Se la cosmologia è in crisi, qual è il piano di riserva? Piano B per il cosmo!

di Joao Magueijo (Scientific American, 2002)

Traduzione e adattamento

Maria Grazia Chieffo – Bruno Ruffo

Unione Astrofili Napoletani

Joao Magueijo è uno studioso di fisica teorica dell’Imperial College di Londra. I suoi interessi nella ricerca spaziano dagli aspetti osservativi a quelli “lunatici” (parola sua) della cosmologia, dall’analisi della radiazione cosmica di fondo a imperfezioni geometriche, quintessenza e buchi neri. E’ l’autore del libro “Faster than the speed of light”.

Sebbene la teoria dell’inflazione cosmica ha acquisito un’aura di inattaccabilità, teorie alternative che spiegano l’evoluzione dell’universo continuano a catalizzare l’interesse dei cosmologi. La teoria dello stato stazionario, che fino agli anni ’60 era ampiamente ritenuta la principale alternativa al big bang, e’ stata tenuta in vita da un piccolo gruppo di sostenitori.

Anche la teoria del pre-big bang, una modifica dell’inflazione motivata dalla teoria delle stringhe, affanna le menti di diversi scienziati. Ma l’alternativa più promettente e provocatoria può essere la teoria della variabilità-della-velocità-della-luce (VSL=Varying Speed of Light), che io e i miei colleghi stiamo sviluppando da diversi anni. Se non altro, questi opposti punti di vista aggiungono colore e vivacità alla cosmologia. Essi danno anche adito ad un dubbio persistente: l’entusiasmo generato dall’inflazione e le sue implicazioni potrebbe celare un errore madornale ?

La principale corrente delle teorie quali l’inflazione sono basate su un assunto cruciale: che la velocità della luce e gli altri parametri fondamentali della fisica abbiano avuto sempre gli stessi valori. (Esse sono note, dopo tutto, come costanti.) Questo assunto ha forzato i cosmologi ad adottare l’inflazione e tutte le sue fantastiche implicazioni. E quasi certamente, gli esperimenti mostrano che le presunte costanti non stanno invecchiando in modo drammatico. Inoltre i ricercatori hanno testato i loro valori solo sugli ultimi miliardi di anni o quasi. Postulare la loro costanza attraverso l’intera vita dell’universo comporta una enorme estrapolazione. Le presunte costanti potrebbero in realtà cambiare nel tempo in un universo generato dal big bang, come fanno la sua temperatura e la sua densità ?

I teorici hanno costatato che alcune costanti sono più “disponibili” di altre ad abbandonare il loro stato, cioè a non essere più costanti. Per esempio, anche la costante gravitazionale G, e la carica dell’elettrone e, spesso hanno subito questo trattamento, suscitando un certo scandalo e scalpore. In realtà, dalla pubblicazione del lavoro di Paul Dirac sulla variabilità delle costanti negli anni ’30 alle ultime teorie delle stringhe, detronizzare della costante G è stata un’ipotesi affascinante. In contrasto, la velocità della luce c, è rimasta inviolata. La ragione è chiara: la costanza di c ed il suo stato di limite universale della velocità sono i fondamenti della teoria della relatività. E il fascino (la magia) della relatività è così forte che la costanza di c è oggi parte integrante di tutti gli strumenti matematici a disposizione del fisico. La “variabilità di c” non è prevista neanche come ipotesi; essa semplicemente non è presente nel vocabolario della fisica. Pure essa dovrebbe essere necessaria ai cosmologi per ampliare il loro linguaggio tecnico. Al cuore della teoria dell’inflazione vi è il cosiddetto problema dell’orizzonte nella cosmologia del big bang, che nasce da un semplice fatto: ad ogni dato tempo, la luce – e quindi ogni interazione – può aver percorso solo una distanza finita dal big bang. Quando l’universo aveva un anno, per esempio, la luce avrebbe potuto viaggiare proprio un anno luce (circa). L’universo è perciò frammentato in orizzonti, che delimitano regioni che non possono ancora vedersi l’una con l’altra.

La miopia dell’universo è estremamente irritante per i cosmologi. Essa non permette di spiegare, con teorie basate su interazioni fisiche, questioni quali “perché l’universo primordiale era così uniforme”. Entro la struttura della teoria standard del big bang, l’uniformità può essere spiegata solo con una regolazione precisa delle condizioni iniziali – essenzialmente un ricorso alla metafisica.

L’inflazione aggira abilmente questo problema. Il suo punto di vista è che per un’onda luminosa in un universo in espansione, la distanza dal punto iniziale è più grande della distanza percorsa.

La ragione è che l’espansione “stira” lo spazio già coperto. Per analogia, consideriamo un guidatore che viaggia a 60 km/h per un’ora. Il guidatore ha coperto 60 km, ma se la strada stessa si è allungata nel frattempo, la distanza dal punto di partenza è maggiore di 60 km. La teoria dell’inflazione postula che il primo universo si espandeva così velocemente che la portata della luce era eccezionalmente grande. Apparentemente regioni tra loro scollegate (disgiunte) potrebbero così aver comunicato l’una con l’altra e raggiunto stessa temperatura e densità. Quando l’espansione inflazionaria finì, queste regioni cominciarono a finire fuori portata (contatto). Non ci vuole molto a rendersi conto che la stessa cosa poteva essere successa se semplicemente la luce, nell’universo primordiale, avesse viaggiato più velocemente di quanto faccia oggi. La luce veloce avrebbe potuto cucire insieme un mosaico di regioni altrimenti sconnesse. Queste regioni avrebbero potuto allora omogeneizzarsi. Come la velocità della luce rallentò, quelle regioni avrebbero dovuto perdere il contatto.

Questo era il punto di vista iniziale che portò Andreas C. Albrecht, allora all’Università della California a Berkeley, John Barrow dell’Università di Cambridge e me a proporre la teoria VSL. Contrariamente alle credenze “popolari”, la nostra motivazione non infastidiva coloro i sostenitori dell’inflazione. (In effetti, Albrecht è uno dei padri della teoria inflazionaria.) Noi sentivamo che i pregi e i difetti dell’inflazione sarebbero divenuti più chiari se fosse esistita un’alternativa, non importa quanto rozza.

Naturalmente, la VSL richiede di riconsiderare i fondamenti e il linguaggio della fisica, e per questa ragione sono possibili un certo numero di implementazioni. Ciò che noi proponemmo come prima cosa era un atto azzardato di estrema violenza contro la relatività, sebbene fossimo riscattati dal merito di poter risolvere molte questioni, oltre il problema della piattezza. Per esempio, la nostra teoria stima un valore non nullo per la costante cosmologica nell’universo odierno, ma comunque molto piccolo. La ragione è che la densità dell’energia del vuoto, rappresentata dalla costante cosmologica, dipende molto fortemente da c. Un’opportuna diminuzione di c riduce l’energia del vuoto, che altrimenti sarebbe prevalente, a livelli innocui. Nelle teorie standard, d’altra parte, l’energia del vuoto non può essere attenuata.

Ma la nostra formulazione offre proprio una possibilità, e l’impulso a riconciliare la VSL con la relatività sta stimolando l’uscita di molti lavori. Le più prudenti implementazioni della VSL condotte da John Moffat dell’Università di Toronto e più tardi da Ian T. Drummond di Cambridge sono più facili da accettare per i teorici della relatività.. Ora appare che dopotutto la costanza di c non è così essenziale per la relatività; la teoria può essere basata su altri postulati. Qualcuno ha suggerito che se l’universo è una membrana tri-dimensionale in uno spazio a più dimensioni, come dice la teoria delle stringhe, l’apparente velocità della luce nel nostro mondo potrebbe variare, mentre la vera e fondamentale c rimane costante. E’ anche stato suggerito che una velocità della luce variabile può essere parte integrante di ogni consistente teoria della gravità dei quanti.

Se la natura abbia scelto di inflazionare o scherzare con c si può capire per mezzo di esperimenti. La teoria della VSL è al momento di gran lunga meno sviluppata dell’Inflazione, quindi c’è ancora molto da indagare per ottenere risultati certi sulla radiazione di fondo di microonde. D’altra parte, alcuni esperimenti hanno indicato che la cosiddetta costante strutturale potrebbe non essere costante. La variazione di c potrebbe spiegare queste scoperte.

Rimane da vedere se queste considerazioni resisteranno ad ulteriori verifiche; nel frattempo la VSL rimane la maggiore sfida teorica. Essa si distingue dall’inflazione poiché si addentra più a fondo nelle radici della fisica. Per ora, la VSL è lontana dall’essere la principale idea corrente. Rappresenta un’incursione in un terreno ancora inesplorato e selvaggio.

1° didascalia:

Difetti sull’orizzonte. Alla tenera età di un anno, l’universo era suddiviso in settori isolati delimitati da “orizzonti” di raggio un anno luce (sfere blu). Oggi l’orizzonte ha circa 15 miliardi di anni luce di raggio (sfera rossa) così egli racchiude innumerevoli settori. Il fatto strano è che, malgrado il loro isolamento iniziale, tutti i settori sono molto somiglianti. Il grande trionfo della teoria inflazionistica risiede nell’aver spiegato questa uniformità.

2° didascalia:

Ampliando l’orizzonte. L’inflazione non è la sola risposta al problema dell’orizzonte. Forse nell’universo primordiale si crearono delle condizioni che permisero alla luce di viaggiare più velocemente di come fa ora, un miliardo di volte o forse più. La luce più veloce creò il settore più grande (la sfera blu). Quando la luce rallentò alla sua attuale velocità, l’orizzonte di restrinse (la sfera rossa). Il risultato è che noi ora vediamo solo una parte del settore iniziale, così si può spiegare l’uniformità dell’universo.

Bibliografia:

Time Varying Speed of Light as a Solution to Cosmological Puzzles.

Andreas Albrecht and João Magueijo in Physical Review D, Vol. 59, No. 4,

Paper No. 043516; February 15, 1999. Preprint available at

xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9811018

Big Bang Riddles and Their Revelations. João Magueijo and

Kim Baskerville in Philosophical Transactions of the Royal Society A,

Vol. 357, No. 1763, pages 3221–3236; December 15, 1999.

xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9905393

Lorentz Invariance with an Invariant Energy Scale. João Magueijo and

Lee Smolin in Physical Review Letters, Vol. 88, No. 19; April 26, 2002