Problemi all'orizzonte

Il mio amico Eduardo fu il povero malcapitato scelto per il terzo party cosmologico. Malcapitato, poiché Edo viveva da solo in una casa piccola, per cui non persi l'occasione per cercare di sottrarmi alla nuova convocazione e far notare che non era il caso... Purtroppo, fu lui a non sottrarsi affatto. 'Non vedo alcun problema all'orizzonte', disse, e così il venerdì successivo ci ritrovammo di nuovo tutti a casa di Eduardo. Dovetti però subito far notare che, in realtà, un problema all'orizzonte c'era – eccome! –, ed era pure molto importante. Ma nessuno capì che la mia battuta si riferiva all'orizzonte cosmologico

Immaginate – dissi – che, fin dai tempi più remoti, ci sia un certo numero di uomini su un'isola, e altri uomini su un'altra isola, e che le due isole si allontanino tra di loro ad una velocità maggiore della velocità con cui gli uomini di un'isola possano raggiungere con i propri mezzi l'altra isola. Non vi è, quindi, alcun modo per comunicare tra di loro. Sarebbe allora molto strano se su entrambe le isole si parlasse la stessa lingua, e gli uomini avessero gli stessi usi e costumi, non vi pare? Ebbene, nell'Universo sembra proprio che accada qualcosa del genere..

Dalla teoria della relatività di Einstein sappiamo bene che in Natura nessuna informazione può viaggiare a velocità superiore alla velocità della luce. Ciò vuol dire, per esempio, che se osserviamo una stella distante 4.2 anni luce da noi, in realtà stiamo osservando la stella come era 4.2 anni fa – e non come è adesso – poiché la luce emessa dalla stella impiega 4.2 anni per raggiungere la Terra. Analogamente, l'osservazione di un'ammasso di galassie lontano 10 miliardi di anni luce ci sta fornendo informazioni su di esso relative a 10 miliardi di anni fa.

Ora, supponete di osservare in cielo due siffatti ammassi di galassie, uno – per esempio – in direzione est e uno in direzione ovest: entrambi ci inviano (sotto forma di luce o di altra radiazione) informazioni che impiegano 10 miliardi di anni a raggiungerci. Per “comunicare” tra di loro, invece, occorrerebbero 20 miliardi di anni luce, trovandosi in direzioni opposte in cielo, ma poiché il nostro Universo ha un'età di soli circa 14 miliardi di anni, nessuna informazione può essere stata ancora scambiata tra di loro. La cosa, naturalmente, non riguarda solo queste due porzioni di cielo ma, come potete immaginare, ci sono tante regioni dell'Universo che non sono in contatto tra di loro: tecnicamente, si dice che tali regioni non sono causalmente connesse, un modo complicato per dire che ciò che avviene in una di esse non dipende da quello che avviene nell'altra – non c'è un rapporto di causa-effetto – poiché non si possono scambiare nessuna informazione.

n pratica, ciò è analogo a quanto accade qui sulla Terra: se guardiamo in lontananza, possiamo osservare solo eventi che avvengono entro il nostro orizzonte, e solo questi possono avere un qualche effetto su ciò che facciamo; ciò che avviene al di là del nostro orizzonte, non possiamo osservarlo, e quindi non ha un rapporto di causa-effetto con noi. Nell'Universo, però, c'è una particolarità in più, poiché esso si espande, e quindi la distanza tra i due ammassi di galassie di sopra aumenta sempre più: tra di loro non c'è e non ci può essere alcun scambio di informazioni, ovvero l'uno non saprà mai dell'esistenza dell'altro. Il problema dell'orizzonte, tuttavia, non riguarda il futuro, ma piuttosto il passato, ossia il fatto che le regioni non causalmente connesse non si siano mai scambiate informazioni fino ad oggi. Se ciò è vero, come è allora possibile che esse presentano le stesse caratteristiche fisiche, in modo tale che il nostro Universo è osservato essere omogeneo ed isotropo con grande precisione?

Più precisamente, ad esempio, la temperatura media è quasi esattamente la stessa in tutte le regioni dell'Universo. Oggi osserviamo delle piccolissime disomogeneità – quelle “strutture” presenti nella mappa cosmica di cui abbiamo discusso nell'articolo qui  – che, tradotte in valori di temperatura, significano piccolissime fluttuazioni nella temperatura media, tra regione e regione distante nell'Universo, di circa una parte su 10000. Esse devono essere la manifestazione attuale di piccole differenze di temperatura esistenti in regioni diverse al tempo del Big Bang o giù di lì. Tali regioni, però, non erano (e non sono) causalmente connesse, per cui non possono essersi scambiate energia per “livellare” la temperatura, per cui dovrebbero trovarsi regioni distanti tra loro con diverse temperature medie. E allora, come è possibile che l'Universo abbia ora raggiunto una temperatura media comune a tutte le sue regioni?

Come avrete capito, il problema nasce dal fatto che la velocità della luce fornisce un limite massimo alla velocità con cui si può scambiare qualsiasi tipo di informazione, ma qui il problema principale risiede nell'espansione dell'Universo (e, in particolare, nella velocità con cui si espande), poiché se ciò non avvenisse, potremmo sempre supporre che c'è stato sufficiente tempo per mettere in comunicazione regioni distanti dell'Universo (più di 20 miliardi di anni nell'esempio sopra), che così hanno potuto scambiarsi energia e, quindi, raggiungere una temperatura media comune.

La risposta a questo mistero venne circa un trentina di anni fa (e confermata sperimentalmente negli ultimi dieci anni). Qualche “attimo” dopo il Big Bang, l'Universo ha subito una espansione esponenziale rapidissima, che in circa (e solo!) 10^-32 secondi lo ha fatto crescere di un fattore enorme. Tale fase inusuale di espansione molto rapida fu chiamata inflazione, in riferimento all'inflazione economica che colpì il mondo occidentale intorno il 1980, quando appunto fu proposta la teoria cosmologica inflazionaria. Essendo essa avvenuta molto presto, prossima al Big Bang, prima dell'inflazione l'Universo era ancora talmente piccolo che tutte le sue parti erano causalmente connesse, e non c'era stato ancora tempo sufficiente per creare delle disomogeneità nella temperatura delle sue varie parti. La successiva espansione rapidissima, poi, “congelò” tale situazione, portando molto lontano tra di loro due qualsiasi parti dell'Universo, che quindi non furono più in grado di scambiarsi energia per cambiare la temperatura comune che già avevano prima dell'inflazione. Durante la brevissima fase inflazionaria, però, delle fluttuazioni in temperatura possono ben essersi create tra una regione ed un'altra e, anche se la loro entità deve necessariamente essere stata piccola (data la brevità della fase), la rapidissima espansione deve averle fatte “ingrandire” fino a farle raggiungere delle dimensioni “cosmiche”. È proprio questa l'origine di quelle “strutture” che si osservano nella mappa cosmica del nostro Universo, di cui abbiamo parlato nell'articolo qui.

Il cerchio, dunque, si chiude. Un secondo problema serio della teoria del Big Bang, però, salta fuori a questo punto, ma, piuttosto che interessare proprietà fisiche come la temperatura (ovvero l'omogeneità e l'isotropia), riguarda la geometria del nostro Universo. Tuttavia, un problema ancora più serio saltò fuori per me a questo punto del party: i miei occhi non ce la facevano più a rimanere aperti, e il sonno reclamava i suoi diritti. Se ne riparlerà la prossima volta. Evidentemente, anche qui c'erano problemi di incomunicabilità...

S. Esposito, fisico