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La scoperta da parte dell’osservatorio LIGO di un segnale gravitazionale attribuito all’impatto tra due buchi neri ha avuto (giustamente) una grande risonanza mediatica. Qualcuno è arrivato a definirla la scoperta più importante degli ultimi decenni, e non senza ragione; in un colpo solo, infatti, si è avuta la conferma dell’esistenza delle onde gravitazionali, previste da Einstein nel 1915, e anche di quella dei buchi neri. Onde gravitazionali e buchi neri fanno ormai parte dell’immaginario collettivo, ben al di là dei ristretti circoli scientifici. Non voglio dire che se ne parli al bar, ma ne hanno accennato perfino i quotidiani italiani (notoriamente refrattari a un’informazione scientifica degna di questo nome), dove la scoperta di LIGO è riuscita a fare capolino tra il festival di Sanremo e le dichiarazioni bellicose del cardinale Bagnasco.

Credo che ben pochi scienziati dubitassero dell’esistenza delle onde gravitazionali, anche prima della loro osservazione diretta: dal 1915 a oggi la Relatività Generale di Einstein ha ricevuto troppe conferme empiriche. A prima vista, nel leggere la notizia, qualcuno si sarà sentito come ci si sente dopo il primo capitolo dei Promessi Sposi: è ovvio che Renzo e Lucia si sposeranno, prima o poi, il problema è solo capire come faranno a districarsi tra preti di campagna, signorotti secenteschi innamorati e pesti nere portate in giro dagli untori. Insomma: al di là del fascino tecnologico di un interferometro lungo 4 chilometri, al cui interno è stato fatto il miglior vuoto che la specie umana sia stata capace di realizzare, il resto è scontato. Perché allora questo interesse spasmodico per la scoperta? Personalmente credo che ci sia qualcosa che non è stato detto (per lo meno dai media “generalisti”), qualcosa che alza decisamente la posta in gioco. Per spiegare che cosa intendo, sono costretto a fare una digressione.

La teoria cosmologica oggi più accreditata e quella detta del Big Bang, con l’importantissima aggiunta dell’inflazione. Il modello inflazionario fu proposto da Alan Guth all’inizio degli anni ottanta e suppone che, nei suoi primissimi istanti di vita, l’universo si sia “gonfiato” in modo esponenziale, per poi iniziare a espandersi con un tasso “ragionevole”. E’ un quadro teorico che spiega molte cose, e in particolare risolve i due principali problemi della cosmologia relativistica pre-inflazionaria, e cioè il problema della piattezza e il problema dell’orizzonte.

Se posso aggiungere un altro aspetto poco sottolineato, il modello di Guth spiega anche l’irragionevole validità del cosiddetto principio cosmologico. Si tratta dell’affermazione secondo cui l’universo nel suo complesso può essere trattato matematicamente come un fluido omogeneo e isotropo. Questa ipotesi fu avanzata da Einstein nel 1916, quando il formidabile baffone tentò per la prima volta di applicare le equazioni del campo gravitazionale all’intero universo, e non perché lo stesso Einstein ne fosse convinto. A quell’epoca non c’era uno straccio di prova empirica che il principio cosmologico fosse vero: la cosmologia osservativa brancolava nel buio. Prima del 1929, quando fu enunciata la legge di Hubble, non c’era modo di stimare la distanza di una galassia, dunque neppure di verificare l’ipotesi. Il principio cosmologico serviva a Einstein per poter fare i conti: senza di esso, semplicemente, le equazioni non potevano essere risolte. Nel corso dei decenni l’astronomia ha rivelato dettagli sempre più fini del nostro universo, e oggi possiamo dire con certezza che il principio funziona: l’universo è effettivamente omogeneo e isotropo, per lo meno entro l’orizzonte cosmico degli eventi (13,8 miliardi di anni luce, che è la distanza che la luce può avere coperto dal Big Bang alla nostra epoca; oltre questo limite non possiamo guardare).

L’inflazione di Guth dà ragione anche dell’uniformità e isotropia dell’universo. Se l’ipotesi è vera, quella che noi osserviamo è solo una porzione piccolissima del tutto in cui viviamo, che sarebbe così grande da dare le vertigini (o forse addirittura infinito). Siamo come una colonia di batteri sul vetro di un bicchiere: anche se si tratta di un sofisticato calice di Murano con delicati rilievi, sulla nostra scala esso appare piatto e uniforme in ogni direzione.

Andrej Linde, un fisico russo trapiantato a Stanford, ha portato avanti più di ogni altro l’idea originale di Guth. Secondo Linde, l’universo king size di cui non vediamo che un minuscolo frammento contiene ancora regioni in fase di inflazione. Ai confini di tali regioni, cioè nelle “piccole” zone in cui l’espansione torna a livelli normali, possono formarsi galassie, stelle e pianeti rocciosi come il nostro.

Lasciamo perdere Linde per un attimo, e parliamo dell’infinitamente piccolo. La teoria più di moda, in questo momento, per descrivere il mondo sub atomico è la teoria delle stringhe. Tale teoria postula che i diversi tipi di particelle che possiamo osservare non siano che modi diversi di vibrazione di entità davvero elementari (le stringhe, appunto), che esisterebbero su una scala vicina alla cosiddetta scala di Plank. Per intenderci, la lunghezza di Plank sta alle dimensioni di un protone come un protone sta al monte Everest. La teoria delle stringhe ha avuto successo perché, se fosse vera, spiegherebbe molte cose. In anni recenti, tuttavia, è stata contestata da più parti, perché è difficilmente verificabile e perché è troppo debole (nel gergo dei fisici, una teoria debole è una teoria che non è in grado di fare previsioni).

La verificabilità è un problema serio. Per indagare direttamente che cosa esiste alla scala di Plank servirebbe un acceleratore di dimensioni paragonabili al diametro della nostra galassia. Tuttavia, la specie umana ha dimostrato finora di essere molto abile nel trovare soluzioni a problemi apparentemente irrisolvibili, e può darsi che nel futuro un test diretto si riveli possibile. Forse ancora peggiore è il problema della debolezza. La teoria delle stringhe è costretta a postulare che, oltre alle tre dimensioni spaziali a cui siamo abituati, ne esistano altre sette avvolte su se stesse sulla scala subatomica. E’ chiaro che sarebbe molto difficile per noi percepirle, e l’idea non è così peregrina come può sembrare a prima vista. Il problema è che ci sono molti modi per avvolgere su se stesse le dimensioni extra. Quanti? Circa 10500. Ogni modo di avvolgimento descrive un universo differente, e per la maggior parte tali universi sono del tutto inabitabili. Perché dunque il fato ha deciso che, sullo spropositato numero di teorie delle stringhe possibili, se ne realizzasse proprio una che consente a me di scrivere questo post?

Ecco, finalmente, che interviene Andrej Linde. Il maxi universo inflazionario è il mondo perfetto per rendere meno debole la teoria delle stringhe. Nel momento in cui la fase inflattiva cessa, infatti, quello che succede è che la natura “sceglie” un particolare modo di avvolgimento delle dimensioni invisibili della teoria delle stringhe. Non possiamo più stupirci del fatto che il nostro universo sia abitabile: esso fa parte di una miriade di universi, la maggior parte dei quali è in effetti inabitabile; il nostro è abitabile perché altrimenti non saremmo qui a parlarne. Questa idea prende il nome di Principio Antropico, e fu lanciata in origine dal fisico Brandon Carter nel 1973 (in un contesto diverso: a quei tempi non si parlava ancora di inflazione).

Il matrimonio tra teoria delle stringhe e universo inflazionario alla Linde sembra, a questo punto, inevitabile quanto quello tra Renzo e Lucia. Purtroppo, però, non è ancora stato scoperto un Manzoni cosmico che garantisca l’efficacia del risultato. Se è vera la fisica che conosciamo, gli universi di Linde sono definitivamente fuori dalla nostra portata: sono oltre l’orizzonte cosmico degli eventi. A meno che non esistano i famigerati tachioni, che si muovono più veloci della luce, e non troviamo un modo per rivelarli, non potremo mai sapere se tali universi esistono davvero.

Possiamo consolarci però con la teoria dell’inflazione; le piccole disomogeneità che sono state misurate nella radiazione cosmica di fondo sembrano dare ragione ad Alan Guth. O no? Anche il modello inflazionario non è privo di avversari, nel mondo scientifico. C’è chi sostiene , come Neil Turok, che anche l’inflazione è debole, che bisogna tararne finemente i parametri per descrivere il vero universo, quello che noi osserviamo. Altri sostengono che tutta l’idea è fortemente “ad hoc”: l’inflazione serve solo per spiegare l’isotropia e la piattezza dell’universo, è come un coniglio saltato fuori all’ultimo minuto da un cappello a cilindro cosmico di cui nessuno sentiva la necessità.

Personalmente, la sensazione che provo è quella di un oggetto che non vedo, non sento, non tocco e non annuso, definito solo dal contorno di ciò che non fa parte dell’oggetto stesso. Volendo schematizzare la situazione, ecco come mi sembra che sia.

Linde Stringhe

I box su fondo azzurro rappresentano oggetti puramente teorici, quelli su fondo bianco sono fatti sperimentali. Non c’è dubbio che la mole di ipotesi non confermate alla base del modello sia notevole. C’è però un aspetto che renderebbe immediatamente credibile questo quadro, almeno per la parte che riguarda l’inflazione (non è tutto, ma è moltissimo): la scoperta di onde gravitazionali dal Big Bang. Secondo la teoria di Guth, l’avvio della fase inflattiva deve essere stato accompagnato da possenti onde gravitazionali; se tali onde venissero rilevate, la teoria troverebbe una conferma diretta.

Ecco che cosa alza la posta, forse il motivo principale per cui la scoperta di LIGO ha suscitato un entusiasmo mai visto nel mondo scientifico: adesso sappiamo che le onde gravitazionali esistono; questo ci incoraggia a cercare quelle che potrebbero provenire dai primi istanti di vita del nostro universo. Se le troveremo, il quadro oggi dominante ne uscirà fortemente rafforzato. Se invece non le troveremo, molto di ciò che la fisica teorica ha costruito negli ultimi decenni crollerà come un edificio privo di fondamenta.