Hawking, l’universo ciclico e il ristorante di Alice

Ci avrei scommesso! Questa forse è stata la reazione di Stephen W. Hawking all’annuncio della cattura dei primi segnali di vita dell’universo, risalenti a circa 13,8 miliardi di anni fa. Si tratta della prima prova sperimentale dell’esistenza di onde gravitazionali primordiali generatesi nei momenti immediatamente successivi al big bang. 

E qui l’esclamazione non è convenzionale: sembra che Hawking abbia effettivamente scommesso con un collega  – Neil Turok, direttore del Perimeter Institute in Canada – che prima o poi queste impronte ancestrali dell’inflazione sarebbero state trovate. Il quotidiano The Guardian riporta che è stato lo stesso Hawking a raccontare l’aneddoto nell’ambito di un’intervista rilasciata ad una trasmissione della BBC Radio 4 , durante la quale ha chiarito altri aspetti importanti di questa scoperta.

Stephen Hawking. (Credit: The Guardian).

Tra tutti, una grande smentita: si tratta proprio della teoria proposta da collega Turok concernente l’eterno ritorno nella storia dell’universo. Se sarà confermata da ulteriori osservazioni e analisi, la scoperta escluderebbe questa tesi – che non contempla onde gravitazionali primordiali – rivendicando anche una sorta di unicità per quel periodo di rapidissima espansione conosciuto con il nome di inflazione. Ma andiamoci cauti. 

Su una cosa siamo tutti d’accordo: gli entusiasmi potranno scatenarsi solo quando arriveranno conferme delle osservazioni condotte da Bicep2 da parte di altri gruppi di ricerca. La scienza funziona così: una conferma sperimentale ha valore solo se è riproducibile. Se però volessimo fare i pignoli, potremmo aggiungere che sarebbe fantastico corroborare i risultati di Bicep2 con esperimenti di fisica alle alte energie, con LHC per intenderci, e spiegare perché solo l’inflazione dovrebbe tener conto delle scoperte sulle onde gravitazionali. Quando riusciremo ad avere mappe più complete della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo, possibilmente riferite all’intera volta celeste, forse saremo capaci di spiegare perché vanno esclusi altri fenomeni fisici e resta solo l’inflazione. Riflessioni di questo tipo sono un esempio di contestualizzazione di una scoperta scientifica all’interno del quadro teorico più ampio in cui si situa. La pignoleria è necessaria ma quando sfocia in incredulità va tenuta sotto controllo. Lo dico perché gli scettici fanno capolino con la figura di John Horgan, un giornalista scientifico che racconta il suo punto di vista in un blog del Scientific American.

Horgan scrive che i sostenitori dell’inflazione si farebbero ingannare da un problema noto come Alice’s restaurant. Il ristorante di Alice è una canzone di Arlo Guthrie, che narra di un ristorante dove si può avere tutto ciò che si vuole, ed è qui utilizzata per mostrare che ricade tra le teorie non falsificabili, come la psicanalisi e il marxismo. Secondo Horgan, la teoria dell’inflazione si comporta allo stesso modo: è disponibile in tante versioni che se ne può dedurre tutto ciò che si vuole. Non è falsificabile e, proprio per questo, andrebbe esclusa dalle teorie scientifiche. Il giornalista pensa che non sia l’unico caso: così è stato per la mappa della radiazione cosmica di fondo del 1992 e, alla fine del 1990, per la scoperta dell’universo in espansione accelerata.

“Mi sembra ridicolo dover scrivere che l’inflazione cosmica è una teoria scientifica”. Secondo Horgan gran parte delle nostre ultime acquisizioni teoriche in campo cosmologico sarebbero fuffa. Non scherziamo. Credo che vada prestata la massima cautela su questo punto, viste le imprecisioni e la continua confusione tra scienza e pseudoscienza che anche alcuni mezzi di informazione finiscono per contribuire a diffondere. 

Semplice e breve promemoria per giornalisti perplessi. L’universo è nato dal nulla passando per un breve periodo di veloce espansione che ha coinvolto una microscopica regione di spazio-tempo. Dopo questa rapida inflazione, l’espansione è proseguita a ritmi più blandi; oggi, all’incirca 14 miliardi di anni dopo, una parte di quella minuscola regione iniziale è diventata il nostro intero universo osservabile. Alan Guth arrivò all’inflazione proprio grazie alle ricerche condotte da Hawking sul comportamento di campi gravitazionali estremamente intensi, simili alle vicinanze di un buco nero o al tempo dell’Universo primordiale. E grazie alle ricerche sulle onde gravitazionali di un altro genio della fisica, Andrej Dmitrievič Linde. 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 così  rapidamente da permettere la formazione dell’Universo osservabile.

Per farla breve, vi dico subito che i problemi cosmologici che risolve sono riassumibili in tre punti: 1) 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. 2) Secondo la Relatività Generale è stata l’inflazione a spianare la superficie di quella parte di Universo che per noi è osservabile, proprio come può sembrarci piatta la superficie sferica della Terra da vicino. In un Universo siffatto, la densità avrebbe un valore critico. 3) Il problema delle disomogeneità su piccola scala (delle galassie e degli ammassi) viene risolto almeno teoricamente. 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 le increspature o rilievi nati da questo effetto oscillante sarebbero cresciuti per fungere da “semi“ per la nascita delle stelle e delle galassie.

Conclusione. Bene, mi sembra ovvio che la teoria funzioni proprio in quanto falsificabile (de facto, i tre punti elencati non sono compatibili con ogni ipotesi cosmologica). Ho scelto esempi semplici e discorsivi, anche se rispondere agli increduli con una sequenza di formule sarebbe più efficace (ma meno comprensibile ai più). Ultimo punto: secondo Hawking tutto questo mette in scacco alcune teorie sull’universo ciclico, ma non tutte. Qualche anno fa sono state osservate alcune anomalie nella radiazione cosmica di fondo che hanno condotto a pensare che ci troviamo in un universo ciclico, in cui alla fine di ogni “eone” un nuovo big bang darebbe il via a un nuovo universo. Questa è la tesi di Roger Penrose e di Vahe Gurzadyan per come è esposta in un articolo postato sul sito arXiv. Per capire meglio cosa si intende per cosmologia ciclica conforme, che ricorda molto da vicino l’eterno ritorno dell’uguale di Nietzsche, potete leggere l’ultimo libro di Penrose, Cycles of Time.

A differenza della teoria di Turok, a mio parere questa idea di Penrose resta in piedi anche con gli ultimi dati sui Modi B. L’unico punto debole concerne una delle sue previsioni, cioè che tutta la materia, nel lunghissimo periodo, finisce per perdere la propria massa e decadere. Anche se molte particelle sono prive di massa e molte altre possono decadere, perdendola, sarebbe altamente improbabile dimostrare che particelle come gli elettroni, di massa infinitesimale ma pur sempre esistente, la possano perdere. Ma questa è un’altra storia.