Quel respiro cosmico dell'Universo che si espande e (forse) ri-collassa

Forse non ci avremmo messo la mano sul fuoco, ma la speranza - si sa - è l’ultima a morire. I fatti ci hanno confermato che Spazio Curvo ha attirato l'interesse di voi lettori e attivato il desiderio di conoscere qualcosa in più sull'affascinante mondo della fisica. Ci avete scritto, in tanti, chiedendo spiegazioni, approfondimenti, curiosità. Legittimo: l'origine del nostro Universo non è tema che possa essere sviscerato interamente in un unico articolo, e non ne avevamo la pretesa. Per questo abbiamo pensato fosse utile rispondere, dove possibile, ad alcune delle vostre domande sull'argomento.

Perché l’Universo dovrebbe ri-collassare?

La teoria del Big Bounce è, al momento, una delle alternative più affascinanti per spiegare la vita del cosmo. Piccolo riassunto: se tornassimo a 15 miliardi di anni fa, vedremmo l'Universo contrarsi per un miliardo di anni, rimbalzare e ri-espandersi nell'Universo che viviamo oggi. Questa è l’essenza del Big Bounce e il messaggio principale del nostro articolo (potete leggerlo qui). Nello scrivere il pezzo, ci eravamo poi spinti oltre, immaginando, come speculato da alcuni ricercatori, che a un certo punto l'Universo in espansione smetta di crescere e inizi a contrarsi, fino a rimbalzare ancora e ricominciare, in un eterno ciclo di espansioni, contrazioni e rimbalzi. Una sorta di affascinante “respiro cosmico o battito cosmico”, come avete scritto. Qualcuno di voi però si è chiesto: ma se Hubble scoprì che l'Universo va espandendosi, non dovrebbe ragionevolmente continuare a farlo all'infinito per poi "morire"? Perché invece dovrebbe ri-contrarsi e poi rimbalzare?

Si tratta di una giusta osservazione. In effetti, per quanto ne sappiamo oggi, l'ipotesi che l’espansione rallenti fino a invertirsi e che l'Universo si ri-contragga è solo una delle possibilità. Non l’unica. Ovviamente è possibile che esso cresca all'infinito, oppure che arrivi ad una fase stazionaria nella quale non si espanderà più. Nulla è da escludere, per ora.

Ma la teoria del Big Bounce è completa?

Vi avevamo spiegato che la teoria normalmente studiata a scuola, quella del Big Bang (grande esplosione), è in realtà "incompleta". La sua incompletezza deriva dalla incompletezza della teoria della relatività generale quando viene usata per descrivere enormi masse compresse in piccolissimi volumi, come accadde per l’Universo 14 miliardi di anni fa. Per questo i ricercatori stanno sviluppando teorie più complete che incorporino effetti quantistici, che ci aspettiamo essere importanti in tali regimi estremi. Le teorie della gravità quantistica predicono che il Big Bang sia rimpiazzato dal Big Bounce.

Ora, giustamente qualcuno di voi si è chiesto: ma chi ci assicura che la teoria del Big Bounce sia "completa"? Risposta semplice: nessuno. Il Big Bounce non è la risposta finale ad un problema complesso come l'origine dell’Universo. Ma è proprio questo il bello della scienza. Ogni scoperta apre nuove domande e nuovi orizzonti, spingendo lo studioso a non soddisfare mai la sete di conoscenza. Più nello specifico, tutte le teorie della gravità quantistica sono ancora in fase di sviluppo, e nessuna di esse è ad oggi perfettamente coerente dal punto di vista matematico. Tuttavia ci sono dei risultati comuni a (quasi) tutte queste teorie: uno di questi è la rimozione delle singolarità, e quindi il superamento del Big Bang in favore del Big Bounce.

Come possiamo usare teorie incomplete?

Il legittimo dubbio che può sorgere, e che in effetti qualcuno di voi ha sollevato, è che la scienza possa apparire come "un cimitero di teorie sbagliate". Se il Big Bang è "incompleto", se le teorie della gravità quantistica non sono ancora coerenti dal punto di vista matematico e se non v'è certezza neppure sul Big Bounce, come ci si può fidare? Ad esempio: come facciamo ad "utilizzare" la relatività generale ogni volta che usiamo il GPS, se si tratta di una teoria incompleta? Sembra assurdo, certo. In realtà, come anche accennato sopra, ogni teoria fisica, come quella della relatività generale, ha dei regimi di applicabilità e uno spettro di domande alle quali può rispondere. In questo senso ogni teoria è incompleta. Ma se in alcuni regimi, come quelli vicini alla singolarità, presenta delle incongruenze, questo non inficia la sua piena validità in regimi lontano dalle singolarità. In questi sistemi la relatività generale funziona perfettamente, superando tantissime evidenze sperimentali. Ed è in questi regimi che viene usata nei calcoli per la geolocalizzazione, quindi il GPS.

La scelta dello strumento da usare, in questo caso la teoria, dipende quindi dalla domanda alla quale vogliamo rispondere. Se volessi dipingere una miniatura mi servirebbero pennelli piccoli e precisi. Per imbiancare una parete, invece, va bene usare un rullo da imbianchino. Certo, se avessi molto tempo da perdere potrei lanciarmi nell'impresa di imbiancare casa con un pennello molto piccolo, ma sarebbe ostico e non otterrei risultati migliori. Viceversa, invece, se tentassi di creare la miniatura col rullo otterrei un risultato sicuramente sbagliato. In questa analogia applicata alla cosmologia, la relatività generale è il rullo da imbianchino, che funziona perfettamente per dipingere l'evoluzione del nostro Universo quando il suo volume è sufficientemente grande. Potremmo usare la gravità quantistica, ma complicherebbe inutilmente i nostri calcoli. Usare questo pennello da miniatura (la relatività quantistica) risulta invece essenziale per descrivere i primi istanti dell’Universo.

Allo stesso modo, se volessimo calcolare la traiettoria di un disco lanciato alle Olimpiadi, converrebbe usare la teoria Newtoniana. Usare la teoria più completa, ovvero la relatività generale, darebbe comunque risultati esatti, ma introdurrebbe complicazioni inutili.

Ogni domanda e sistema da studiare richiede uno strumento adatto per farlo, e nuove domande possono richiedere lo sviluppo di strumenti innovativi che sono le nuove teorie scientifiche.

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