Un nuovo paradigma teorico spiega le origini dell’universo

 PENNSYLVANIA – Per ricostruire la genesi e la storia dell’universo gli scienziati della Penn State University hanno introdotto un nuovo paradigma teorico che mira a conciliare due teorie fino ad oggi ritenute antitetiche: la relatività generale di Albert Einstein (con le sue note conseguenze cosmologiche) e la gravità quantistica a loop, una disciplina relativamente recente che sfrutta alcuni assunti alla base della fisica quantistica. Lo studio verrà pubblicato l’11 dicembre 2012 nella rivista “Physical Review Letters”.

Vediamo anzitutto di capire cos’è la gravità quantistica a loop. Sono due i principi fondamentali su cui si fonda: (i) l’indipendenza dallo sfondo e (ii) l’invarianza sotto diffeomorfismo. (i) Con indipendenza dallo sfondo si intende la sua capacità di inglobare dinamicamente lo spazio e il tempo senza intenderli come costrutti artificiali e statici, come se fossero uno sfondo fisso nel quale si stagliano gli eventi. Di qui il carattere dinamico della geometria dello spazio-tempo.  (ii) L’invarianza sotto diffeomorfismo dice inoltre che tutti i sistemi di riferimento sono equivalenti per la descrizione dello spazio-tempo. Non esistono sistemi di riferimento privilegiati o superiori rispetto agli altri per descrivere gli eventi spaziotemporali.

A partire da questi due principi fondamentali, attraverso calcoli molto complessi, è possibile derivare la struttura dello spaziotempo che, secondo la teoria, è quantizzato, sussiste cioè in unità discrete. Il nome di gravità quantistica a loop, chiamata anche geometria quantistica, è dovuto all’ipotesi che essa fa dell’esistenza di piccolissimi cicli nello spazio-tempo. Nella gravità quantistica a loop, gli stati quantici dello spazio vengono descritti attraverso un’entità chiamata spin network (ossia rete di spin) composta da nodi e linee. I volumi elementari dei quali si compongono queste reti sono sempre determinati in funzione di una precisa lunghezza minimale, la lunghezza di Planck. Ma non è solo lo spazio ad essere granuloso: anche il tempo è formato da unità discrete e minimali, chiamate tempo di Planck. L’evoluzione temporale della geometria dello spazio viene determinata dagli stati quantici dello spazio-tempo.

Poste queste premesse, possiamo comprendere meglio i contenuti dello studio che stiamo per presentare. Obiettivo del team di ricerca della Penn State University è essenzialmente questo: applicare alcune tecniche della gravità quantistica a loop per ricostruire le prime fasi della storia dell’Universo. Il nuovo paradigma teorico utilizzato è stato battezzato “ciclo delle origini” e presenta, per la prima volta, una spiegazione delle strutture su larga scala che oggi vediamo nell’universo come il risultato di un “processo evolutivo”: più in dettaglio, gli scienziati ritengono che l’universo così come lo vediamo si sia evoluto attraverso fluttuazioni che interessano il livello fondamentale della natura di un quanto di spazio-tempo che esiste da oltre quattordici miliardi di anni fa.

“E’ insito nella natura umana cercare di progredire nella comprensione dell’origine e dell’evoluzione del nostro universo ”, puntualizza Abhay Ashtekar, docente di fisica e autore principale del paper (insieme a Ivan Agullo e a William Nelson, borsisti post-doc alla Penn State University). “Per questo motivo è un momento emozionante del nostro lavoro di ricerca, soprattutto perché l’introduzione del nuovo paradigma aiuterà a capire, in profondità, le dinamiche della materia e la geometria dello spazio durante i primi periodi di vita dell’universo”.  

Il ciclo delle origini fornisce un quadro concettuale e matematico per descrivere un fenomeno considerato, fino ad oggi, abbastanza esotico: la geometria quantomeccanica dello spazio-tempo nell’universo delle origini. Il paradigma ha mostrato che, soprattutto in questi primi momenti di vita, l’universo esisteva sottoforma di una massa compressa, la cui densità era elevatissima e il cui comportamento non poteva essere governato dalle regole della fisica classica, ossia dalla relatività generale di Einstein, bensì da una teoria ancora più fondamentale che incorpora anche quelle “strane dinamiche” che gli studiosi degli oggetti quantistici sono ormai abituati ad incontrare. Qualche dato può aiutarci a comprendere la differenza di densità tra l’universo primordiale e quello odierno: allora la densità della materia era enorme,1094 grammi per centimetro cubo, mentre la densità di un nucleo atomico che conosciamo misura solo 1014 grammi.

Questo ambiente quanto-meccanico, del quale possiamo parlare solo in termini di probabilità e non di verità o certezza, come la fisica classica ci ha abituato a fare, è ovviamente molto diverso dall’universo che oggi osserviamo.  Abhay Ashtekar si è soffermato nella descrizione di queste differenze con particolare attenzione al concetto di tempo – per come la geometria quantistica è capace di descriverlo. Purtroppo non sono molti gli osservatori che possono dirsi così fortunati da poter assistere a questo spettacolo, andando così indietro nel tempo. Se abbiamo un potente strumento teorico-matematico in grado di simulare i primi istanti di vita dell’universo, possiamo contare solo sulla radiazione cosmica di fondo, se cerchiamo qualche “osservatore” così indietro nel tempo. Dato che la radiazione cosmica di fondo è stata rilevata in un’epoca in cui l’universo aveva solo 380 mila anni, sappiamo che, dopo un periodo di rapida espansione chiamata “inflazione”, ha cominciato la sua storia più lentamente, in quella forma compressa di cui abbiamo accennato in precedenza. All’inizio del periodo di inflazione, la densità dell’universo era un trilione di volte inferiore di quella che ne caratterizzò l’infanzia: con il passare del tempo sembra, dunque, che i fattori quantistici divennero sempre meno determinanti nel governare le dinamiche della materia.

L’osservazione della radiazione cosmica di fondo ha fornito numerose informazioni su questa evoluzione storica; dopo l’inflazione l’universo aveva una consistenza uniforme, mentre solo successivamente si cominciarono a registrare significative differenze tra le sue regioni (alcune più dense altre sempre meno dense). Ed è su queste differenze che il team di ricerca guidato da Abhay Ashtekar ha potuto mettere alla prova il nuovo paradigma. Cerchiamo di capire come. Per descrivere i primi istanti di vita dell’universo, il paradigma esplicativo utilizzato sfrutta largamente la fisica classica e le equazioni di Einstein, considerando lo spazio-tempo come un continuum pluridimensionale. Con le parole di  Ivan Agullo,“il paradigma inflazionario gode di notevole successo per spiegare le caratteristiche osservate mediante la radiazione cosmica di fondo. Ciò nonostante, questo modello rivela una incompletezza di fondo. Mantiene ferma l’idea che l’universo esplose in seguito al Big Bang; questa convinzione deriva dall’incapacità di spiegare nei termini della fisica quantistica i fenomeni propri della teoria della relatività. Per questo motivo è necessario introdurre una teoria quantistica della gravità, come la cosmologia quantistica a loop, capace di andare oltre le equazioni di Einstein per catturare la fisica che spiega l’origine dell’universo”.

Sembra di capire che il risultato più significativo di questo studio sia quello di individuare un punto di raccordo tra due branche della fisica in prima battuta inconciliabili: anche se le condizioni quanto-meccaniche dell’universo primordiale sono molto diverse da quelle classiche dell’universo nel periodo dell’inflazione, esistono dei punti di contatto tra queste teorie. Che, se si accetta questa lettura, non sono più antitetiche. Per spiegare un corpo dalla massa compressa ad elevata densità, quale l’universo primordiale, è necessario “correggere” la relatività generale di Einstein intervenendo sul suo concetto-quadro: la gravità. Una teoria quantistica della gravità è ciò che ci serve per costruire una cosmologia quantistica a loop in grado di sostituire il concetto di Big Bang con quello di Big Bounce, più adatto a rendere conto delle grandi masse complesse.

Potremmo infatti chiederci da dove viene l’universo: è comparso dal nulla sotto dorma di super-massa compressa? Il Big Bounce permette di non ricadere nella tesi della creatio ex nihilo ma di ipotizzare che l’universo attuale sia nato da questo ammasso gigante di materia che, naturalmente, esisteva prima dell’universo ed ha una storia sua propria. Quando gli scienziati hanno usato il paradigma dell’inflazione insieme alle equazioni di Einstein per simulare l’evoluzione dell’universo osservando la radiazione cosmica di fondo, si sono accorti che le irregolarità tra le varie zone che lo compongono si comportavano come semi che si sono evolute nel corso del tempo in gruppi di galassie e nelle altre strutture su larga scala che oggi vediamo. 

“In termini umani è come scattare una fotografia di un bambino appena nato e poi essere in grado di elaborare da questa semplice foto un profilo accurato di come questa persona sarà fino a 100 anni”, conclude Abhay Ashtekar. I risultati ottenuti non solo in grado di correlare due grandi paradigmi teorici, ma pavimentano la strada a numerose conquiste sui misteri dell’universo.