L'applicazione della teoria quantistica a loop ai primi istanti dell’universo sembra superare le difficoltà del modello inflazionario secondo cui il cosmo si sarebbe espanso di diversi ordini di grandezza in brevissimo tempo, trovando una “firma caratteristica” della gravità quantistica che potrebbe essere rilevata con osservazioni cosmologiche (red)
Quali condizioni erano presenti prima dell’inflazione cosmica e in che modo possono influenzare le previsioni del modello inflazionario? L'interrogativo è ancora senza risposta, ma una nuova ipotesi avanzata da Ivan Agullo e colleghi della Pennsylvania State University a University Park pubblicata sulle “Physical Review Letters” sembra ora porre rimedio.
Il modello inflazionario fu proposto negli anni ottanta da Guth, Linde, Albrecht e Steinhardt e si basa sul postulato che in una fase primordiale della sua evoluzione l’universo si sia improvvisamente “gonfiato” - in modo incredibilmente veloce e in un brevissimo periodo di tempo - addirittura di un fattore 10 alla 78. L’ipotesi rende conto di due circostanze problematiche nella teoria cosmologica del big bang: il fatto che il nostro universo sia approssimativamente piatto, cioè possa essere descritto da una geometria euclidea, e il fatto che appaia omogeneo anche alle distanze più remote, con regioni che mosttano caratteristiche simili anche se non sono mai entrate in contatto tra loro.
In questo contesto, è fondamentale l’idea che le strutture che osserviamo oggi nell’universo, come le galassie e gli ammassi di galassie, siano l’esito di un “ingrandimento”, dovuto all’inflazione, di disomogeneità, a sua volta frutto di fluttuazioni quantistiche del vuoto presenti inizialmente in una regione microscopica.
In passato sono stati sviluppati diversi modelli inflazionari, che hanno riscosso un notevole successo nel descrivere i processi osservabili su larga scala, coerentemente con i modelli dell’evoluzione dell’universo. Rimangono però irrisolte questioni come il cosiddetto “problema della singolarità”, messo in luce da un celebre lavoro di Arvind Borde, Alan H. Guth e
Alexander Vilenkin del 2003, in cui si dimostrava che una conseguenza diretta della teoria dell’inflazione è che andando a ritroso nel tempo l’universo si sarebbe ridotto a quella che in fisica e matematica è detta appunto singolarità,cioè un punto in cui densità di energia,curvatura dello spazio-tempo e temperatura raggiungono valori infiniti.
Un’altra difficoltà apparentemente insormontabile è il problema “trans-planckiano”, legato cioè al limite della scala di Planck. Secondo le teorie inflazionarie, infatti, il cosmo che osserviamo attualmente si sarebbe sviluppato da strutture di dimensioni inferiori alla lunghezza di Planck, pari a 10 alla -35 metri. A queste scale però si ipotizza che le leggi della relatività generale che descrivono lo spazio-tempo e la gravità non siano più valide.
In queste condizioni estreme, il mondo fisico non è più quello conosciuto e occorre pensare quindi a una nuova teoria, la gravità quantistica, che possa descrivere lo spazio-tempo nella sua microstruttura, come fa la meccanica quantistica con la materia. Uno dei tentativi più promettenti in questo senso è la gravità quantistica a loop (LQG), che recentemente è stata applicata in campo cosmologico. Il maggior pregio di questa teoria è che non prevede un universo che emerge da una singolarità: il big bang è sostituito da un “grande rimbalzo” (big bounce), una fase di espansione che segue una precedente fase di contrazione.
In quest’ultimo lavoro, Agullo e colleghi applicano questo contesto teorico per descrivere la fase pre-inflazionaria. Un punto centrale è che le fluttuazioni quantistiche all’origine delle disomogeneità dell’universo si sono verificate in una geometria dello spazio-tempo quantizzata in una fase prossima al rimbalzo, in un volume di Planck (ovvero, in un cubo con lato pari alla lunghezza di Planck). Le stesse fluttuazioni, però, non influenzano la struttura geometrica quantistica e questo risulta vero per un’ampia classe di possibili condizioni iniziali. Le fluttuazioni del vuoto considerate sono quindi sostanzialmente le stesse della teoria inflazionaria classica.
Per un piccolo insieme di condizioni iniziali, invece, lo stato del vuoto previsto dalla LQG differisce leggermente da quelle dell’inflazione. Proprio questo aspetto potrebbe rappresentare una “firma caratteristica” della gravità quantistica che potrebbe essere verificata sperimentalmente con le osservazioni cosmologiche.
http://www.lescienze.it/news/2012/12/29/news/universo_primordiale_inflazione_teoria_quantistica-1440868/
