Alla scoperta della teoria dell'Inflazione: la solidità dell'incertezza

L'inflazione è una delle teorie più controverse della cosmologia. Vediamo i motivi dietro alla sua importanza e le critiche che le vengono rivolte.

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L'inflazione è una teoria cosmologica proposta, quasi contemporaneamente, da Alexei Starobinski e Alan Guth all'inizio degli anni '80, per risolvere alcuni problemi del modello del Big Bang, e prevede una fase di espansione accelerata dell'Universo nei primi istanti della sua vita.
Fin dalla sua formulazione è stata una teoria molto controversa perché ha il pregio di risolvere molto elegantemente i principali problemi della cosmologia ma, allo stesso tempo, non ha alcuna prova sperimentale e sembra una teoria creata ad hoc senza che essa emerga naturalmente.
Tra i detrattori più importanti della teoria dell'inflazione ci sono importanti fisici e matematici, come Paul Steinhardt e Roger Penrose (premio Nobel 2020), che sottolineano come la teoria non sia realmente falsificabile, in quanto i suoi parametri sono troppo flessibili per essere verificati sperimentalmente.

Perché abbiamo bisogno dell'Inflazione?

Il modello accettato dalla comunità scientifica e che è in grado di riprodurre le osservazioni del nostro universo è detto Modello cosmologico Standard.
Questa teoria prevede che l'Universo sia stato generato a partire da un punto con densità e temperature infinite che, dopo il Big Bang, ha iniziato ad espandersi creando lo spazio-tempo.

Il Modello cosmologico standard è la raccolta di tutti gli elementi teorici e sperimentali necessari per spiegare le caratteristiche dell'Universo, prevede che le principali componenti energetiche e di materia siano l'energia oscura, modellizzata come una costante cosmologica, e la materia oscura fredda, cioè lenta e pesante.Il modello cosmologico standard, o Modello Lambda-CDM, è lontano dall'essere completo: bisogna trovare l'origine dell'energia oscura, da quali particelle è composta la materia oscura e risolvere i problemi di "fine tuning" della teoria.

Il "fine tuning" è un problema concettuale nella formulazione di una teoria fisica e avviene quando, per riprodurre la realtà, dobbiamo fissare le condizioni iniziali e i parametri della teoria con una precisione eccessiva.

I quattro problemi del Modello Cosmologico Standard:

L'ipotesi dell'inflazione cosmica serve a risolvere quattro problemi, o paradossi, che affligevano il modello del Big Bang fino agli anni 80. Ecco quali sono:

Problema della curvatura: la densità critica è la densità di energia che discrimina tra un universo chiuso e uno aperto e il parametro di densità è definito come il rapporto tra la densità effettiva e quella critica.
Il modello standard prevede una curvatura dello spazio-tempo tendente a zero e quindi un parametro di densità critica pari a uno. Per avere questa cifra oggi dobbiamo avere un valore pari a 10^-60, equivalente a quando l'universo è diventato classico (ovvero smette di essere governato dalle leggi della meccanica quantistica)

Problema dell'orizzonte: la radiazione cosmica di fondo (CMB) è la radiazione elettromagnetica che permea l'Universo ed è il segnale che proviene dall'epoca della ricombinazione, il periodo in cui si sono formati i primi atomi.
Può essere schematizzata come la radiazione emessa da un corpo nero con una temperatura di 2,7 K; si notano piccole differenze di temperatura, dell'ordine di 10^-5K, in funzione della direzione di osservazione.

L'omogeneità della temperatura della CMB è legata all'omogeneità della materia nell'Universo. Per avere una grande omogeneità le particelle devono essere in grado di "comunicare" tra di loro, questo può avvenire a una velocità massima pari alla velocità della luce.
La distanza che la luce può percorrere dalla nascita dell'Universo fino alla ricombinazione è detto "Orizzonte causale". Osservando la CMB ci sono più di 1000 zone che non sarebbero potute entrare in contatto e quindi dovevano avere condizioni iniziali estremamente simili.

Problema dell'entropia: l'Universo si espande conservando l'entropia. Calcolando la quantità di entropia dell'Universo con le condizioni attuali si trova un'entropia dell'ordine di 10^87 e quindi l'Universo deve essere partito con un'entropia così grande.

Problema dei monopoli: Tutte le teorie di grande unificazione (GUT), che tentano di unire la forza forte con la forza elettro-debole, prevedono l'esistenza di particelle esotiche come i monopoli magnetici.

Questi dovrebbero essere prodotti in grande quantità nelle fasi iniziali dell'Universo e, essendo particelle stabili, dovrebbero essere sopravvissute fino ad oggi. Il fatto che sia stata individuata nemmeno una particella esotica crea una contraddizione con le teorie GUT. Tutti questi problemi vengono elegantemente risolti con un unico meccanismo: l'inflazione.

Che cos'è l'inflazione?

L'inflazione è una fase di espansione accelerata dell'Universo che porta ad aumentare la sua dimensione di miliardi di volte in pochi miliardesimi di secondo. Si stima che l'inflazione sia avvenuta circa 10^-35s dopo il Big Bang e abbia aumentato il volume dell'Universo di un fattore compreso tra 10^25 e 10^30.
Non esiste un unico modello per spiegare l'inflazione ma quasi tutti concordano nell'ipotizzare che questa fase sia "guidata" da un campo scalare ignoto, detto Inflatone, simile al bosone di Higgs.

Un campo scalare è molto simile al campo elettrico o magnetico ma, mentre questi associano ad ogni punto dello spazio un vettore, il campo scalare associa un numero ad ogni punto dello spazio. L'effetto più importante dell'inflazione è che cancella le condizioni iniziali e quindi, fissando opportunamente alcuni parametri della teoria, riusciamo a riprodurre il nostro Universo da qualsiasi punto di partenza.
L'inflazione si basa su un procedimento chiamato "Rottura spontanea della simmetria": immaginate di avere una pallina sulla cima di una montagna, con ai lati due valli alla stessa altezza; quando la pallina cadrà questa potrà "scegliere" solo una delle due valli, rompendo la simmetria della situazione precedente. La montagna nel nostro esempio corrisponde al potenziale della particella, in analogia con il potenziale gravitazione newtoniano, in cui l'energia dipende solo dall'altezza.

L'Inflatone è originariamente non stabile e, decadendo nel suo stato di energia minima, produce una fase di "gravità repulsiva" che porta l'Universo a espandersi molto velocemente.
Il modo più semplice di costruire una teoria inflativa è quello di ipotizzare che l'inflazione avvenga ad energia costante e costruire una teoria equivalente ad un Universo che si espande sotto la spinta di una costante cosmologica. Un modello in cui l'unica componente energetica è una costante cosmologica è detto "Universo di De Sitter" e descrive un universo il cui volume cresce esponenzialmente con uno spazio-tempo piatto.
Come abbiamo detto precedentemente, la teoria dell'Inflazione serve per spiegare i quattro paradossi del modello cosmologico standard; vediamo ora come il problema dell'orizzonte e della curvatura vengono risolti dall'esistenza di una fase inflativa.

Come risolvere il problema

Problema della curvatura: La fase di espansione accelerata porta il parametro di densità dell'Universo, legato alla curvatura dello spazio-tempo, ad un valore prossimo all'unità, indipendentemente dal valore iniziale. L'inflazione "stira" lo spazio-tempo portandoci ad avere un Universo piatto e descritto dalla geometria euclidea; cosa che è stata verificata sperimentalmente, con una piccola incertezza, analizzando lo spettro della CMB;

Problema dell'orizzonte: Se tutto l'Universo, prima dell'inflazione, è all'interno dell'orizzonte causale, allora abbiamo la stessa temperatura e la stessa densità in ogni punto.

L'orizzonte causale cresce alla velocità della luce mentre l'Universo, nella fase di De Sitter, aumenta di volume ad una velocità superiore a quella della luce e quindi il volume dell'Universo diventa rapidamente più grande del volume dell'orizzonte causale. Quando termina la fase di inflazione l'Universo cresce ad una velocità più bassa di quella della luce, e quindi, lentamente, nuove zone dell'Universo entrano nell'orizzonte causale; quando misuriamo la temperatura di questi punti troviamo che hanno la stessa temperatura e interpretiamo i risultati nel modo scorretto, pensando a un paradosso. La verità è che le zone che osserviamo hanno la stessa temperatura perché l'hanno raggiunta prima di uscire dall'orizzonte causale. Manca un'ultima fase per completare la descrizione dell'inflazione: il reheating.

Completiamo la nostra descrizione

A seguito della fase di inflazione la temperatura dell'Universo è prossima allo zero assoluto e il campo inflativo forma un particolare stato della materia chiamato "Condensato di Bose-Einstein". I bosoni che formano il campo si dispongono tutti nello stato energetico fondamentale e le proprietà quantistiche della materia emergono anche su scale macroscopiche.

Il campo scalare dell'Inflatone deve essere descritto da una particella molto pesante, un bosone molto massivo e freddo è una particella instabile e quindi decade in particelle più piccole ma molto più veloci. L'inflatone è una particella talmente pesante che le nuove particelle in cui decade hanno una velocità prossima a quella della luce. Questo fenomeno è stato supportato anche da avanzate simulazioni al computer. Il meccanismo del reheating è necessario non solo per ristabilire la temperatura dell'Universo, ma anche per risolvere il paradosso dell'Entropia e quello dei Monopoli magnetici:

Problema dell'Entropia: Il reheating è un processo irreversibile e quindi il decadimento dell'Inflatone produce una grandissima quantità di entropia, sufficiente a giustificare il valore enorme che misuriamo adesso. Il valore dell'entropia è indipendente da quello originario all'inizio dell'Universo perché la quantità prodotta durante il reheating è talmente grande da "sommergere" il valore precedente.

Problema dei Monopoli: I monopoli vengono prodotti prima dell'Inflazione e quindi sono diluiti fortemente dall'espansione durante la fase di De Sitter. Per risolvere completamente il problema abbiamo bisogno che il decadimento dell'Inflatone durante il reheating non sia in grado di riprodurre i monopoli magnetici. Questo avviene nella teoria dell'Inflazione perché durante il riscaldamento dell'Universo non ci sono più le condizioni per produrre particelle così esotiche: l'Universo si è espanso troppo per avere delle concentrazioni di energia sufficienti a produrle.

Il perché di una teoria controversa

La teoria dell'inflazione, quando è stata proposta da Guth, non era una teoria molto solida: il bosone di Higgs non era stato scoperto e quindi c'erano ancora dei dubbi sull'esistenza di un campo scalare; l'energia oscura e la materia oscura non erano state scoperte e il parametro di densità stimato all'epoca era molto lontano da essere vicino all'unità, come previsto dall'inflazione; in più la scoperta dell'energia oscura prova che l'orizzonte cosmologico può espandersi ad una velocità più alta di quella della luce. Osservare la CMB alla risoluzione necessaria per notare le anisotropie era molto al di sopra delle possibilità tecnologiche.

Perché, nonostante tutti questi successi, Steinhardt e gli altri continuano a criticare la teoria dell'inflazione?
La prima critica è che le condizioni necessarie all'inizio della fase inflativa sono poco probabili e richiedono un incredibile "fine-tuning". Con le condizioni caotiche all'inizio dell'Universo, è necessario una grande zona piatta da cui possa partire la fase inflativa ed è un evento altamente improbabile. Questo non rappresenta necessariamente un problema; per quanto rara possa essere basta che esista almeno una zona piatta, quando essa si espande sotto la spinta dell'inflazione diventa talmente grande e così rapidamente da dominare l'Universo.

La seconda critica è che l'inflazione sia una teoria troppo flessibile per essere verificata sperimentalmente, in quanto ogni prova sperimentale può essere inclusa nella teoria variando opportunamente i suoi parametri. Sicuramente l'idea dell'inflazione è molto semplice e si possono variare i suoi parametri: la scala di energia alla quale inizia, le caratteristiche del campo scalare e la durata della fase inflativa.
Ogni diversa realizzazione dei parametri produce un pattern diverso nella radiazione cosmica di fondo, una diversa distribuzione delle galassie e delle stelle, e una diversa ampiezza delle onde gravitazionali primordiali. I critici affermano che una teoria che è in grado di predire tutto non è scienza.

I sostenitori invece affermano che ci sia un fraintendimento di fondo: l'inflazione non è un unico modello ma è una classe di diversi modelli, ognuno dei quali può essere verificato sperimentalmente in quanto produce una serie di previsioni che possono essere testate sperimentalmente. Bisogna comprendere quale modello è giusto e non cercare di falsificarli tutti contemporaneamente.
L'inflazione potrebbe non essere una teoria definitiva e quindi una sua possibile previsione sbagliata potrebbe non falsificare completamente le sue basi. La teoria della gravità di Newton non è in grado di tenere conto della precessione di Mercurio, questo non la rende una teoria falsa perché è un'approssimazione a bassa energia della Relatività Generale, lo stesso potrebbe valere per l'inflazione.

L'inflazione si basa sulle teorie più solide disponibili attualmente, la Relatività Generale e la Teoria Quantistica dei Campi. L'inflazione avviene in una fase primordiale della storia dell'Universo e quindi una descrizione corretta deve tener conto di una teoria in grado di unificare la relatività e la meccanica quantistica, al momento non disponibile. La cosmologia sembra essere il miglior terreno di caccia per possibili dati sperimentali che ci possano guidare verso questa unificazione; gli eventi cosmologici avvengono a scale di energia inarrivabili sulla Terra e quindi l'osservazione dell'Universo può fornirci dati impossibili da ottenere in laboratorio.

L'ultima critica alla teoria dell'Inflazione tocca uno dei suoi aspetti più "esotici". Ogni zona piatta nell'Universo primordiale può sviluppare una fase inflativa dando vita ad una "bolla" equivalente ad un Universo autonomo. Questa particolarità può dare vita al Multiverso.

L'idea del multiverso, o inflazione eterna, è estremamente delicata e nessun fisico la accetta con serenità ma, negli ultimi anni, sembra essere una caratteristica comune a molte teorie che tentano di unificare Relatività Generale e meccanica quantistica, come la teoria delle stringhe.
I diversi universi potrebbero differire per tipologia di particelle o alcuni valori delle costanti fisiche. Il valore stesso della costante cosmologica, associata all'energia oscura, sembra fissato in maniera estremamente precisa in modo da portare alla vita umana; nel caso del multiverso, potremmo vivere in uno dei tanti universi, uno di quelli in cui si è potuta sviluppare la vita.

L'inflazione è sicuramente una teoria complessa e non facile da verificare sperimentalmente, ma la sua efficacia nel risolvere i paradossi del modello cosmologico standard e la sua capacità di fornire degli strumenti utili per la comprensione dell'Universo sono elementi che ne hanno garantito un successo innegabile, tale da influenzare anche prodotti pop come Rick and Morty.
Sono passati quasi quarant'anni da quando Alan Guth propose l'ipotesi di una fase di enorme espansione dell'Universo, e da allora la teoria è stata revisionata più volte, ampliata e i concetti sui cui si basava sono stati confermati sperimentalmente. Tutte le maggiori osservazioni degli ultimi anni hanno confermato l'inflazione e l'hanno resa parte del paradigma interpretativo della moderna cosmologia. L'inflazione gode di ottima salute e sembra essere qui per restare. Lunga vita all'inflazione