Prima del "big bang"

"L'universo che rimbalza"

da Le Scienze n. 484, dicembre 2008

Il nostro universo potrebbe non essere cominciato con il big bang ma con un big bounce, un grande rimbalzo, ovvero l'implosione di un universo precedente che ha poi scatenato un'esplosione. Di Martin Bojowald

“- (...) Secondo (...) la teoria della gravità quantistica a loop, lo spazio è diviso in atomi di volume e ha una capacità finita di contenere materia ed energia, impedendo l'esistenza di una singolarità.

- Se così fosse, il tempo potrebbe essere esistito anche prima del big bang. L'universo pre-big bang potrebbe aver subito una catastrofica implosione che ha raggiunto un punto di massima densità, per poi invertire la rotta. Ovvero una grande compressione avrebbe portato a un grande rimbalzo e poi al big bang.”

<<(...) La gravità è una forza attrattiva. Una sfera di materia tende a collassare sotto il suo stesso peso, e se la sua massa è abbastanza grande la gravità ha il sopravvento su tutte le altre forze comprimendo la sfera in una singolarità, come il centro di un buco nero. Ma a densità di energia molto alte la gravità a loop suggerisce che la struttura atomica dello spazio-tempo cambi la natura della gravità, rendendola repulsiva. Immaginate lo spazio come una spugna, e la massa e l'energia come l'acqua. La spugna porosa può raccogliere acqua, ma solo una certa quantità. Una volta imbevuta completamente non può più assorbirne, anzi la respinge. Allo stesso modo, uno spazio quantistico atomico è poroso e dispone di una quantità finita di spazio per contenere energia. Quando la densità di energia diventa troppo grande, entrano in gioco le forze repulsive.
Lo spazio continuo della relatività generale, invece, può contenere una quantità illimitata di energia.
A causa della variazione quanto-gravitazionale nel bilancio delle forze, non può emergere alcuna singolarità. Secondo questo modello, la materia nell'universo primordiale aveva una densità elevata, ma finita: il volume di un protone conteneva migliaia di miliardi di Soli. In questi stati estremi, la gravità era una forza repulsiva, e causava l'espansione dello spazio. Quando la densità è diminuita, la gravità è diventata attrattiva. L'inerzia ha fatto proseguire l'espansione fino a oggi.
In effetti la forza di gravità repulsiva ha fatto espandere lo spazio con un tasso crescente nel tempo. Le osservazioni cosmologiche sembrano indicare un simile periodo iniziale di accelerazione, l'inflazione cosmica. Con l'espansione dell'universo, la forza che determina l'inflazione si è lentamente attenuata. Finita l'accelerazione, l'energia in eccesso è trasferita alla materia ordinaria, che inizia a riempire l'universo in un processo di “rigenerazione” o “reheating”. Nei modelli attuali l'inflazione è introdotta appositamente per soddisfare le osservazioni. Nella gravità quantistica “a loop”, invece, è una conseguenza naturale della struttura atomica dello spazio-tempo. L'accelerazione si verifica automaticamente quando l'universo è piccolo e ha una struttura significativamente porosa.


Il tempo prima del tempo

Senza una singolarità che segni l'inizio del tempo, la storia dell'universo potrebbe andare all'indietro più di quanto ipotizzato dai cosmologi. Altri fisici hanno raggiunto una conclusione simile (si veda “Prima del Big Bang”, di Gabriele Veneziano, in “Le Scienze” n429, maggio 2004), ma solo di rado le loro teorie risolvono la singolarità. La maggior parte dei modelli, compresi quelli della teoria delle stringhe, richiedono delle ipotesi su ciò che è accaduto in questa oscura regione. La gravità a loop, invece, permette di capire cosa sia avvenuto alla singolarità. Scenari basati sulla gravità a loop, anche se semplificati, sono fondati su principi generali e non introducono appositamente nuovi assunti.
Usando le equazioni alle differenze, possiamo tentare di ricostruire il passato remoto. Un possibile scenario prevede che lo stato iniziale ad alta densità sia emerso dopo il collasso di un universo precedente causato dalla gravità attrattiva. La densità è cresciuta al punto che la gravità è diventata repulsiva e l'universo è tornato a espandersi. I cosmologi lo chiamano “rimbalzo” o, in inglese, “bounce”.
Il primo modello studiato di bounce è stato un universo altamente simmetrico, con un solo tipo di materia, in cui le particelle non hanno massa e non interagiscono tra loro: un caso ideale. Nonostante le semplificazioni, per capire il modello sono state necessarie numerose simulazioni, completate solo nel 2006 da Abbay Ashtekar, Tomasz Pawlowski e Parampreet Singh, della Pennsylvania State University. I tre Hanno considerato una propagazione di onde che rappresentava l'universo prima e dopo il big bang. Il modello ha dimostrato che un'onda non avrebbe seguito la traiettoria classica negli abissi di una singolarità, ma si sarebbe fermata e avrebbe invertito il moto una volta intervenuta la repulsione della gravità quantistica.
Un interessante risultato di queste simulazioni è stato che l'indeterminazione della meccanica quantistica sembrava indebolirsi durante il rimbalzo, quando un'onda rimaneva localizzata invece di diffondersi come accade per le onde quantistiche. A prima vista, questo risultato suggeriva che l'universo prima del rimbalzo fosse assai simile al nostro, governato dalla relatività generale e forse pieno di stelle e galassie. Se così fosse, a partire dal nostro universo dovremmo essere in grado di ricostruire, andando all'indietro nel tempo attraverso il rimbalzo, che cosa c'era prima, un po' come ricaviamo la traiettoria di due palle da biliardo prima di una collisione basandoci sulla loro traiettoria dopo la collisione. Non abbiamo bisogno di conoscere ogni dettaglio a scala atomica della collisione.
Purtroppo le mie analisi successive hanno demolito questa speranza. Il modello e le onde quantistiche usate nelle simulazioni numeriche si sono rivelati casi molto particolari. In generale, ho scoperto che le onde si diffondevano, e che gli effetti quantistici erano abbastanza forti da non potere essere trascurati. Il rimbalzo, dunque, non era il breve impulso di una forza repulsiva, come in una collisione tra palle da biliardo, ma poteva rappresentare la nascita del nostro universo a partire da uno stato quantistico imperscrutabile, un mondo turbolento caratterizzato da forti fluttuazioni. Anche se fosse stato molto simile al nostro, l'universo preesistente aveva attraversato un periodo in cui la densità di materia ed energia aveva subito variazioni forti e casuali, che rimescolavano tutto.
Le fluttuazioni prima e dopo il big bang non erano fortemente correlate tra loro. L'universo anteriore al big bang poteva subire fluttuazioni molto diverse rispetto a quello successivo, e questi dettagli non sopravvivevano la rimbalzo. L'universo, in breve, rappresenta un grave caso di perdita di memoria. Sarebbe potuto esistere prima del big bang, ma gli effetti quantistici del rimbalzo hanno cancellato quasi ogni traccia della sua storia precedente.


Qualche frammento di memoria

Questa immagine del big bang è più raffinata della visione classica della singolarità. Mentre la relatività generale fallisce la prova della singolarità, la gravità a loop è in grado di affrontare anche questa condizione estrema. Il big bang non è più un inizio fisico o una singolarità matematica, ma pone un limite pratico alla nostra conoscenza.
Qualunque cosa sopravviva non fornisce un'informazione completa su ciò che c'era prima.
Anche se frustrante, potrebbe essere una benedizione concettuale. Nei sistemi fisici il disordine tende ad aumentare. Questo principio, la seconda legge della termodinamica, è un argomento contro un universo eterno. Se l'ordine è diminuito in un arco di tempo infinito, oggi l'universo dovrebbe essere talmente disorganizzato da rendere impossibili le strutture che osserviamo nelle galassie e sulla Terra. La giusta quantità di smemoratezza cosmica potrebbe aiutarci, descrivendo l'universo giovane e in crescita, come una lavagna pulita indipendentemente dalla confusione che l'ha preceduto.
Secondo la termodinamica classica, una simile lavagna pulita non esiste. Ogni sistema mantiene il ricordo del suo passato nella configurazione dei suoi atomi (si veda “Le origini cosmiche della freccia del tempo”, di Sean M.Carroll, in “Le Scienze” n.480, agosto 2008). Ma poiché il numero degli atomi dello spazio-tempo può cambiare, la gravità a loop concede all'universo una maggiore libertà di riordinarsi rispetto a quanto consenta la fisica classica.
Non significa che i cosmologi non potranno indagare il periodo quanto-gravitazionale. Le onde gravitazionali e i neutrini sono strumenti particolarmente promettenti, perché interagiscono debolmente con la materia e quindi hanno penetrato il plasma primordiale con perdite minime. Questi messaggeri potrebbero portarci notizie da un'epoca vicina al big bang, o addirittura precedente.
Un metodo per cercare onde gravitazionali consiste nello studio della traccia che lasciano nella radiazione cosmica di fondo a microonde (si veda “Echi dal big bang”, di R. Caldwell e Marc Kamionkowski, in “Le Scienze” n. 400, dicembre 2001). Se la gravità repulsiva quanto-gravitazionale guidasse l'inflazione cosmica, queste osservazioni dovrebbero trovare qualche indizio. I teorici devono anche stabilire se questa nuova sorgente di inflazione possa riprodurre altre misurazioni cosmologiche, in particolare la distribuzione della densità di materia primordiale osservata nella radiazione cosmica di fondo a microonde.
Inoltre gli astronomi possono cercare l'analogo spazio-temporale del moto browniano. Per esempio le fluttuazioni dello spazio-tempo potrebbero incidere sulla propagazione della luce a lunghe distanze. Secondo la gravità a loop, la radiazione luminosa non può essere continua: deve adattarsi al reticolo dello spazio. Minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la distorsione dovuta al reticolo. In un certo senso, gli atomi dello spazio-tempo deflettono l'onda. Di conseguenza, luce con diverse frequenze d'onda viaggia a velocità diverse. Anche se queste differenze sono piccole, potrebbero sommarsi durante un lungo viaggio. La speranza di osservare questo effetto è riposta soprattutto in sorgenti distanti come i lampi a raggi gamma (si veda “Una finestra sull'universo estremo”, di William B. Atwood, Peter F. Michelson e Steve Ritz, in “Le Scienze” n.474, febbraio 2008).
Nel caso degli atomi alla base della materia, sono trascorsi più di 25 secoli tra la prima speculazione operata dai filosofi e l'analisi del moto browniano di Einstein, che impose gli atomi come oggetto di indagine della scienza sperimentale. Il ritardo non dovrebbe essere tanto lungo per gli atomi dello spazio-tempo >>.