Cosmologi sull’orlo di una crisi di nervi

È in corso un’accesa battaglia tra cosmologi, uno scontro che si svolge a colpi di tecnicismi riguardanti la teoria dell’inflazione.

In cosmologia l’inflazione nasce nel 1981 grazie al fisico e cosmologo statunitense Alan Guth come modello in grado di risolvere alcune problematiche legate al modello standard del Big Bang Caldo [1] (alcune delle idee erano presenti in un lavoro di Starobinsky del 1979).

L’idea di base è ipotizzare una fase primordiale in cui l’universo, in un arco temporale brevissimo, si espande in maniera esponenziale; in particolare la teoria riguarda l’evoluzione di un campo scalare [2]  (nella versione più semplice) e il suo valore di aspettazione sul vuoto.

Tale repentina espansione si scoprì risolvere in maniera elegante e naturale molti problemi a cui il modello del Big Bang Caldo non sa dare risposta, come il problema dei monopoli, da cui prese avvio l’idea di Guth, il problema dell’orizzonte e della piattezza, la formazione di strutture, fino a questioni più tecniche come le perturbazioni ecc). Inoltre l’inflazione si riaggancia con naturalezza alla teoria standard del Big Bang Caldo, nel senso che una volta terminata questa fase di forte espansione l’universo evolve nella maniera indicata da quest’ultima.

La disputa nasce da un articolo pubblicato su Scientific American da Paul Steinhardt (uno dei pioneri dell’inflazione) e l’astronomo Avi Loeb. Nell’articolo gli autori attaccano duramente la teoria inflazionaria rea, secondo loro, di non esser in grado di fare predizioni verificabili che possano confermarla, come anche l’impossibilità di falsificarla dato l’eccessivo numero di modelli; secondo gli autori l’inflazione non sarebbe in grado di fornire spiegazioni semplici a certe caratteristiche osservate nell’universo. Nell’articolo, pur constatando che in una conferenza del 2013 l’Agenzia Spaziale Europea annunciò che i dati del satellite Planck confermerebbero l’inflazione, secondo gli autori si tratterebbe di un’interpretazione dei dati; l’occuparsi di tale teoria, secondo gli autori, equivarrebbe a “non fare scienza” (dalla definizione di Popper secondo la quale una teoria diventa scientifica quando si assume il rischio di fare predizioni). Steinhardt e Loeb criticano anche l’idea del Multiverso (un’ipotesi che postula l’esistenza di universi coesistenti fuori dal nostro spaziotempo) derivante dall’inflazione, chiamandola Multimess in luogo di Multiverse (mess in inglese significa pasticcio). Inoltre la mancata osservazione, da parte di BICEP2, di onde gravitazionali primordiali (le uniche in grado di polarizzare la CMB in una particolare forma chiamata modo B) costituirebbe, secondo gli autori, un’ulteriore prova dell’inesattezza della teoria inflazionaria.
Gli autori concludono spronando la comunità alla ricerca di un nuovo paradigma e proponendo un approccio differente, che non necessita dell’inflazione, indicato come “big bounce”: è basato sull’assenza di evidenze che confermino il Big Bang così da poter sostituire tale evento con un “rimbalzo” (big bounce) che otterrebbe gli stessi risultati prodotti dall’inflazione.

La risposta all’articolo non tarda ad arrivare (generando poi un’ulteriore risposta alla risposta) e porta il nome proprio di Alan Guth che allega alla sua lettera in difesa all’inflazione le firme di 29 scienziati, tra cui: vincitori del premio Nobel, della medaglia Fields, Steven Hawking e scienziati che hanno lavorato agli esperimenti cosmologici di COBE, WMAP e Planck. Nella risposta Guth afferma di essere in disaccordo su molti punti della lettera di Steinhardt e Loeb ma si focalizza in prevalenza sulla questione della testabilità dell’inflazione; chiarisce inoltre come collaborazioni internazionali non solo hanno stabilito come l’inflazione sia testabile, ma anche come la teoria sia stata sottoposta a numerosi test passandoli tutti (per esempio la predizione di leggero discostamento dall’unità del valore dell’indice spettrale). Guth specifica come il termine inflazione, divenuto un vero e proprio paradigma, sia alla pari di un ombrello sotto cui si raccolgono diversi modelli. L’autore risponde all’accusa secondo cui il dedicarsi all’inflazione corrisponderebbe a non fare scienza, notando come ci siano più di 14mila articoli scritti da oltre 9000 scienziati differenti contenenti la parola inflazione. Secondo Guth il fatto che nuove scoperte portino ad escludere un certo modello inflazionario piuttosto di un altro (come per i modelli ibridi, per lo più esclusi dalle osservazioni) sarebbe l’analogo di quanto avvenuto durante lo sviluppo del Modello Standard: nuove scoperte, come la terza generazione di quark, portarono a sistemare la teoria migliorandola.

Al di là dei tecnicismi, in 35 anni di esistenza l’inflazione è divenuta un vero e proprio paradigma in cosmologia in grado di spiegare le prime fasi dell’universo, conclude Guth. Nessuno è certo dell’inflazione, le teorie scientifiche non posso esser dimostrate come quelle matematiche, tuttavia col passare del tempo migliorano gli esperimenti e aumentano i successi cosicché la teoria possa progredire. La lettera si chiude col motto : “Empirical science is alive and well! “.

Note

[l] Big-bang caldo è un termine che esprime la grande “espansione iniziale”, con cui il fluido cosmologico, reso eccezionalmente caldo dalla sua stessa concentrazione, trovò la possibilità di avviare le prime reazioni di nucleosintesi per la formazione degli elementi più leggeri (idrogeno, elio e litio). Alla teoria del big-bang fu opposta per lungo tempo quella dello “stato stazionario” dell’Universo, sostenuta da F. Hoyle e T. Bondi sulla base del principio cosmologico perfetto, secondo la quale l’Universo (infinitamente esteso) si sarebbe perennemente espanso pur senza aver mai avuto un’origine

[2] In fisica un campo scalare viene utilizzato per indicare la distribuzione della temperatura o della pressione nello spazio.