Per sei mesi all'anno, le pianure perenni scure e spazzate dal vento della calotta polare meridionale hanno una temperatura media di circa 58 gradi Fahrenheit sotto zero. In estate, quando il sole ritorna per la sua giornata di sei mesi, il terreno glaciale difficilmente diventa più invitante, con temperature che salgono a meno 20 gradi. Non è il tipo di posto che la maggior parte di noi sceglierebbe di visitare.
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Ma se sei un astronomo alla ricerca di una raccolta di fotoni che ci scorrevano da subito dopo il Big Bang, allora il Dark Sector Laboratory del Polo Sud è ciò che il Met è per l'opera o lo Yankee Stadium per il baseball. È il posto migliore per praticare il tuo commercio. Con l'aria più fredda e secca della terra, l'atmosfera consente ai fotoni di viaggiare praticamente senza ostacoli, fornendo le immagini spaziali terrestri più nitide mai prese.
Per tre anni, un team di astronomi guidato dal ricercatore Harvard-Smithsonian John Kovac ha sfidato gli elementi per puntare un potente telescopio noto come Bicep2 (un acronimo per il meno eufonico Background Imaging della Cosmic Extragalactic Polarization) in una zona del cielo meridionale. A marzo, il team ha pubblicato i suoi risultati. Se dovessero emergere le conclusioni, apriranno una nuova spettacolare finestra sui primi momenti dell'universo e meritosamente si classificheranno tra i più importanti ritrovamenti cosmologici del secolo scorso.
È una storia le cui radici possono essere ricondotte a storie della prima creazione intese a soddisfare l'impulso primordiale di cogliere le nostre origini. Ma riprenderò la narrazione più tardi, con la scoperta di Albert Einstein della teoria generale della relatività, delle basi matematiche dello spazio, del tempo e di tutto il pensiero cosmologico moderno.
Il piano focale del telescopio Bicep2, mostrato al microscopio, è stato sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA. (Anthony Turner / JPL) 
Le onde gravitazionali allungate dall'inflazione generano uno schema debole ma distintivo, chiamato segnale B-mode, catturato dal bicipite2. (BICEP2) 
Durante l'inflazione (mostrata a sinistra), una forza gravitazionale si è spinta verso l'esterno, allungando l'universo in una piccola frazione di secondo. (WMAP) Il telescopio Bicep2, mostrato al crepuscolo, ha ottenuto il primo rilevamento di un modello d'onda gravitazionale previsto, ha annunciato il suo team. (Steffen Richter / Università di Harvard) Warped Space to the Big Bang
Nei primi anni del XX secolo, Einstein riscrisse le regole dello spazio e del tempo con la sua speciale teoria della relatività. Fino ad allora, quasi tutti aderivano alla prospettiva newtoniana - la prospettiva intuitiva - in cui spazio e tempo forniscono un'arena immutabile in cui si svolgono gli eventi. Ma come lo descrisse Einstein, nella primavera del 1905 si scatenò una tempesta nella sua mente, un torrente acquazzone di intuizioni matematiche che spazzò via l'arena universale di Newton. Einstein sostenne in modo convincente che non c'è tempo universale - gli orologi in movimento scorrono più lentamente - e non c'è spazio universale - i governanti in movimento sono più brevi. L'arena assoluta e immutabile ha lasciato il posto a uno spazio e un tempo malleabili e flessibili.
Fresco di questo successo, Einstein si è quindi rivolto a una sfida ancora più ardua. Per oltre due secoli, la legge di gravità universale di Newton ha fatto un lavoro impressionante nel predire il movimento di tutto, dai pianeti alle comete. Anche così, c'era un enigma articolato dallo stesso Newton: in che modo la gravità esercita la sua influenza? In che modo il Sole influenza la Terra attraverso circa 93 milioni di miglia di spazio essenzialmente vuoto? Newton aveva fornito un manuale del proprietario che consentiva agli matematici esperti di calcolare l'effetto della gravità, ma non era in grado di aprire il cofano e rivelare come la gravità fa quello che fa.
Alla ricerca della risposta, Einstein si cimentò in un'odissea ossessiva e estenuante decennale attraverso arcane matematiche e voli creativi di fantasia fisica. Nel 1915, il suo genio divampò attraverso le equazioni finali della teoria della relatività generale, rivelando finalmente il meccanismo alla base della forza di gravità.
La risposta? Spazio e tempo Già sganciati dalle loro basi newtoniane per la relatività speciale, lo spazio e il tempo sono nati pienamente nella vita nella relatività generale. Einstein dimostrò che, proprio come un pavimento di legno deformato può spingere un marmo che rotola, lo spazio e il tempo possono deformarsi e spingere i corpi terrestri e celesti a seguire le traiettorie attribuite a lungo all'influenza della gravità.
Per quanto astratta la formulazione, la relatività generale ha fatto previsioni definitive, alcune delle quali sono state rapidamente confermate attraverso osservazioni astronomiche. Ciò ha ispirato i pensatori orientati matematicamente in tutto il mondo ad esplorare le implicazioni dettagliate della teoria. È stato il lavoro di un prete belga, Georges Lemaître, che ha anche conseguito un dottorato in fisica, a far avanzare la storia che stiamo seguendo. Nel 1927, Lemaître applicò le equazioni della relatività generale di Einstein non agli oggetti all'interno dell'universo, come stelle e buchi neri, ma all'intero universo stesso. Il risultato fece cadere Lemaître alle calcagna. La matematica mostrava che l'universo non poteva essere statico: il tessuto dello spazio si stava allungando o contraendosi, il che significava che l'universo stava crescendo in dimensioni o in contrazione.
Quando Lemaître avvisò Einstein di ciò che aveva trovato, Einstein lo derise. Pensava che Lemaître spingesse troppo la matematica. Einstein era così certo che l'universo, nel suo insieme, era eterno e immutabile, che non solo respingeva le analisi matematiche che attestavano il contrario, ma inseriva un modesto emendamento nelle sue equazioni per garantire che la matematica si adattasse al suo pregiudizio.
E il pregiudizio lo era. Nel 1929, le osservazioni astronomiche di Edwin Hubble, usando il potente telescopio all'Osservatorio del Monte Wilson, rivelarono che le galassie lontane si stavano precipitando via. L'universo si sta espandendo. Einstein si diede uno schiaffo eufemistico sulla fronte, un rimprovero per non fidarsi dei risultati che uscivano dalle sue stesse equazioni e portò il suo pensiero - e le sue equazioni - in linea con i dati.
Grandi progressi, ovviamente. Ma nuove intuizioni producono nuovi enigmi.
Come aveva sottolineato Lemaître, se lo spazio si sta espandendo, quindi avvolgendo il film cosmico al contrario, concludiamo che l'universo osservabile era sempre più piccolo, più denso e più caldo ancora indietro nel tempo. La conclusione apparentemente inevitabile è che l'universo che vediamo è emerso da un minuscolo fenomenale che è scoppiato, inviando spazio gonfiandosi verso l'esterno, quello che ora chiamiamo Big Bang.
Ma se vero, che cosa ha inviato gonfiore dello spazio? E come si potrebbe testare una proposta così stravagante?
La teoria inflazionistica
Se l'universo è emerso da un atomo primordiale caldo e intensamente denso, come lo chiamava Lemaître, allora mentre lo spazio si gonfiava l'universo avrebbe dovuto raffreddarsi. I calcoli intrapresi alla George Washington University negli anni '40, e successivamente a Princeton negli anni '60, mostrarono che il calore residuo del Big Bang si sarebbe manifestato come un bagno di fotoni (particelle di luce) che riempiva uniformemente lo spazio. La temperatura dei fotoni sarebbe ora scesa a soli 2, 7 gradi sopra lo zero assoluto, collocando la loro lunghezza d'onda nella parte a microonde dello spettro, spiegando perché questa possibile reliquia del Big Bang è chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde.
Nel 1964, due scienziati della Bell Labs, Arno Penzias e Robert Wilson, furono sconfitti, frustrati da una grande antenna a terra progettata per le comunicazioni satellitari. Indipendentemente da dove puntavano l'antenna, incontrarono l'incubo dell'audiofilo: un incessante sibilo di sottofondo. Per mesi hanno cercato ma non sono riusciti a trovare la fonte. Quindi, Penzias e Wilson hanno colto al volo i calcoli cosmologici in corso a Princeton suggerendo che dovrebbe esserci uno spazio di riempimento di radiazioni di basso livello. Il sibilo incessante, realizzarono i ricercatori, derivava dai fotoni del Big Bang che solleticavano il ricevitore dell'antenna. La scoperta è valsa a Penzias e Wilson il premio Nobel del 1978.
L'importanza della teoria del Big Bang salì alle stelle, spingendo gli scienziati a fare leva sulla teoria, cercando implicazioni inattese e possibili debolezze. Sono state portate alla luce numerose questioni importanti, ma la più essenziale era anche la più
di base.
Il Big Bang è spesso descritto come la moderna teoria scientifica della creazione, la risposta matematica alla Genesi. Ma questa nozione nasconde un errore essenziale: la teoria del Big Bang non ci dice come è iniziato l'universo. Ci dice come si è evoluto l'universo, iniziando una piccola frazione di secondo dopo che tutto è iniziato. Mentre il film cosmico riavvolto si avvicina al primo fotogramma, la matematica si rompe, chiudendo l'obiettivo mentre l'evento di creazione sta per riempire lo schermo. E così, quando si tratta di spiegare il botto stesso - la spinta primordiale che deve aver spinto l'universo a testa in giù sul suo percorso espansionistico - la teoria del Big Bang è silenziosa.
Spetterebbe a un giovane postdottorato nel dipartimento di fisica dell'Università di Stanford, Alan Guth, fare il passo vitale per colmare questa lacuna. Guth e il suo collaboratore Henry Tye della Cornell University stavano cercando di capire come certe particelle ipotetiche chiamate monopoli potessero essere prodotte nei primi momenti dell'universo. Ma calcolando in profondità nella notte del 6 dicembre 1979, Guth prese il lavoro in una direzione diversa. Si rese conto che le equazioni non solo mostravano che la relatività generale colmava una lacuna essenziale nella gravità newtoniana - fornendo il meccanismo di gravità - rivelava anche che la gravità poteva comportarsi in modi inaspettati. Secondo Newton (e l'esperienza quotidiana) la gravità è una forza attraente che tira un oggetto verso un altro. Le equazioni stavano dimostrando che nella formulazione di Einstein, la gravità poteva anche essere ripugnante.
La gravità di oggetti familiari, come il Sole, la Terra e la Luna, è sicuramente attraente. Ma la matematica ha mostrato che una fonte diversa, non un ammasso di materia ma invece energia incarnata in un campo che riempie uniformemente una regione, genererebbe una forza gravitazionale che spingerebbe verso l'esterno. E ferocemente. Una regione di un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro di diametro, piena del campo di energia appropriato, chiamato campo di inflaton, sarebbe distrutta dalla potente gravità repulsiva, che potenzialmente si estendeva fino all'ampio universo osservabile in una frazione di un secondo.
E questo sarebbe giustamente chiamato botto. Un grande botto.
Con i successivi perfezionamenti all'implementazione iniziale di Guth della gravità repulsiva da parte di scienziati tra cui Andrei Linde, Paul Steinhardt e Andreas Albrecht, nacque la teoria inflazionistica della cosmologia. Una proposta credibile per ciò che accese il gonfiore esteriore dello spazio era finalmente sul tavolo dei teorici. Ma è giusto?
Test dell'inflazione
A prima vista, potrebbe sembrare una folle commissione cercare la conferma di una teoria che apparentemente operava per una piccola frazione di secondo quasi 14 miliardi di anni fa. Certo, l'universo ora si sta espandendo, quindi qualcosa lo ha portato in primo luogo. Ma è anche concepibile verificare che sia stato innescato da un potente ma breve lampo di gravità repulsiva?
È. E l'approccio utilizza ancora una volta la radiazione di fondo delle microonde.
Per avere un'idea di come, immagina di scrivere un piccolo messaggio, troppo piccolo per essere letto da chiunque, sulla superficie di un palloncino sgonfio. Quindi far saltare in aria il palloncino. Mentre si allunga, anche il tuo messaggio si allunga, diventando visibile. Allo stesso modo, se lo spazio sperimentasse un drammatico allungamento inflazionistico, allora piccole impronte fisiche emerse durante i primi momenti dell'universo sarebbero estese attraverso il cielo, rendendole possibilmente anche visibili.
Esiste un processo che avrebbe impresso un piccolo messaggio nell'universo primordiale? La fisica quantistica risponde con un clamoroso sì. Si riduce al principio di incertezza, avanzato da Werner Heisenberg nel 1927. Heisenberg dimostrò che il micromondo è soggetto a inevitabili "nervosismi quantici" che rendono impossibile specificare simultaneamente determinate caratteristiche, come la posizione e la velocità di una particella. Per i campi che occupano spazio, il principio di incertezza mostra che anche la forza di un campo è soggetta a nervosismo quantico, facendo oscillare su e giù il suo valore in ogni posizione.
Decenni di esperimenti sul microrealm hanno verificato che i nervosismi quantistici sono reali e onnipresenti; non hanno familiarità solo perché le fluttuazioni sono troppo piccole per essere osservate direttamente nella vita di tutti i giorni. È qui che lo stiramento inflazionistico dello spazio entra in gioco.
Proprio come con il tuo messaggio sul pallone in espansione, se l'universo subisse la stupenda espansione proposta dalla teoria inflazionistica, allora i piccoli nervosismi quantici nel campo di inflazione - ricorda, questo è il campo responsabile della gravità ripugnante - verrebbero estesi nel macromondo. Ciò comporterebbe che l'energia del campo fosse un tocco più grande in alcune posizioni e un tocco più piccolo in altre.
A loro volta, queste variazioni di energia avrebbero un impatto sulla radiazione cosmica di fondo a microonde, spingendo leggermente la temperatura in alcuni punti e leggermente in altri. I calcoli matematici rivelano che le variazioni di temperatura sarebbero piccole, circa 1 parte su 100.000. Ma - e questa è la chiave - le variazioni di temperatura riempirebbero un modello statistico specifico attraverso il cielo.
A partire dagli anni '90, una serie di iniziative osservative sempre più raffinate - telescopi terrestri, a palloncino e spaziali - hanno cercato queste variazioni di temperatura. E li ho trovati. In effetti, esiste un accordo mozzafiato tra le previsioni teoriche e i dati osservativi.
E con ciò, potresti pensare che l'approccio inflazionistico sia stato confermato. Ma come comunità, i fisici sono il gruppo più scettico che tu abbia mai incontrato. Nel corso degli anni, alcuni hanno proposto spiegazioni alternative per i dati, mentre altri hanno sollevato varie sfide tecniche all'approccio inflazionistico stesso. L'inflazione è rimasta di gran lunga la principale teoria cosmologica, ma molti hanno ritenuto che la pistola fumante non fosse ancora stata trovata.
Fino ad ora.
Increspature nel tessuto dello spazio
Proprio come i campi nello spazio sono soggetti a nervosismo quantico, l'incertezza quantistica assicura che lo spazio stesso debba essere soggetto anche a nervosismo quantico. Ciò significa che lo spazio dovrebbe ondulare come la superficie di una pentola d'acqua bollente. Ciò non è familiare per la stessa ragione per cui un piano in granito sembra liscio anche se la sua superficie è piena di microscopiche imperfezioni: le ondulazioni avvengono su scale straordinariamente minuscole. Ma, ancora una volta, poiché l'espansione inflazionistica estende le caratteristiche quantistiche nel macrorealm, la teoria prevede che le piccole ondulazioni si trasformino in increspature molto più lunghe nel tessuto spaziale. Come potremmo rilevare queste increspature, o onde gravitazionali primordiali, come vengono chiamate più correttamente? Per la terza volta, l'onnipresente reliquia del Big Bang, la radiazione cosmica di fondo a microonde, è il biglietto.
I calcoli mostrano che le onde gravitazionali avrebbero impresso un motivo a spirale sulla radiazione di fondo, un'impronta iconica dell'espansione inflazionistica. (Più precisamente, la radiazione di fondo deriva da oscillazioni nel campo elettromagnetico; la direzione di queste oscillazioni, nota come polarizzazione, viene attorcigliata sulla scia delle onde gravitazionali.) La rilevazione di tali turbinii nella radiazione di fondo è stata a lungo venerata come il gold standard per stabilire la teoria inflazionistica, la pistola fumante a lungo cercata.
Il 12 marzo, un comunicato stampa che prometteva una "grande scoperta", emesso dal Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian, controllo del suolo nordamericano per la missione Bicep2, ha inviato voci senza fiato che agitavano nella comunità fisica mondiale. Forse i turbinii erano stati trovati? Alla conferenza stampa del 17 marzo, le voci sono state confermate. Dopo oltre un anno di attenta analisi dei dati, il team di Bicep2 ha annunciato di aver ottenuto il primo rilevamento del modello di onde gravitazionali previsto.
Vortici sottili nei dati raccolti al Polo Sud attestano tremori quantici di spazio, allungati dall'espansione inflazionistica, che si diffondono nell'universo primordiale.
Che cosa significa tutto questo?
Il caso della teoria inflazionistica è ora diventato forte, coprendo un secolo di sconvolgimenti nella cosmologia. Ora, non solo sappiamo che l'universo si sta espandendo, non solo abbiamo una proposta credibile per ciò che ha innescato l'espansione, ma stiamo rilevando l'impronta dei processi quantistici che solleticano lo spazio durante quella prima frazione infuocata di secondo.
Ma essendo uno di quei fisici scettici, anche se anche uno che è eccitabile, vorrei concludere con un certo contesto per pensare a questi sviluppi.
Il team di Bicep2 ha svolto un lavoro eroico, ma la piena fiducia nei risultati richiederà conferma da parte di team di ricercatori indipendenti. Non dovremo aspettare molto. I concorrenti di Bicep2 sono stati anche alla ricerca di vortici di microonde. Entro un anno, forse meno, alcuni di questi gruppi potrebbero riportare i loro risultati.
Quel che è certo è che le missioni attuali e future forniranno dati sempre più raffinati che affineranno l'approccio inflazionistico. Tieni presente che l'inflazione è un paradigma, non una teoria unica. I teorici hanno ora implementato l'idea di base della gravità del botto come repulsivo in centinaia di modi (diversi numeri di campi di inflazione, diverse interazioni tra quei campi e così via), ognuno dei quali produce generalmente previsioni leggermente diverse. I dati di Bicep2 hanno già riconosciuto in modo significativo i modelli vitali e i dati futuri continueranno il processo.
Tutto ciò si aggiunge a un momento straordinario per la teoria inflazionistica. Ma c'è una lezione ancora più grande. Escludendo l'improbabile possibilità che con misurazioni migliori scompaiano i turbinii, ora abbiamo una nuova finestra osservativa sui processi quantistici nell'universo primordiale. I dati di Bicep2 mostrano che questi processi avvengono su scale di distanza più di un trilione di volte più piccole di quelle rilevate dal nostro più potente acceleratore di particelle, il Large Hadron Collider. Alcuni anni fa, insieme a un gruppo di ricercatori, ho intrapreso una delle prime incursioni nel calcolo di come le nostre teorie all'avanguardia dell'ultra-piccolo, come la teoria delle stringhe, potessero essere testate con osservazioni della radiazione di fondo a microonde. Ora, con questo salto senza precedenti nel microrealm, posso immaginare che studi più raffinati di questo tipo possano preannunciare la fase successiva nella nostra comprensione della gravità, della meccanica quantistica e delle nostre origini cosmiche.
Inflazione e il multiverso
Infine, lasciami affrontare un problema che finora ho accuratamente evitato, uno che è tanto meraviglioso quanto speculativo. Un possibile sottoprodotto della teoria inflazionistica è che il nostro universo potrebbe non essere l'unico universo.
In molti modelli inflazionistici, il campo di inflazione è così efficiente che anche dopo aver alimentato la spinta repulsiva del nostro Big Bang, il campo è pronto per alimentare un altro big bang e un altro ancora. Ogni botto produce il suo regno in espansione, con il nostro universo relegato in uno tra i tanti. In effetti, in questi modelli, il processo inflazionistico si rivela in genere senza fine, è eterno e quindi produce un numero illimitato di universi che popolano un grande multiverso cosmico.
Con le prove dell'accumulo del paradigma inflazionistico, è allettante concludere che anche la fiducia nel multiverso dovrebbe crescere. Sebbene io sia favorevole a quella prospettiva, la situazione è tutt'altro che chiara. Le fluttuazioni quantistiche non solo producono variazioni all'interno di un dato universo - un esempio primo sono le variazioni dello sfondo a microonde di cui abbiamo discusso - ma comportano anche variazioni tra gli universi stessi. E queste variazioni possono essere significative. In alcune incarnazioni della teoria, gli altri universi potrebbero differire anche nel tipo di particelle che contengono e nelle forze che sono al lavoro.
In questa prospettiva enormemente ampliata della realtà, la sfida è quella di articolare ciò che la teoria inflazionistica prevede in realtà. Come possiamo spiegare ciò che vediamo qui, in questo universo? Dobbiamo pensare che la nostra forma di vita non potrebbe esistere nei diversi ambienti della maggior parte degli altri universi, ed è per questo che ci troviamo qui - un approccio controverso che colpisce alcuni scienziati come un poliziotto? La preoccupazione, quindi, è che con la versione eterna dell'inflazione che genera così tanti universi, ognuno con caratteristiche distinte, la teoria ha la capacità di minare la nostra stessa ragione per avere fiducia nell'inflazione stessa.
I fisici continuano a lottare con queste lacune. Molti credono che si tratti di semplici sfide tecniche all'inflazione che col tempo verranno risolte. Tendo ad essere d'accordo. Il pacchetto esplicativo sull'inflazione è così notevole, e le sue previsioni più naturali allineate in modo così spettacolare all'osservazione, che sembra quasi troppo bello per essere sbagliato. Ma fino a quando le sottigliezze sollevate dal multiverso non saranno risolte, è saggio riservare il giudizio finale.
Se l'inflazione è corretta, i visionari che hanno sviluppato la teoria e i pionieri che hanno confermato le sue previsioni meritano il Premio Nobel. Tuttavia, la storia sarebbe ancora più grande. I risultati di questa portata trascendono l'individuo. Sarebbe un momento per tutti noi di essere orgogliosi e meravigliati del fatto che la nostra creatività e intuizione collettiva abbiano rivelato alcuni dei segreti più profondi dell'universo.
