Descrizione e origini della teoria dell'inflazione

Teoria dell'inflazione riunisce idee della fisica quantistica e della fisica delle particelle per esplorare i primi momenti dell'universo, seguendo il big bang. Secondo la teoria dell'inflazione, l'universo è stato creato in uno stato di energia instabile, che ha costretto una rapida espansione dell'universo nei suoi primi momenti. Una conseguenza è che l'universo è molto più grande del previsto, molto più grande della dimensione che possiamo osservare con i nostri telescopi. Un'altra conseguenza è che questa teoria prevede alcuni tratti - come la distribuzione uniforme di energia e la geometria piatta dello spaziotempo - che non era stata precedentemente spiegata nell'ambito della teoria del big bang.

Sviluppata nel 1980 dal fisico delle particelle Alan Guth, la teoria dell'inflazione è oggi generalmente considerata una componente ampiamente accettata della teoria del big bang, anche se le idee centrali della teoria del big bang erano ben stabilite per anni prima dello sviluppo della teoria dell'inflazione.

Le origini della teoria dell'inflazione

La teoria del big bang si è dimostrata abbastanza efficace nel corso degli anni, soprattutto se confermata dalla scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). Nonostante il grande successo della teoria per spiegare la maggior parte degli aspetti dell'universo che abbiamo visto, rimanevano tre problemi principali:

• Il problema dell'omogeneità (o, "Perché l'universo era così incredibilmente uniforme solo un secondo dopo il big bang ?;" come viene presentata la domanda in Endless Universe: Beyond the Big Bang)
• Il problema della piattezza
• La sovrapproduzione prevista di monopoli magnetici

Il modello del big bang sembrava prevedere un universo curvo in cui l'energia non era distribuita in modo uniforme e in cui c'erano molti monopoli magnetici, nessuno dei quali corrispondeva alle prove.

Il fisico delle particelle Alan Guth ha appreso per la prima volta del problema della piattezza in una conferenza del 1978 alla Cornell University di Robert Dicke. Nel corso dei prossimi due anni, Guth applicò concetti dalla fisica delle particelle alla situazione e sviluppò un modello di inflazione dell'universo primordiale.

Guth presentò le sue scoperte in una conferenza del 23 gennaio 1980 al Stanford Linear Accelerator Center. La sua idea rivoluzionaria era che i principi della fisica quantistica nel cuore della fisica delle particelle potevano essere applicati ai primi momenti della creazione del big bang. L'universo sarebbe stato creato con un'alta densità di energia. La termodinamica impone che la densità dell'universo l'avrebbe costretto ad espandersi molto rapidamente.

Per coloro che sono interessati a maggiori dettagli, essenzialmente l'universo sarebbe stato creato in un "falso vuoto" con il meccanismo di Higgs disattivato (o, in altre parole, il bosone di Higgs non esisteva). Avrebbe attraversato un processo di super raffreddamento, alla ricerca di uno stato di energia inferiore stabile (un "vero vuoto" in cui si è attivato il meccanismo di Higgs), ed è stato questo processo di super raffreddamento che ha guidato il periodo inflazionistico di rapida espansione.

Quanto velocemente? L'universo avrebbe raddoppiato le sue dimensioni ogni 10^-35 secondi. Entro 10^-30 secondi, l'universo sarebbe raddoppiato in dimensioni 100.000 volte, il che è un'espansione più che sufficiente per spiegare il problema della piattezza. Anche se l'universo avesse una curvatura all'inizio, quella grande espansione lo farebbe apparire piatto oggi. (Considera che la dimensione della Terra è abbastanza grande da sembrarci piatta, anche se sappiamo che la superficie su cui ci troviamo è l'esterno curvo di una sfera.)

Allo stesso modo, l'energia viene distribuita in modo così uniforme perché quando è iniziata eravamo una parte molto piccola dell'universo e quella parte dell'universo si espandeva così rapidamente che se ci fossero state importanti distribuzioni irregolari di energia, sarebbero state troppo lontane per noi percepire. Questa è una soluzione al problema dell'omogeneità.

Raffinazione della teoria

Il problema con la teoria, per quanto Guth poteva dire, era che una volta iniziata l'inflazione, sarebbe continuata per sempre. Sembrava che non esistesse un chiaro meccanismo di spegnimento in atto.

Inoltre, se lo spazio si espandesse continuamente a questo ritmo, allora un'idea precedente sull'universo primordiale, presentata da Sidney Coleman, non funzionerebbe. Coleman aveva predetto che le transizioni di fase nell'universo primordiale avvenivano mediante la creazione di minuscole bolle che si fondevano insieme. Con l'inflazione in atto, le minuscole bolle si stavano allontanando l'una dall'altra troppo in fretta per fondersi mai.

Affascinato dalla prospettiva, il fisico russo Andre Linde attaccò questo problema e realizzò che c'era un'altra interpretazione che si occupava di questo problema, mentre da questo lato della cortina di ferro (erano gli anni '80, ricordate) arrivarono Andreas Albrecht e Paul J. Steinhardt con una soluzione simile.

Questa nuova variante della teoria è quella che ha davvero preso piede negli anni '80 e alla fine è diventata parte della consolidata teoria del Big Bang.

Altri nomi per la teoria dell'inflazione

La teoria dell'inflazione prende diversi altri nomi, tra cui: