L’Universo potrebbe tornare a rimpicciolirsi: dal Big Bang al Big Bounce?

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Un nuovo modello cosmologico mostra che l’Universo, finita la fase di espansione, potrebbe tornare a farsi piccolo. E dal grande rimbalzo potrebbe tornare a crescere.

Un grande rimbalzo dopo la grande esplosione. È questa, in una manciata di parole, la suggestiva idea di due scienziati, Steffen Gielen, dell’Imperial College London, nel Regno Unito, e Neil Turok, del Perimeter Institute di Waterloo, in Canada: come spiegato sulle pagine di Physical Review Letters, infatti, i ricercatori suggeriscono un nuovo modello cosmologico in cui l’Universo, esaurita l’attuale fase di espansione, potrebbe cominciare a rimpicciolirsi fino a diventare puntiforme per poi “rimbalzare” (donde l’uso dei termini “Big Bounce”, ovvero rimbalzo) e finalmente tornare a crescere, ricominciando il proprio ciclo vitale.

Com’è fatto l’Universo: le più importanti teorie cosmologiche della storia

La teoria del Big Bang, proposta originariamente dal fisico George Lemaitre nel 1927, postula che l’Universo si sia originato tra 13 e 14 miliardi di anni fa a partire da un punto infinitamente denso e finito, una cosiddetta singolarità (Immagine: Hetdex)

La teoria cosmogonica di Anassagora, risalente al quinto secolo avanti Cristo, postulava che lo stato originale del cosmo fosse una “mistura primordiale” di tutti gli elementi, presenti però in quantità infinitesimale. In un certo istante temporale, la mistura sarebbe stata messa in moto rotatorio dall’azione del “nous” (la mente, una sorta di intelligenza suprema che governa il mondo): per effetto della rotazione, tutti gli elementi si sarebbero separati, dando origine all’Universo così come lo conosciamo ora (Luis Augustin Belle – Pericle e Anassagora)

Quarto secolo avanti Cristo: secondo il filosofo greco Aristotele, l’Universo sarebbe un immutabile insieme di sfere concentriche, con la Terra al centro, circondata da pianeti e stelle orbitanti. Cinque gli elementi costituenti: aria, terra, acqua, fuoco ed etere, il “riempitivo” del vuoto cosmico (Andreas Cellarius – Harmonia macrocosmica)

Secondo il filosofo Democrito, vissuto nel quinto secolo avanti Cristo e fondatore della scuola atomista, l’Universo sarebbe composto di particelle minuscole, indivisibili e indistruttibili (gli atomi, per l’appunto), che rimescolandosi insieme avrebbero dato luogo alla materia visibile

Anche Einstein, almeno per un certo periodo, credette all’idea di un Universo “dinamicamente statico”, senza compressione né espansione. Per giustificarlo da un punto di vista matematico, introdusse nelle equazioni una “costante cosmologica”, che successivamente, quando Hubble mostrò inequivocabilmente che l’Universo era in espansione, bollò come “uno dei più grandi errori” della sua vita

Nel terzo secolo avanti Cristo, il matematico Aristarco di Samo rivisitò le teorie di Aristotele, lasciando inalterato il modello a sfere concentriche ma ponendovi al centro il Sole anziché la Terra

Nel 1687, Isaac Newton pubblicò i “Principia”, in cui proponeva l’esistenza di un Universo statico, stabile e infinito, in cui la materia era distribuita in modo uniforme su larga scala

Si tratta del modello cosmologico più longevo di sempre: formulato nel secondo secolo dopo Cristo dal matematico e astronomo egiziano Tolomeo, postulava l’esistenza di un Universo geocentrico in cui i pianeti e le stelle orbitavano attorno alla Terra (fissa) su orbite dette epicicli (Andreas Cellarius – Scenographia Systematis Mundani Ptolemaici)

Si tratta di una delle teorie cosmologiche più antiche, documentata nel libro Hindu Rigveda, scritto in India tra il quindicesimo e il dodicesimo secolo avanti Cristo. Secondo questo modello, l’Universo sarebbe nato da un “uovo cosmico”, il Brahmanda, concentrato in un singolo punto, il Bindu, e contenente il Sole, la Luna, i pianeti, le stelle e le galassie. È un modello non troppo dissimile a quello del Big Bounce: il Brahmanda si sarebbe espanso e successivamente sarebbe collassato di nuovo, in un ciclo infinito

Nel 1543, l’astronomo polacco Niccolò Copernico riportò in auge l’eliocentrismo, proponendo un modello in cui si dimostrava che il moto dei corpi celesti poteva essere predetto senza la necessità di porre la Terra in una posizione speciale al centro dell’Universo

Prima di addentrarci nei dettagli del modello, facciamo un passo indietro. Una delle teorie cosmologiche, chiamata inflazione cosmica, postula che l’attuale Universo sia nato da una cosiddetta “singolarità”, termine con cui i fisici designano un punto a infinità densità di materia ed energia. Tale singolarità sarebbe esplosa all’improvviso, proiettando violentemente verso l’esterno materia ed energia in tempi rapidissimi. Il problema è che le leggi della fisica tradizionali non valgono nei punti di singolarità, quindi è pressoché impossibile prevedere precisamente cosa possa essere avvenuto prima della grande esplosione. Per questo motivo (ma non solo), la teoria dell’inflazione è da tempo oggetto di un acceso dibattito nella comunità dei cosmologi, anche se è considerata “il re non ancora detronizzato”, come ha dichiarato al New Scientist l’astrofisico Robert Caldwell, del Darmouth College.

Idee speculative sulle cause dell’espansione cosmica accelerata

Il modello del “grande rimbalzo” è ritenuto, al momento, una delle più valide alternative all’inflazione cosmica. In questo scenario, il nostro Universo sarebbe nato in seguito alla contrazione di un Universo precedente, un processo che potrebbe ripetersi ciclicamente. È proprio questa l’idea che hanno esplorato Turok e Gielen, facendo qualche aggiustamento alla teoria. “Finora, il modello del Big Bounce”, spiega Turok, “aveva bisogno di aggiustamenti e assunzioni per evitare di incappare nella singolarità. Nel nostro studio, abbiamo tentato un approccio completamente nuovo, per semplificare lo scenario”.

A dirla tutta, il modello non è poi così semplice, almeno per i profani: sostanzialmente, l’idea alla base è che ad altissima energia – come doveva certamente essere quella dell’Universo puntiforme – la materia si comporti come la luce. Ovvero, più precisamente, che la luce sia un’invariante di scala, cioè che le equazioni che descrivono il suo comportamento non siano legate alla sua energia né alle dimensioni dell’Universo in cui è contenuta. In altre parole, secondo il modello di Turok e Gielen, è possibile che tutta la materia presente nell’Universo si contragga e si espanda senza necessariamente passare attraverso una singolarità che alteri le leggi fisiche che ne regolano il comportamento.

“L’Universo può contrarsi fino a un punto e poi espandersi senza che la luce ‘se ne renda conto'”, ha spiegato Turok. “È questo, rozzamente parlando, quello che succede nel nostro modello”. Al momento, i due scienziati hanno applicato il loro principio a un modello “semplificato” di Universo, omogeneo in tutte le direzioni, non molto realistico ma l’unico che ha consentito di risolvere esattamente le equazioni della teoria. “Si tratta di un risultato molto interessante”, ha commentato ancora Caldwell. “Il modello proposto evita l’introduzione di assunzioni e particelle extra. È un passo importante verso lo sviluppo di una teoria alternativa all’inflazione cosmica”. Ci sarà ancora molto da lavorare, adesso, per far tornare i conti usando un modello di Universo più realistico, non omogeneo e che preveda la presenza e la formazione di strutture come stelle, galassie e pianeti. E le cose, inutile dirlo, si faranno molto più complicate.

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