27/03/21

Quando è avvenuto il Big Bang ? ***

Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Materia invisibile"

Questa volta voglio unire un ciliegina sotto spirito con una fresca fresca, ossia con una recente ricerca puramente teorica.

La ricerca è di quelle talmente teoriche che spesso evito di proporle, ma questa volta può essere utile per cercare di comprendere come si possa colmare un intervallo di tempo veramente infinito nella sua estrema piccolezza. Forse l’intervallo di tempo più importante nella storia dell’Universo. Le onde gravitazionali (ma non solo) potrebbero un giorno raccontarcelo nei dettagli. Forse potrebbe già farlo la materia oscura...

Cominciamo, questa volta, non con una domanda, ma con una affermazione: "Il Big Bang accade al momento zero. Al momento 10 -35 secondi si ipotizza l’inflazione che, in parole molto povere, ingigantisce enormemente l’Universo a tal punto da apparire omogeneo e presentare una geometria approssimabile quasi perfettamente a uno spazio euclideo (tranne che in prossimità di grandi masse o energie)".

Fermiamoci subito e solleviamo il primo dubbio. Abbiamo già parlato di Big Bang come un qualcosa che non può avere dimensioni e l’abbiamo chiamato singolarità fisica, ben lontana dalla nostra normale visualizzazione di un punto. Tuttavia, è altrettanto fuorviante dire che il Big Bang è qualcosa che accade, dato che il verbo accadere implica di stabilire un tempo relativo a un’origine, che, nel nostro caso  è proprio l'evento. Attenzione, però, un evento che non può appartenere all'Universo! Cosa sto dicendo? La verità, in fondo.

Ricordate cosa avevamo detto sullo spazio e sull’iperbole (QUI)? Il punto ZERO non fa parte dell’iperbole, è qualcosa di estraneo. Allo stesso modo è il Big Bang e, quindi, assegnare un tempo è un qualcosa che esce dai confini dell'Universo, frutto di una "semplice" convenzione matematica. Allo stesso modo di come noi accettiamo lo zero dell’iperbole benché si sappia che il punto di ascissa zero NON può far parte dell'iperbole. Ne segue che, perdendo l'accoppiamento con un certo tempo, l'evento nel nostro Universo non può accadere.

Se ci atteniamo alla Relatività Generale potremmo cambiare la definizione in qualcosa di apparentemente molto simile: noi viviamo in un Universo che si espande, ragione per cui possiamo fissare una qualsiasi origine per il tempo (coordinata simile a tutte le altre tranne che per il verso obbligatorio), tornare matematicamente indietro nel tempo fino a un tempo in cui esso era estremamente denso e caldo, praticamente con densità infinita. Attraverso grandezze fisiche siamo riusciti a non menzionare "punto", ma quel qualcosa che è una singolarità. Al tempo in cui ci si scontra con la singolarità potremmo tranquillamente associare un utile istante zero, ossia un istante che si associa all’inizio del tempo. In altre parole, qualsiasi cosa sia successa nell’Universo, essa deve essere capitata DOPO questa singolarità.

In parole molto povere, siamo capaci (ancora non del tutto, però) a descrivere qualsiasi evento che non coincida con l’istante chiamato zero, che non fa fisicamente parte dell’Universo, come un evento successivo. Non esistono per "costruzione" accadimenti al tempo zero e, ovviamente, neanche in “tempi” precedenti.

La fisica quantistica attuale è più permissiva, anche se meno ricostruibile. Tutto l'Universo è rappresentabile come un campo quantico i cui limiti non sono stati ancora avvicinati. A lei importa ben poco della gravità e dell’espansione, lei studia la materia nella sua globalità come un un campo quantico. Purtroppo, però, non riesce a descriverci i fenomeni accaduti su tempi inferiori al picosecondo, un mostruoso e gigantesco intervallo di tempo, pari a ben 10-12 secondi.

Non può quindi ancora darci una mano nel descrivere ciò che potrebbe essere avvenuto solo dopo 10-35 secondi  dall’inizio del tempo (l'inflazione), come definito precedentemente. Non parliamo poi del suo limite intrinseco che si stima aggirarsi intorno a 10-44 secondi, ossia il celebre tempo di Planck. Esso rappresenterebbe proprio il minimo intervallo di tempo  misurabile e non si potrebbe, in teoria, dividerlo ancora in parti più piccole (quante somiglianze con il paradosso di Achille e la tartaruga...). A questo livello, poi, subentra il principio di Heisenberg e qualsiasi ipotesi relativa al tempo passato, presente o futuro diventa del tutto ambigua e indistinta. In termini estremamente rozzi: la meccanica quantistica potrebbe benissimo accettare intervalli di tempo  senza preoccuparsi della particolarità di quella strana singolarità, un qualcosa che sarebbe capitata durante il gioco continuo di energia che si crea dal nulla e finisce nel nulla...

Torniamo al nostro picosecondo, un tempo enorme, troppo grande per l’ipotetica e tanto utile inflazione. L’inflazione è fuori dalla nostra “vista” e non è strano che molti scienziati la vedano con molto scetticismo: una pura ipotesi costruita per sanare un problema accaduto in un intervallo di tempo troppo breve per ingigantire così tanto l’Universo appena nato. Qualcosa che potremmo, in fondo, paragonare alla materia oscura… Uno dei suoi “padri” ebbe a dire che il concetto di inflazione pone più problemi di quelli che risolve. Anche Penrose ci credeva poco…

Potremmo perciò assumere che l’inizio fisico del vero Universo, conosciuto e descrivibile, cominci solo un picosecondo dopo la sua origine puramente matematica e "singolare". Ecco, potremmo anche dire che tutto ciò che capita prima di tale tempo rientra nella definizione stessa di Big Bang. Tutto il resto è  pura speculazione. Anzi, come ebbe a dire qualcuno che non ricordo: “La descrizione del Big Bang, nelle sue varie parti temporali, è un qualcosa che ci soddisfa, dato che è molto... orecchiabile”.

E così arriviamo alla seconda ciliegina, quella fresca e appena pubblicata.

Abbiamo appena concluso che cercare di descrivere cosa avvenga all'interno del Big Bang, inteso come il primo picosecondo è ancora fuori portata della meccanica quantistica verificabile direttamente. Ciò non toglie, però, che qualcuno abbia voglia di studiare modelli che, sulla base di quanto si conosce e si teorizza, possano descrivere anche ciò che è più piccolo di un picosecondo. Modelli e simulazioni al computer che, se presentano aspetti verificabili, sono più che accettabili (in fondo anche Einstein ha percorso una strada simile). Come sapete, io ce l'ho con quelle teorie che partono già dicendo: "Tutto funziona, ma, purtroppo, non si potrà mai verificare..."

La ricerca in questione cerca proprio di analizzare con un programma di simulazione ciò che potrebbe essere accaduto proprio nel primo picosecondo. In particolare, ciò che ha seguito l'ipotetica, ma utilissima inflazione. Nella simulazione si arriva alla nascita di proto-particelle, dalla vita molto breve, che concentrano tutta la loro massa in un volume estremamente piccolo. Si è "visto" che queste particelle, del peso di qualche grammo, ma enormemente più piccole delle particelle elementari che conosciamo, sembrerebbero già, fin da allora, rispecchiare la distribuzione delle odierne galassie, enormemente prima delle irregolarità di temperatura riscontrate nel rumore di fondo.

I risultati della simulazione mostrano la crescita di piccolissime strutture, estremamente dense, subito dopo la fase inflazionaria dell'Universo (ancora contenuta nel concetto di Big Bang, descritto precedentemente).Tra l'inizio (in alto a sinistra) e la fine della simulazione (a destra)  l'area mostrata si è espansa di dieci milioni di volte, ma rimane sempre parecchie volte più piccola dell'interno di un protone. Il "grumo" a sinistra in basso, avrebbe una massa di circa 20 kg! Fonte:  Jens Niemeyer, University of Göttingen.

Esse si formerebbero per effetto della pura gravitazione e si trasformerebbero subito nelle particelle del modello standard. Sembrerebbe la solita ricerca teorica affidata a simulazioni al computer, dove mettere di tutto e di più a seconda di ciò che si vuole ottenere… In qualche modo, invece, NO, dato che questa fase brevissima ma fondamentale potrebbe essere confermata dalle osservazioni. La loro creazione, i loro movimenti  e le loro interazioni creerebbero sicuramente un rumore di fondo di onde gravitazionali. Il modello è in grado di quantificare questo rumore di fondo, che potrebbe essere confermato dalla strumentazione di futura, ma non lontanissima, generazione.

La stessa materia oscura potrebbe avere un senso, supponendo, come capita nella simulazione, che molte di queste proto-particelle potrebbero collassare e diventare micro buchi neri che formerebbero proprio la massa invisibile, apparentemente non barionica, mancante.  Non è certo un'idea nuova quella di un insieme enorme di buchi neri di dimensioni piccole e piccolissime, ma la nuova ricerca pone dei paletti quantitativi. In qualche modo, la materia oscura sarebbe già una prova dell’ipotesi descritta dalla simulazione.

Prendiamo il tutto per quello che è… non sono certo in grado di valutarne la reale affidabilità del modello e della relativa simulazione. Se così fosse, tuttavia, avremmo fatto un piccolo passo indietro nello scoprire parte del paradigma “Big Bang”.

Articolo originale QUI

5 commenti

  1. Frank

    Allora la materia oscura esiste davvero, più oscuro di un buco nero.......... Ahahahahah

    Restando seri, non ho capito se questo sistemerebbe anche l'energia oscura o meno?

  2. Paolo

    Considerato che l'ipotesi e la simulazione potrebbero essere verificabili con le onde gravitazionali forse il progetto LISA Pathfinder potrà fornire una risposta e quindi confermare o confutare tale ipotesi. Mi raccomando Enzo se ho detto qualche sciocchezza correggimi.

    Paolo

  3. caro Paolo,

    da quanto ho capito l'intensità del supposto rumore di fondo primigenio è ancora inarrivabile con la strumentazione odierna, anche quella spaziale. Però... non so esattamente il salto che bisognerebbe ancora fare.

    caro Frank,

    beh... mi starebbe anche bene, dato che sarebbe comunque materia barionica. Sull'energia è tutto un altro discorso e lì penso che continui a valere il vuoto-non vuoto quantistico. Chissà com'era a quei tempi...

     

  4. Mauro

    In fisica non sono ammessi gli infiniti, quindi come si può sostenere che la singolarità ha una densità e temperatura infinti?

  5. è proprio quello che cerco di dire da tempo: essendo una singolarità può essere infinito o finito o nullo, in ogni modo per adesso non può far parte dell'Universo.

    cito: "Big Bang come un qualcosa che non può avere dimensioni e l’abbiamo chiamato singolarità fisica".

    e poi, ancora: ... tornare matematicamente indietro nel tempo fino a un tempo in cui esso era estremamente denso e caldo, praticamente con densità infinita".

    Nota la parola "matematicamente"... :-o

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