The Ekpyrotic Universe: Colliding Branes and the Origin of the Hot Big bang (“L’Universo Ecpirotico: brane in collisione e l’origine del Big bang caldo”) fu pubblicato per la prima volta nel novembre del 2001iii. Sebbene i proponenti fossero nomi di grande spessore nel panorama della fisica e della cosmologia (Turok, più giovane, ha proseguito una brillante carriera che l’ha portato oggi a dirigere il prestigioso Perimeter Institute di Waterloo, in Canada), le critiche non si contarono. Ad Andrei Linde, tra i padri della teoria dell’inflazione, lo scisma del suo collega Steinhardt non andò proprio giù. Con i colleghi Renata Kallosh (sua moglie) e Lev Kolfman firmò un articolo molto duro fin dal titolo (Pyrotechnic Universe, “Universo pirotecnico”, prendendo in giro a un tempo gli scenari cataclismatici proposti nel modello e la sua denominazione)iv. L’articolo dimostrava che il modello ecpirotico non era coerente con la teoria M (in particolare assegnava alle brane una tensione negativa laddove le brane nella teoria M devono avere tensione positiva), inseriva elementi inventati appositamente per spiegare l’origine dell’energia potenziale delle due brane, non spiegava da nessuna parte cosa accadesse in dettaglio nel momento della collisione tra le brane, richiedeva un eccessivo fine-tuning, ossia una “sintonia fine” dei parametri per far funzionare tutto il meccanismo.
Steinhardt e Turok respinsero le accuse al mittente, ma al tempo stesso si misero al lavoro con i loro colleghi per aggiungere dettagli più precisi (e anche per migliorare l’appeal del modello cambiandone il nome: oggi si chiama “universo-fenice”). Recentemente si sono concentrati, in particolare, sulla descrizione di ciò che avviene nel momento della collisione, ribattezzata variamente “Big Splat” o “Big Bounce” (“grande rimbalzo”). Gli scenari possibili sono due. Il primo è quello proposto da Neil Turok in collaborazione con il fisico teorico Steffen Gielen dell’Imperial College di Londrav: in questo scenario, si ipotizza che l’universo primordiale possa essere descritto come un unico sistema quantistico, per via del fatto che in quell’epoca (fino a 50.000 anni dopo il Big Bang) vigeva una geometria di tipo conforme, ossia non dipendente dalla scala. La luce, per esempio, è conforme, perché pur potendo assumere qualsiasi lunghezza d’onda (da quella delle onde radio ai raggi X, quasi ai due estremi dello spettro elettromagnetico) sarà sempre descritta dalle equazioni di Maxwell. Poiché la fisica quantistica prevede, tra le sue peculiarità, un fenomeno detto “effetto tunnel”, secondo il quale una particella può emergere al di là di una barriera fisica altrimenti invalicabile, per il fatto che la particella non possiede, nel reame quantistico, una posizione specifica nello spazio, ma solo una probabilità di trovarsi in una determinata posizione, anche l’intero universo primordiale può essere trattato in questo modo ed emergere al di là dell’apparente singolarità: l’universo del ciclo precedente compie questo passaggio critico attraverso la “soglia” e riemerge nel nuovo universo.
Il secondo scenario è stato sviluppato da Steinhardt e non fa ricorso alla gravità quantistica ma solo alle equazioni della relatività generale, dimostrando che anche in un modello classico è possibile evitare la singolarità e ottenere un Big Bounce, grazie a un campo particolare che trasforma la contrazione in espansione ben prima che l’universo raggiunga la densità critica che produce la singolaritàvi. Queste soluzioni, tuttavia, sono state accolte da rinnovato scetticismo dai sostenitori dell’inflazione. Renata Kallosh ha espresso un giudizio tranchant commentandone i risultati su Scientific American: «Non mi piace il fatto che non ammettano che tutti i loro articoli precedenti dovrebbero essere ignorati. Ora fanno una nuova affermazione, alla quale non credo»vii.
C’è però una possibilità di mettere fine alla querelle. Nonostante il fatto che entrambi riescano a spiegare le proprietà note dell’universo primordiale, il modello cosmologico inflazionario (che prevede il multiverso) e quello dell’universo-fenice (che invece non lo prevede, sostituendolo con cicli cosmici periodici) si differenziano su un punto di rilevanza fondamentale. Nel modello inflazionario lo stiramento delle fluttuazioni quantistiche – normalmente di dimensioni microscopiche – a scale enormi, sotto l’effetto della spinta dell’inflazione, genera un gran numero di onde gravitazionali con caratteristiche particolari. I modelli non-inflativi, come l’universo-fenice, non prevedono questo tipo di onde gravitazionali primordiali. Se le rilevassimo, l’inflazione avrebbe vinto la gara, e non ci sarebbe più spazio per gli universi ciclici nella versione di Steinhardt e Turok.
Queste onde gravitazionali avrebbero lasciato un’impronta chiara sulla radiazione di fondo cosmica dell’Universo, emessa 400.000 anni dopo il Big Bang, quando l’universo è diventato “trasparente” alla radiazione elettromagnetica. Il concetto-chiave qui è quello della polarizzazione: la radiazione elettromagnetica può essere polarizzata o non polarizzata, per esempio quella emessa dal Sole non lo è, ma lo diventa quando entra in atmosfera e colpisce gli atomi che vi si trovano, venendo deviata nello scontro (il fenomeno è detto “dispersione”); il risultato è che il campo elettromagnetico dell’onda inizia a oscillare verticalmente od orizzontalmente in modo perpendicolare rispetto alla direzione di propagazione dell’onda. Anche la radiazione emessa all’epoca del disaccopiamento non era polarizzata, ma ma lo è diventata scontrandosi con l’enorme addensamento del plasma dell’universo primordiale. La presenza di disomogeneità in questo plasma ha permesso alla polarizzazione di preservarsi fino a oggi e lasciare un’impronta caratteristica sul fondo a microonde, di due tipi: quella di “modo E” è l’effetto delle fluttuazione della densità di energia nell’universo primordiale, quella di “modo B” è l’effetto di onde gravitazionali prodotte durante l’inflazione. Scoprire la polarizzazione di modo B del fondo cosmico a microonde costituirebbe la prova finale dell’inflazione e la sconfessione di tutti i modelli non-inflazionari. Nel marzo 2014 fece letteralmente il giro del mondo la notizia che uno degli esperimenti sviluppati per cercare questa prova, BICEP-2, aveva trovato la “pistola fumante”. Mentre Linde e Kallosh vennero ripresi in casa a brindare, e Steinhardt da bravo scienziato ammetteva il fallimento del suo modello, il colpo di scena: la scoperta non era che un abbaglio, dovuto all’interferenza della polvere galattica sulle osservazioni compiute dai palloni-sonda dell’esperimento. Oggi, quindi, i giochi sono ancora aperti ed entrambi i modelli ancora in gara.
Ciao
anto_netti