martedì 13 dicembre 2016

Il Modello Inflazionario, una spiegazione ai problemi dell'Universo


In uno degli ultimi articoli si è parlato dei Problemi dell'Orizzonte della Piattezza: delle sostanziali innaturalezze che emergono quando osserviamo l'Universo su larga scala. Ovviamente nel corso degli ultimi decenni sono state proposte alcune possibili soluzioni, molte delle quali vengono annoverate fra i Modelli Inflazionari. Ma di cosa si tratta? In che modo la cosmologia odierna spiega i Problemi dell'Universo? Per rispondere dovremo ripercorrere gli istanti immediatamente successivi al Big Bang.


 Una premessa prima di cominciare: era molto tempo che desideravo scrivere questo articolo. Si tratta però di un argomento piuttosto complesso, che richiede delle basi anche solo per coglierne il senso intuitivamente. Per questo motivo, se non l'hai già fatto, ti suggerisco di leggere l'ultimo articolo sui Problemi dell'Universo.

Cos'è l'inflazione?

 Per capire in che modo il Modello Inflazionario permette di spiegare le innaturalezze che osserviamo nel cosmo occorre innanzitutto comprendere che cos'è l'Inflazione. Per riuscirci prendiamo in considerazione il caso più semplice da studiare: un Universo chiuso. Possiamo immaginare un tale Universo come la superficie di un'immensa sfera - solo la superficie, non l'interno (come abbiamo visto, quello chiuso non è l'unico Universo possibile, ma possiamo generalizzare le conclusioni che trarremo tra poco senza difficoltà). Insomma, un caso non molto dissimile dal pianeta Terra: salvo rare eccezioni siamo vincolati ad abitarne la superficie, e non capita mai di avvicinarsi considerevolmente al nucleo né di inoltrarsi troppo nello spazio.

 Ma torniamo all'Universo chiuso individuando una differenza fondamentale rispetto al nostro pianeta. A differenza della Terra, che non vede mai variare fortemente le sue dimensioni, il nostro Universo è almeno potenzialmente in grado di espandersi e contrarsi - più o meno come un enorme palloncino.
Alan Guth, che propose il primo Modello Inflazionario

  Essenzialmente, quello che il Modello Inflazionario prevede è che l'Universo abbia attraversato una fase di rapidissima espansione appena dopo il Big Bang. In effetti, il termine "Inflazione" deriva dal latino inflare, che significa appunto "gonfiare". E l'Inflazione è proprio questo: la fase che vede gonfiarsi rapidissimamente quel piccolo palloncino che era il nostro Universo neonato. Veniamo quindi al punto focale dell'articolo, ovvero comprendere perché l'Inflazione offre una spiegazione soddisfacente ai due Problemi che dobbiamo affrontare.


Come il Modello Inflazionario spiega il Problema dell'Orizzonte

 Per semplificare le cose, nell'ultimo articolo avevamo supposto che la Terra si trovasse al polo Sud dell'Universo chiuso (noi ce lo stiamo immaginando come una sfera, il ché non è necessariamente vero, ma non è una questione importante). L'Orizzonte di un osservatore posto sulla Terra sarà allora una circonferenza centrata nel nostro pianeta che si allarga rapidamente strisciando sulla superficie della sfera, che rappresenta il resto dell'Universo. Fissiamo per bene quest'idea e per un momento fingiamo che l'Orizzonte a un certo punto cessi la sua espansione. Questo non è ovviamente possibile, ma è una buona approssimazione della realtà se l'Inflazione avviene molto rapidamente.

 Tornando al modello terrestre dell'ultimo articolo: se noi ci trovassimo al polo Sud, all'inizio dell'Inflazione il nostro Orizzonte potrebbe essere un qualsiasi parallelo geografico. A questo punto immaginiamo che la Terra (ovvero l'intero Universo) si espanda rapidamente. Cosa succede al nostro Orizzonte?

 Prima di rispondere facciamo una distinzione: chiamiamo Orizzonte Visibile la superficie che racchiude tutto quello che possiamo vedere dalla Terra e Orizzonte Causale tutto ciò che è in connessione causale con noi. Si tratta di due concetti distinti, che abbiamo già trattato nel precedente articolo. Quello che accade durante l'Inflazione è che l'Orizzonte Causale si espande con l'Universo (ovviamente se una galassia è entrata in contatto causale con la Terra in passato lo rimarrà per sempre, anche se l'Universo si espande), mentre l'Orizzonte Visibile rimane inalterato. In pratica le galassie più lontane escono dal nostro campo visibile pur rimanendo in contatto causale con noi.

 Una volta che l'Inflazione si arresta, l'Orizzonte Visibile continua a espandersi. Tuttavia, le "nuove" galassie che siamo in grado di osservare sono già in contatto causale con noi. Stanno semplicemente rientrando nel nostro Orizzonte Visibile! Ecco perché zone che apparentemente non sono mai entrate in contatto causale si comportano allo stesso modo: semplicemente erano già entrate in contatto causale in epoca pre-inflazionaria. Ed ecco risolto il Problema dell'Orizzonte.

E il Problema della Piattezza?

 La risoluzione del Problema della Piattezza ad opera del Modello Inflazionario è certamente più semplice da intuire. Rimaniamo sul paragone Universo-Terra, e immaginiamo che l'Orizzonte Visibile si sia espanso fino a ricoprire tutta l'Antartide. La porzione di spazio che possiamo osservare è sufficientemente estesa rispetto all'intero pianeta da permetterci di realizzare che la superficie che abitiamo (quella terrestre) è chiusa e non piatta. Se invece l'Orizzonte Visibile non distasse che qualche kilometro dal Polo Sud sarebbe impossibile determinare la curvatura terrestre disponendo solo dell'area circoscritta. È evidente quindi che col passare del tempo, e l'aumentare dell'area delimitata dall'Orizzonte, sia sempre più facile accorgersi della curvatura terrestre.

 Ma che succede quando interviene l'Inflazione? Come prima, basta fissare per un attimo l'Orizzonte a una certa latitudine e "gonfiare" la Terra. Al termine dell'Inflazione, l'area delimitata dell'Orizzonte non sarà cambiata considerevolmente, ma l'Universo intero si sarà ingigantito! Tornando all'esempio della Terra, se prima le dimensioni dell'Antartide erano confrontabili con quelle dell'intero pianeta, adesso la superficie che abbiamo a disposizione per le osservazioni non è che una frazione ridicola di quella totale. In definitiva ci ritroviamo con una regione approssimativamente piatta, esattamente come accade con l'Universo osservabile oggi.

 Possiamo intuire più facilmente la soluzione del Problema della Piattezza immaginando di disegnare l'Antartide in scala sul fondo di un palloncino gonfiato a metà. La curvatura sarà senz'altro percepibile anche osservando solamente il nostro disegno. Tuttavia, non appena gonfiamo il palloncino l'Antartide si fa sempre più piatta, e la sua superficie non risulta piu sufficiente ad apprezzare la curvatura dell'intero palloncino.

In sostanza, l'Inflazione fa sì che la curvatura dell'Universo diventi meno evidente. Ecco perché, nonostante i suoi 13,6 miliardi di anni, il nostro Universo ci appare ancora in buona approssimazione piatto.

Conclusioni

 Stavolta al posto delle conclusioni vorrei lasciare un messaggio ai lettori più affezionati del blog: 

Scoprire la Fisica finisce qui.

 Dopo un anno e mezzo di articoli abbiamo (spero) tutti avuto l'opportunità di imparare qualcosa - io per primo ho scoperto nuovi mondi scrivendo per voi. Che dire? Rispetto al primo articolo mi auguro di aver sfruttato almeno una parte dell'ampissimo margine di miglioramento che avevo davanti, ma ora trovo comunque difficile esprimere la mia gratitudine a chi ha sostenuto il blog fin dall'inizio. E non solo... Trasmettere la propria passione a un pubblico senza volto fa uno strano effetto, ma osservare il grafico delle visite crescere giorno per giorno riempie di un orgoglio che auguro a tutti di provare.

 Ci tengo a precisare che:
  1. Continuerò a monitorare la mail scoprirelafisica@gmail.com
  2. Non ho certo perso la passione per la Fisica, e nulla mi impedisce di pubblicare qualche altro articolo di tanto in tanto. In tal caso invierò come sempre una mail agli iscritti alla newsletter.
 Vi lascio con un pensiero di Richard Feynman
"La nostra immaginazione è tesa al massimo; non, come nelle storie fantastiche, per immaginare cose che in realtà non esistono, ma proprio per comprendere ciò che davvero esiste."
Grazie per aver letto fin qui,

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