È la domanda fondamentale della cosmologia: Come ha avuto inizio l’universo?
La domanda presuppone che l’universo abbia avuto un punto di partenza effettivo, ma si potrebbe anche assumere che l’universo sia sempre stato e sempre sarà. In questo caso, non ci sarebbe alcun inizio – solo una storia in continua evoluzione di cui stiamo catturando un mero scorcio.
“Abbiamo ottime prove che c’è stato un Big Bang, quindi l’universo come lo conosciamo è quasi certamente iniziato circa 14 miliardi di anni fa. Ma è stato l’inizio assoluto o c’è stato qualcosa prima?” si chiede Alexander Vilenkin, un cosmologo della Tufts University vicino a Boston. Sembra il tipo di domanda che non potrà mai avere una vera risposta perché ogni volta che qualcuno propone una soluzione, qualcun altro può continuare a porre la fastidiosa domanda: Cosa è successo prima?
Ma ora Vilenkin dice di avere in mano prove convincenti: L’universo ha avuto un inizio distinto – anche se non può individuare il momento. Dopo 35 anni di ricerche a ritroso, dice, ha scoperto che prima del nostro universo non c’era niente, proprio niente, nemmeno il tempo stesso.
Nel corso della sua carriera, compresi gli oltre 20 anni in cui ha diretto il Tufts Institute of Cosmology, Vilenkin ha pubblicato una serie di idee folli e folgoranti, anche se dall’esterno non sembra né folle né folgorante. Il professore sessantaquattrenne ha la voce bassa, è snello e di corporatura modesta. Si veste in modo ordinato, con toni neutri e sobri che non attirano l’attenzione su di lui.
Nonostante il suo modo di fare tranquillo, al limite del sommesso, Vilenkin è una forza creativa che ha continuamente trovato il modo di penetrare la nebbia che circonda alcuni dei più densi dilemmi immaginabili – trionfi che gli hanno fatto guadagnare il rispetto degli studiosi di tutto il mondo. “Alex è un pensatore molto originale e profondo che ha dato importanti e profondi contributi alle nostre nozioni sulla creazione dell’universo”, dice il cosmologo di Stanford Andrei Linde.
Eppure questa brillante carriera potrebbe non essere mai avvenuta. Nato in Unione Sovietica nel 1949 e cresciuto nella città ucraina di Kharkiv, Vilenkin si è appassionato alla cosmologia al liceo, dopo aver letto del Big Bang in un libro di Sir Arthur Eddington. Questa “ossessione” per le origini dell’universo, dice Vilenkin, “non mi ha mai lasciato. Ho sentito che se puoi lavorare su questa domanda, che potrebbe essere la più intrigante di tutte, perché dovresti scegliere di lavorare su qualsiasi altra cosa?”
Quando era studente all’Università Nazionale di Kharkiv, Vilenkin dice che gli fu consigliato di “fare della fisica vera” piuttosto che perseguire il suo primo amore, la cosmologia. Anche se era uno studente eccellente, non poté entrare in nessun programma di laurea in fisica perché, sospetta, il KGB lo mise sulla lista nera per essersi rifiutato di diventare un informatore del governo. Invece, Vilenkin fu costretto ad accettare una serie di lavori banali. Per un po’ ha insegnato alla scuola serale per adulti, ma ha lasciato quell’incarico perché le sue responsabilità includevano l’andare a casa degli assenti, molti dei quali erano alcolizzati, per cercare di trascinarli a scuola – un compito poco invidiabile.
Ha fatto il guardiano notturno per circa un anno e mezzo, compreso un periodo allo zoo di Kharkiv. Per proteggere gli animali (che a volte venivano cacciati per mangiare), gli fu dato un fucile che non sapeva usare e fortunatamente non ha mai dovuto sparare. Quando aveva tempo durante quelle lunghe notti, Vilenkin studiava fisica, un’avocazione che comprendeva la lettura della raccolta in quattro volumi delle opere di Albert Einstein. Venne licenziato da questo incarico importante quando qualcuno decise – forse basandosi sulla sua scelta del materiale di lettura – che era troppo qualificato per il compito da svolgere.
Con le sue prospettive di lavoro che apparivano tristi, decise di emigrare negli Stati Uniti; pensò di iniziare lavando i piatti mentre cercava di entrare nel mondo accademico. Ma uscire dall’Unione Sovietica richiedeva un piano elaborato: Gli ebrei come lui erano autorizzati ad andare in Israele in piccolo numero, determinato da una quota, ma bisognava prima assicurarsi un invito da parte di parenti israeliani. Vilenkin non aveva parenti laggiù, così contattò un amico che conosceva persone in Israele e alla fine trovò qualcuno – un estraneo per lui – abbastanza gentile da scrivere una lettera a suo nome.
Dopo l’arrivo della lettera, ha aspettato un anno per un visto, ma questo ha avuto un costo elevato. Prima che Vilenkin e sua moglie potessero partire, i loro genitori dovevano acconsentire al trasferimento. Per aver dato il loro permesso, i genitori di sua moglie hanno perso il loro lavoro in laboratorio. Suo padre, un professore universitario, perse più tardi anche il suo lavoro. La tappa tradizionale nel viaggio verso Israele era Vienna, ma da lì Vilenkin, sua moglie e sua figlia di un anno andarono invece a Roma, arrivando nel 1976. Si incontrarono con il consolato americano a Roma e, dopo un’attesa di tre mesi, ottennero finalmente un visto per gli Stati Uniti.
Di nuovo al Big Bang
Nell’autunno del 1977, Vilenkin accettò una posizione di post-dottorato alla Case Western Reserve, dove avrebbe dovuto studiare le proprietà elettriche dei metalli riscaldati. Tuttavia, trovò il tempo per teorizzare sui buchi neri rotanti e i loro misteriosi campi magnetici. Un anno dopo, ha avuto il suo colpo di fortuna quando Tufts gli ha offerto una posizione di visita di un anno. Ha fatto una scommessa dedicandosi alla cosmologia, un’area considerata marginale all’epoca.
Questo sarebbe presto cambiato. Alla fine del 1979, un postdoc di fisica di Stanford chiamato Alan Guth ha offerto una spiegazione per la forza esplosiva dietro il Big Bang. Il salto intellettuale di Guth derivava dalle teorie della fisica delle particelle, che sostenevano che ad energie estremamente elevate – molto più alte di quelle che si potrebbero raggiungere in laboratorio – uno stato speciale della materia avrebbe capovolto la gravità, rendendola una forza repulsiva invece che attrattiva.
Un pezzo di spazio contenente una piccola parte di questa materia insolita potrebbe respingersi così violentemente da esplodere letteralmente. Guth ha suggerito che un’esplosione tremenda di questo tipo abbia innescato il Big Bang, ingrandendo rapidamente l’universo così tanto da raddoppiare le sue dimensioni almeno 100 volte. Questa crescita esponenziale – chiamata inflazione cosmica – fu di breve durata, tuttavia, durò solo una piccola frazione di secondo perché il materiale repulsivo decadde rapidamente, lasciando dietro di sé le forme più familiari di materia ed energia che riempiono l’universo oggi.
L’idea risolveva contemporaneamente una serie di puzzle nella cosmologia. Spiegava da dove veniva il “botto” dietro il Big Bang e come il cosmo fosse diventato così grande. La rapida inflazione in ogni direzione spiegava anche perché l’universo che ora osserviamo è così omogeneo, e perché la temperatura della radiazione di fondo lasciata da quell’esplosione primordiale è uniforme, in ogni zona del cielo, a una parte su 100.000. L’inflazione ha anche rivitalizzato la cosmologia, dando ai teorici come Vilenkin molto a cui pensare – e un po’ più di rispettabilità per cominciare.
La storia infinita
Nel 1982, un paio d’anni dopo la scoperta di Guth, Vilenkin aveva una sua realizzazione: Il processo di inflazione doveva essere eterno, nel senso che una volta iniziato, non si fermava mai del tutto. L’inflazione potrebbe finire bruscamente in una regione dello spazio, come quella in cui viviamo, ma continuerebbe altrove, innescando una serie infinita di big bang. Ogni botto corrisponderebbe alla nascita di una “tasca” separata dell’universo, che potrebbe essere immaginata come una bolla in espansione – una delle innumerevoli bolle che galleggiano all’interno del “multiverso”, come viene talvolta chiamato.
Come vedeva Vilenkin, la natura eterna dell’inflazione derivava da due proprietà concorrenti del carburante cosmico, il materiale gravitazionale-repulsivo che ha causato la rapida espansione dell’universo. Da un lato, il materiale era instabile, come le sostanze radioattive, ed era quindi destinato a decadere. D’altra parte, il materiale si espandeva molto più velocemente di quanto si decadesse, quindi anche se il decadimento poteva fermare l’inflazione in certe regioni, la crescita incontrollata sarebbe continuata in altre.
Come analogia, Vilenkin suggerisce un blob di batteri che vuole continuare a riprodursi e crescere, mentre gli anticorpi che uccidono i batteri cercano di limitare la crescita. Se i batteri si riproducono molto più velocemente di quanto vengono distrutti, si moltiplicheranno rapidamente e si diffonderanno anche se la loro riproduzione può essere contrastata in alcuni ambienti. In entrambi i casi, il risultato netto è che l’inflazione (o la crescita batterica) non finisce mai ovunque contemporaneamente ed è sempre in corso in qualche porzione del multiverso – anche mentre leggete questa rivista.
Per avere un senso migliore del fenomeno, Vilenkin ha collaborato nel 1986 con uno studente laureato di Tufts, Mukunda Aryal, su una simulazione al computer che ha mostrato come potrebbe essere un universo eternamente in espansione. Nella loro simulazione, le regioni che si gonfiavano, o bolle, iniziavano piccole e crescevano costantemente, mentre lo spazio tra le bolle si estendeva. Ogni bolla – che rappresenta un mini-universo come il nostro – era circondata da bolle più piccole, a loro volta circondate da universi bolla ancora più piccoli.
Road to Eternity
Nell’universo bolla di Vilenkin, l’inflazione era, per definizione, eterna nel futuro. Una volta iniziata, non si sarebbe fermata. Ma era anche eterna nel passato? C’è mai stato un tempo in cui l’universo non si stava gonfiando? E se l’universo si stesse sempre gonfiando e sempre espandendo, ciò implicherebbe che l’universo stesso fosse eterno e non avesse un inizio?
Per affrontare questa domanda, Vilenkin unì le forze con Guth e il matematico Arvind Borde della Long Island University. Usando una prova matematica, sostennero che qualsiasi universo in espansione come il nostro doveva avere un inizio. L’esperimento mentale che posero era questo: Immaginate un universo pieno di particelle. Mentre si espande costantemente, la distanza tra le particelle cresce. Ne consegue che gli osservatori sparsi in questo universo in espansione si allontanerebbero l’uno dall’altro fino a quando, alla fine, occuperebbero regioni di spazio molto distanti tra loro. Se tu fossi uno di questi osservatori, più un oggetto è lontano da te, più velocemente si allontanerebbe.
Ora mettiamo in mezzo un viaggiatore spaziale che si muove nello spazio ad una velocità fissa: sfreccia davanti alla Terra a 100.000 chilometri al secondo. Ma quando raggiunge la galassia successiva, che si sta allontanando da noi, diciamo, a 20.000 chilometri al secondo, lui sembrerà muoversi solo a 80.000 chilometri al secondo agli osservatori di quella galassia. Man mano che continua il suo viaggio verso l’esterno, la velocità del viaggiatore spaziale apparirà sempre più piccola agli osservatori che incrocia. Ora faremo scorrere il filmato all’indietro. Questa volta, la velocità del viaggiatore spaziale apparirà sempre più veloce ad ogni galassia successiva.
Se assumiamo che l’inflazione sia eterna nel passato – che non abbia avuto un inizio – il viaggiatore spaziale alla fine raggiungerà e supererà la velocità della luce. Un calcolo di Borde, Guth e Vilenkin ha mostrato che questo accadrebbe in un tempo finito. Ma secondo le leggi della relatività, è impossibile per qualsiasi oggetto massiccio raggiungere la velocità della luce, figuriamoci superarla. “Questo non può accadere”, dice Vilenkin. “Quindi, quando si segue la storia di questo viaggiatore spaziale a ritroso nel tempo, si scopre che la sua storia deve finire”.
Il fatto che il viaggio a ritroso nel tempo del viaggiatore si scontra con un’impasse significa che c’è un problema, da un punto di vista logico, con il presupposto di un universo in continua espansione su cui si basa l’intero scenario. L’universo, in altre parole, non può essere sempre stato in espansione. La sua espansione deve aver avuto un inizio, e anche l’inflazione – una forma particolarmente esplosiva di espansione cosmica – deve aver avuto un inizio. Secondo questa logica, anche il nostro universo ha avuto un inizio, poiché è stato generato da un processo inflazionario che è eterno nel futuro ma non nel passato.
Qualcosa dal nulla
Un universo con un inizio pone una domanda fastidiosa: Come è cominciato? La risposta di Vilenkin non è affatto confermata, e forse non lo sarà mai, ma è comunque la migliore soluzione che ha sentito finora: Forse il nostro fantastico, glorioso universo è sorto spontaneamente dal nulla. Questa affermazione eretica si scontra con il senso comune, che certo ci viene meno quando si parla della nascita dell’universo, un evento che si pensa avvenga a energie insondabili. È anche in contrasto con il filosofo romano Lucrezio, che più di 2.000 anni fa sosteneva che “nulla può essere creato dal nulla”.
Ovviamente, Lucrezio non aveva mai sentito parlare della meccanica quantistica e della cosmologia inflazionistica, campi del XX secolo che contestano la sua audace affermazione. “Di solito diciamo che nulla può essere creato dal nulla perché pensiamo che violerebbe la legge di conservazione dell’energia”, un principio sacro in fisica che sostiene che l’energia non può essere né creata né distrutta, spiega Vilenkin. Quindi come si potrebbe creare un universo con della materia, dove prima non c’era nulla?
“Il modo in cui l’universo aggira questo problema è che l’energia gravitazionale è negativa”, dice Vilenkin. Questa è una conseguenza del fatto, matematicamente provato, che l’energia di un universo chiuso è zero: L’energia della materia è positiva, l’energia della gravitazione è negativa, e si sommano sempre a zero. “Pertanto, la creazione di un universo chiuso dal nulla non viola alcuna legge di conservazione”.
I calcoli di Vilenkin mostrano che un universo creato dal nulla sarà probabilmente minuscolo, davvero – molto, molto più piccolo di, diciamo, un protone. Se questo minuscolo regno dovesse contenere solo un’infarinatura di materiale a gravità repulsiva, questo è sufficiente a garantire che si inneschi l’inarrestabile processo di inflazione eterna, portando all’universo che abitiamo oggi. Se la teoria regge, dobbiamo la nostra esistenza alla più umile delle origini: il nulla stesso.
Una virtù di questa immagine, se corretta, è che la creazione spontanea del nostro universo dà un preciso punto di partenza alle cose. Il tempo inizia al momento della creazione, mettendo a tacere le domande potenzialmente infinite su “cosa è successo prima”.
Ma la spiegazione lascia ancora un enorme mistero irrisolto. Anche se un universo, nello schema di Vilenkin, può nascere dal nulla, nel senso che non ci sono spazio, tempo o materia, qualcosa c’è già prima, cioè le leggi della fisica. Queste leggi governano il momento della creazione di qualcosa dal nulla che dà origine al nostro universo, e governano anche l’inflazione eterna, che subentra nel primo nanosecondo di tempo.
Questo solleva alcune domande scomode: Dove risiedevano le leggi della fisica prima che ci fosse un universo a cui applicarle? Esistono indipendentemente dallo spazio o dal tempo? “È un grande mistero da dove vengono le leggi della fisica. Non sappiamo nemmeno come affrontarlo”, ammette Vilenkin. “Ma prima che arrivasse l’inflazione, non sapevamo nemmeno come avvicinarci alle domande che l’inflazione ha poi risolto. Quindi chissà, forse supereremo anche questa barriera.”
Nel film Magnum Force di Clint Eastwood, Harry Callahan dice: “Un uomo deve conoscere i suoi limiti”, ma il lavoro di Vilenkin è un testamento per superare i limiti tradizionali. Se perseveriamo di fronte allo scetticismo e al dubbio, come Vilenkin è spesso incline a fare, potrebbero emergere idee interessanti e inaspettate – proprio come un universo che spunta dal nulla.
Eliminare le scappatoie
Per rafforzare la sua ipotesi, Vilenkin ha studiato altri modelli di universo, eliminando le scappatoie che contraddicono l’idea di un chiaro debutto cosmico. In un documento del 2012 con la studentessa laureata di Tufts Audrey Mithani, Vilenkin ha esaminato l’universo “ciclico” studiato dai fisici Paul Steinhardt della Princeton University e Neil Turok, ora al Perimeter Institute.
In questo modello, non c’è né un singolo Big Bang né un singolo inizio. Invece, l’universo passa continuamente attraverso cicli oscillanti di espansione, contrazione, collasso e nuova espansione. Il problema è che l’universo ciclico si scontra con la seconda legge della termodinamica, che dice che l’entropia, o disordine, di un sistema chiuso aumenterà inevitabilmente nel tempo.
Per esempio, un palazzo ornato di mattoni è altamente ordinato, mentre un mucchio di mattoni sparsi sul terreno – il risultato delle devastazioni della natura e di decenni o secoli di abbandono – è più disordinato. E la polvere di mattoni, sparsa dal vento e dall’acqua dopo che i mattoni stessi si sono deteriorati, è ancora più disordinata. Lasciato a se stesso, un sistema – anche un universo a bolle – andrà naturalmente in questa direzione. Non vediamo spesso un palazzo di mattoni riassemblarsi spontaneamente dalla polvere dispersa.
Se il nostro universo fosse stato qui da sempre e avesse mantenuto una dimensione stabile, anch’esso avrebbe ceduto alla seconda legge. Il disordine sarebbe inesorabilmente aumentato al punto che l’universo sarebbe ora una macchia levigata e senza caratteristiche. Ma questo non è affatto quello che vediamo. Invece, vediamo un universo pieno di grandi strutture cosmiche – galassie, ammassi di galassie, ammassi di ammassi chiamati superammassi, e ammassi di superammassi chiamati filamenti di galassie – alcuni di questi ultimi si estendono per un miliardo o più di anni luce.
Per questa ragione, Vilenkin esclude l’immagine dell’universo ciclico, a meno che non si faccia l’ipotesi aggiuntiva che dopo ogni ciclo di espansione e contrazione, l’universo finisca un po’ più grande di quando è iniziato. La stipulazione ci lascerebbe con un altro universo in espansione, il che significa che il teorema originale Borde-Guth-Vilenkin sarebbe ancora valido: Un universo in continua espansione deve avere un singolo inizio.
Fuga #2
Un’altra possibile scappatoia è lo scenario dell'”uovo cosmico”, un modello di universo avanzato dal cosmologo sudafricano George Ellis, tra gli altri. Secondo questo punto di vista, l’universo può rimanere per sempre in una configurazione stabile, con una dimensione e un raggio fissi, finché non inizia improvvisamente a espandersi – come un uovo che si schiude dopo una fase di incubazione eccezionalmente lunga.
Il problema con questa proposta, secondo Vilenkin e Mithani, è che il piccolo universo “stabile” non è poi così stabile. A un certo punto, durante la lunga fase di attesa, collasserebbe nel nulla, prima di raggiungere il periodo espansivo – cioè, se si deve credere alle leggi della meccanica quantistica.
La meccanica quantistica, la branca prevalente della fisica per descrivere come funzionano le cose su scala atomica, è squisitamente ben testata, e squisitamente strana. La meccanica quantistica sostiene che se c’è anche la più piccola possibilità che qualcosa accada, per quanto assurdo possa sembrare, quella cosa è sicura di accadere se si aspetta abbastanza a lungo.
Come si è scoperto, le formule della meccanica quantistica prevedono un’esile (ma non nulla) possibilità che l’universo dell’uovo cosmico collassi a dimensioni zero, e a quel punto l’ex universo scomparirebbe completamente. Dato un lasso di tempo infinito, che è quello che lo scenario dell’uovo cosmico richiede, un tale collasso sarebbe inevitabile – anche se le probabilità che si verifichi in qualsiasi momento sono piccole – implicando che l’universo non avrebbe potuto esistere per sempre.
Infatti, dice Vilenkin, tra tutte le idee che abbiamo pensato finora per un universo senza un inizio, nessuna sembra funzionare. “Quindi la risposta alla domanda se l’universo abbia avuto un inizio è sì, probabilmente l’ha avuto.”
Questo articolo è originariamente apparso sulla stampa come “Starting Point.”