il Big Bang.

Secondo lo scenario sopra descritto tutto l’Universo osservabile non è che un’infinitesima parte di un cosmo più grande e che quasi tutta la materia che lo costituisce è stata creata virtualmente dal nulla.

L’importanza notevole dell’inflazione è dovuta al fatto che essa ha creato una discontinuità tra energia, massa e spazio rompendo così la proporzionalità che intercorreva tra loro, risolvendo i punti insoluti e dando una risposta a ciò che il Big Bang non riusciva a spiegare.

I problemi cosmologici che risolve sono essenzialmente:

·       L’omogeneità (su grande scala) è giustificata dal fatto che la regione di spazio da cui ha preso forma l’Universo osservabile era in origine così piccola da essere già in equilibrio fin dall’inizio:

·       Secondo la teoria della Relatività Generale l’inflazione ha “spianato“ la superficie di quella parte di Universo che per noi è osservabile, proprio come può sembrarci piatta la superficie sferica della Terra guardata da vicino. In un Universo così piatto la densità verrebbe subito ad avere il valore critico.

·       Il problema delle disomogeneità su piccola scala (delle galassie e degli ammassi) viene risolto almeno teoricamente dalla teoria inflazionaria. Secondo la teoria quantistica a livello subatomico l’intensità di qualunque campo di energia fluttua sempre (come le onde in un lago). Dopo l’inflazione i rilievi inizialmente causati da questo effetto oscillante sarebbero cresciuti abbastanza per fungere da “semi“ per la nascita delle stelle e delle galassie effettivamente nate in seguito a causa della gravità.

Per quel che concerne la combinazione di Big Bang e G.U.T. secondo alcuni fisici è pensabile che la teoria dell’inflazione sia capace di dimostrare la presenza di un meccanismo che blocchi la produzione dei monopoli magnetici.

La teoria inflazionaria è anche base di numerose rivisitazioni  ed elucubrazioni successive che su essa hanno le loro radici.

 

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