Inflazione (cosmologia)

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In cosmologia l'inflazione è una teoria che ipotizza che l'universo, poco dopo il Big bang, abbia attraversato una fase di espansione estremamente rapida, dovuta a una grande pressione negativa generata da un campo di energia chiamato inflatone (l'inglese inflation ha conservato anche l'originario significato di "gonfiaggio", derivato dal latino inflatio).

L'inflatone potrebbe essere stato originato da uno stato instabile dovuto alla mancata immediata rottura spontanea di simmetria delle forze fondamentali dopo una transizione di fase quantistica; tale campo, caratterizzato da una grande energia di punto zero, avrebbe assunto il ruolo di costante cosmologica, provocando un'espansione esponenziale dell'universo .[1]

La teoria è stata proposta inizialmente da Alexei Starobinski[2][3] in Unione Sovietica e contemporaneamente da Alan Guth[4][5] negli Stati Uniti d'America all'inizio degli anni '80.

L'ipotesi dell'inflazione applicata alla teoria del Big Bang[modifica | modifica wikitesto]

La nascita dell'universo inflazionario

L'espansione inflazionistica può essere introdotta nei modelli attraverso una costante cosmologica non nulla che, a differenza del modello tradizionale del Big Bang (che prevede un'espansione convenzionale decelerante nel tempo), avrebbe allontanato due oggetti ad un ritmo sempre più rapido fino a superare la barriera della velocità della luce.[6] Una conseguenza diretta è che tutto l'universo si sarebbe sviluppato da una regione causalmente connessa, cioè così piccola che la luce ha potuto attraversarla interamente nel brevissimo tempo intercorso fra la sua "nascita" e l'inizio della fase inflazionaria, giustificando l'omogeneità attualmente osservabile, ad esempio di temperatura e densità.

Le fluttuazioni quantistiche all'interno della regione microscopica ingrandita dall'inflazione a dimensioni cosmiche sarebbero all'origine di piccole disomogeneità gravitazionalmente instabili, cresciute fino a dare origine a strutture come le galassie, gli ammassi di galassie ecc. (vedi anche formazione delle galassie).

L'ipotesi dell'inflazione cosmica risolve diversi rilevanti problemi concettuali o paradossi che affliggevano la teoria standard del Big Bang. Fra questi, il problema della piattezza dell'Universo (cioè il fatto che l'Universo sembra essere ottimamente descritto da una geometria con curvatura esattamente pari a 0), la sua straordinaria omogeneità su scale così ampie da non essere causalmente connesse (problema dell'orizzonte) e l'assenza di difetti topologici osservati (ad esempio di monopoli magnetici), che invece sarebbero previsti da molte teorie di grande unificazione.

Curvatura dello spazio-tempo tendente a zero[modifica | modifica wikitesto]

Il modello standard di inflazione prevede un universo quasi piatto (la curvatura potrebbe non essere 0, ma la differenza sarebbe trascurabile nella pratica) e l'invarianza di scala delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo. Ci sono anche predizioni riguardo alla fisica delle particelle vicino alle energie di Grande Unificazione. Negli anni ottanta ci sono stati numerosi tentativi di correlare il campo che genera l'energia del vuoto che causa l'inflazione con campi specifici previsti dalle teorie di Grande Unificazione, o viceversa di usare l'osservazione dell'Universo come un vincolo per queste teorie. Questi sforzi sono stati infruttuosi e la natura esatta del campo che ha dato il via all'inflazione e della sua particella (l'inflatone), resta una teoria senza alcuna base scientificamente dimostrabile. Inoltre, nel modello inflazionario si postula l'esistenza di infiniti universi (compreso il nostro), come fossero delle bolle, separati da immensi spazi vuoti, ma tale teoria non sarà mai dimostrabile, in quanto appunto tratta di cose che sarebbero al di fuori del nostro universo, per cui la veridicità di tali supposizioni resterà sempre un mistero.

Inflazione e curvatura[modifica | modifica wikitesto]

Secondo le teorie più accreditate è stato l'inflatone a stirare lo spazio grazie alla creazione di una forza antigravitazionale. Quindi, in base al modello inflazionario, la piattezza dell'universo, a scapito di una geometria chiusa o aperta, è strettamente collegata all'uniformità del cosmo. Il modello inflazionistico però ha evidenziato qualche limite dopo le osservazioni svolte negli ultimi anni delle supernove e degli ammassi di galassie, che hanno indotto gli astronomi a optare per l'ipotesi di un universo curvo e aperto.
È stato un compito fondamentale degli studiosi, dalla fine degli anni novanta in poi, la ricerca di spiegazioni alternative che in qualche modo non intaccassero il modello inflazionario; per fare ciò è stata formulata l'ipotesi, che esista un'energia aggiuntiva che curverebbe lo spazio indipendentemente dal modello preso in esame.[6]

L'universo a bolle[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: Inflazione eterna, Inflazione caotica e Multiverso.

Secondo alcuni modelli inflazionari, il nostro universo sarebbe solo una delle possibili bolle che si sono sviluppate dal decadimento di uno stato metastabile originario.

Osservazioni sperimentali[modifica | modifica wikitesto]

2006: esperimenti BOOMERanG e WMAP[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: Esperimento BOOMERanG e WMAP.

Recentemente (2006), le misure di anisotropia della radiazione di fondo cosmico da parte di esperimenti su pallone stratosferico come BOOMERanG e da satellite come WMAP hanno prodotto dati in eccellente accordo con le predizioni teoriche dell'inflazione[7][8]. L'inflazione da ipotesi speculativa è dunque diventata un modello teorico falsificabile.

2009-13: satellite Planck[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: Planck Surveyor.

Nel 2014 si attendono nuovi risultati[9] da ricerche sui dati raccolti dal satellite Planck nel suo periodo di operatività (2009-13) che potrebbero gettare nuova luce sulle teorie inflazionarie[10][11].

2014: collaborazione BICEP2[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: BICEP.

Il 17 marzo 2014 è stato annunciato il risultato di una ricerca (collaborazione BICEP2), condotta dell'Harvard CMB Group con il radiotelescopio installato presso la base Amundsen-Scott al polo sud, che mostrerebbe le prime evidenze sperimentali dirette dell'Inflazione cosmica[12][13].

Tale risultato è stato confutato da un nuovo studio proposto per la pubblicazione sulla rivista "Physical Review Letters"[9][14].

L'articolo scientifico[15] pubblicato il 19 giugno 2014 contiene una nota aggiunta in appendice in cui si discute della possibile influenza che la polvere cosmica abbia avuto sulla misura. Il 19 settembre 2014 la collaborazione Planck ha pubblicato i risultati[16] della misura della polarizzazione causata dalla polvere galattica, ridimensionando l'importanza dei risultati della collaborazione BICEP: l'effetto causato dalla polvere galattica è della stessa dimensione della polarizzazione misurata da BICEP2; quindi non è ancora possibile dire che le onde gravitazionali esistano e che l'inflazione sia corretta. Nel 2016 sono state infine scoperte le onde gravitazionali, ma non ancora la prova dell'inflazione.

Critiche alla teoria dell'Inflazione[modifica | modifica wikitesto]

Paul Steinhardt, uno dei fondatori[17] della teoria dell'inflazione, negli ultimi anni è diventato molto critico verso di essa.[18][19] Inizialmente, di fronte alla conferma dell'inflazione con i dati di BICEP2, ha abbandonato la sua teoria dell'universo ecpirotico per rivedere la sua posizione sul modello inflazionario, ma poco tempo dopo è ritornato scettico su quest'ultimo.[20]

I critici lamentano anche la mancanza di falsificabilità, che renderebbe la teoria non scientifica.[21]

Sir Roger Penrose, proponente un tempo del Big Bang classico e oggi di una teoria denominata cosmologia ciclica conforme (CCC) afferma che, di fronte ai propri risultati teorici e alle osservazioni successive (che invece, secondo molti, confermerebbero l'inflazione), le teorie maggioritarie tra i fisici non sono secondo lui verificate: in particolare la teoria inflazionistica - da lui sempre criticata - è definita una «fantasia», mentre la teoria delle stringhe è liquidata come fenomeno di «moda» e una «fede»[22], su cui i fisici insisterebbero erroneamente come scorciatoie che vanno contro la relatività generale, come già fecero con la supersimmetria o le molte interpretazioni iniziali della relatività, finché Einstein sistemò la teoria con i suoi calcoli, dove tutti gli altri fallirono.[23]

Ad esempio, secondo i critici, non si potrebbe vedere un lampo di luce del presunto Big Bang, se la velocità della luce non fosse in ogni caso superiore a quella delle galassie in allontanamento, mentre l'inflazione sostiene che l'espansione fu più veloce della luce, ma allo stesso tempo noi vedremmo le tracce di quella luce primordiale; nella CCC non ci sarebbero queste contraddizioni.[23][24][25]

Inoltre i risultati di BICEP2 sembrano in conflitto con quelli raccolti successivamente da Planck Surveyor.[26]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Stephen Hawking, La teoria del tutto. Origine e destino dell'universo, pp. 85-91
  2. ^ Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 30, 719 (1979)
  3. ^ A. A. Starobinski, A New Type of Isotropic Cosmological Models Without Singularity, in Physics Letters, B91, 24 marzo 1980, pp. 99–102.
  4. ^ SLAC seminario, 10-35 seconds after the Big Bang, 23rd January, 1980. see Guth (1997), pg 186
  5. ^ A. H. Guth, The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems, Phys. Rev. D 23, 347 (1981).
  6. ^ a b Martin A.Bucher e David N.Sperger, L'inflazione ad un universo a bassa densità, "Le Scienze", num. 367, pag. 54-61
  7. ^ A measurement of Omega from the North American test flight of BOOMERANG, arxiv.org. URL consultato il 24 gennaio 2009.
  8. ^ A Flat Universe from High-Resolution Maps of the Cosmic Microwave Background Radiation, arxiv.org. URL consultato il 24 gennaio 2009.
  9. ^ a b Media INAF: Inflazione: c'è la prova, media.inaf.it. URL consultato il 19 marzo 2014.
  10. ^ Obiettivi chiave del satellite Planck, sci.esa.int. URL consultato il 18 marzo 2014.
  11. ^ Another piece of the puzzle about the origin of the cosmos is now being analysed, sci.esa.int. URL consultato il 18 marzo 2014.
  12. ^ First Direct Evidence of Cosmic Inflation, cfa.harvard.edu. URL consultato il 18 marzo 2014.
  13. ^ BICEP2 II: EXPERIMENT AND THREE-YEAR DATA SET (PDF), bicepkeck.org. URL consultato il 18 marzo 2014.
  14. ^ Le Scienze, Onde gravitazionali, l'errore di BICEP2 è ufficiale, lescienze.it, 2 febbraio 2015.
  15. ^ (EN) Ade, P.A.R. et al (BICEP2 Collaboration), Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2 (PDF), in Physical Review Letters, vol. 112, 19 giugno 2014, p. 241101, arXiv:1403.3985, Bibcode:2014PhRvL.112x1101A, DOI:10.1103/PhysRevLett.112.241101. URL consultato il 24 dicembre 2014.
  16. ^ (EN) Planck Collaboration Team, Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes, 19 settembre 2014, arXiv:1409.5738. URL consultato il 24 dicembre 2014.
  17. ^ Inflationary Cosmology
  18. ^ Theories of Anything - P. Steinhardt
  19. ^ The Inflation Debate: Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed?
  20. ^ Inflazione dell'universo, cresce il partito degli scettici
  21. ^ Altro che inflazione! Le obiezioni di uno scettico
  22. ^ Sir Roger Penrose: Cosmic Inflation is "fantasy"
  23. ^ a b Cercando un altro Einstein
  24. ^ Damiano Anselmi, L'involuzione del pensiero scientifico
  25. ^ Cosmic inflation has its flaws, but so do its critics
  26. ^ Risultati BICEP2 Sull'Inflazione e Onde Gravitazionali Potrebbero Essere Errati?

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

Livello avanzato