Una delle domande più grandi sul nostro universo è da dove proviene tutto. Quando abbiamo scoperto che le gigantesche spirali nel cielo erano galassie non molto diverse dalla nostra Via Lattea, abbiamo iniziato a capire la grandezza di ciò che percepiamo. Queste lontane "isole dell'universo" non si trovano nella Via Lattea: sono raccolte di miliardi o trilioni di stelle, separate da milioni o miliardi di anni luce nello spazio.
Quando abbiamo scoperto che più una galassia è lontana da noi, più velocemente lascia la nostra prospettiva, una cosa curiosa si è aperta davanti a noi, il che è coerente con la relatività generale: forse non sono le galassie che si stanno allontanando dalla nostra posizione, ma il tessuto dello spazio stesso si sta espandendo. In tal caso, l'universo non deve solo espandersi, ma anche raffreddarsi e la lunghezza d'onda della luce deve estendersi a energie sempre più basse nel tempo. Inoltre, possiamo estrapolarlo non solo in avanti ma anche all'indietro: in un momento in cui l'universo era più piccolo.
Guardando in questa direzione, vediamo che l'universo era più denso, più caldo, espanso più velocemente ed era più compatto. Nella sua prima giovinezza, l'universo era così energico che gli atomi neutri venivano fatti a pezzi, e anche prima non potevano formare nemmeno i singoli nuclei atomici.
Una tale immagine - il Big Bang - è stata confermata dalla scoperta della radiazione reliquia, del fondo cosmico a microonde, dalle misurazioni del suo spettro e delle fluttuazioni, nonché dalla scoperta degli elementi primari rimasti da allora. Ma per quanto allettante possa essere tornare indietro fino a uno stato estremamente caldo e denso, a una singolarità, è semplicemente impossibile nel nostro universo.
Vedi, ci sono alcuni seri problemi che sorgono se provi a tornare indietro fino a questo punto:
- L'universo non si espanderebbe indefinitamente, non collasserebbe immediatamente, non permetterebbe la formazione di stelle o galassie, se il tasso di espansione iniziale e la densità di energia non fossero perfettamente bilanciati.
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- L'universo avrebbe temperature diverse in direzioni diverse - che non osserviamo - se qualcosa non portasse a una distribuzione uniforme della temperatura.
- L'universo sarebbe pieno di reliquie ad alta energia che non sono mai state trovate, a seguito di estrapolazioni arbitrarie al passato.
E ancora, quando osserviamo l'universo, vediamo stelle e galassie; ha la stessa temperatura in tutte le direzioni; non sono visibili reliquie ad alta energia.
La soluzione a questi problemi era la teoria dell'inflazione cosmica, che sostituiva l'idea di una singolarità con un periodo di espansione esponenziale dello spazio e che prescriveva condizioni iniziali tali che non poteva esserci un Big Bang. Inoltre, l'inflazione ha fatto sei previsioni su ciò che dovremmo osservare nel nostro universo:
- Universo perfettamente piatto.
- Un universo con fluttuazioni su una scala più grande della luce potrebbe superare.
- Un universo con una temperatura massima che non sarà arbitrariamente alta.
- l'Universo, le cui fluttuazioni erano adiabatiche, o uguale entropia ovunque.
- L'universo, il cui spettro di fluttuazioni era leggermente inferiore alla natura invariante di scala (n_s <1).
- Infine, l'Universo con un certo spettro di fluttuazioni delle onde gravitazionali.
Il primo è stato confermato, il sesto è ancora da ricercare.
La prossima domanda logica sulle nostre origini sarà, ovviamente, da dove viene l'inflazione? Questo stato è stato eterno rispetto al passato (cioè non ha avuto origine ed è sempre esistito) fino alla fine e alla creazione del Big Bang? Questo stato ha avuto inizio quando è emerso dallo stato non inflazionistico dello spaziotempo in un momento specifico nel passato? O era in uno stato ciclico quando il tempo era bloccato in un ciclo?
La cosa difficile di questo è che non c'è nulla che abbiamo potuto osservare nel nostro universo, che ci ha permesso di scegliere una di queste tre opzioni. In tutti i modelli di inflazione tranne quelli più inverosimili (e diversi da quelli che abbiamo escluso), il nostro universo è stato influenzato solo dagli ultimi 10 (-33) secondi di inflazione o giù di lì. La natura esponenziale dell'inflazione cancella ogni informazione che è nata prima di essa, separandola da tutto ciò che possiamo osservare, facendola uscire dal nostro universo osservabile.
Ma quello che ci resta sotto forma dell'Universo osservabile è enorme: 46 miliardi di anni luce di raggio, 1012 galassie, 1024 stelle, 1080 atomi e circa 1090 fotoni. Ma questi numeri, sebbene astronomici, sono finiti e non ci danno alcuna informazione su ciò che è accaduto nell'universo prima di questa minuscola ultima frazione di secondo di inflazione. Possiamo fare calcoli teorici per cercare di spremere alcune ipotesi in più, ma dipenderanno tutte dal modello scelto. Con l'eccezione di alcuni modelli specifici che lascerebbero impronte osservabili nel nostro universo (la maggior parte non lo fa), non abbiamo modo di sapere come - o anche se - l'universo abbia avuto inizio.
La quantità totale di informazioni a nostra disposizione nell'Universo è limitata, e con essa la quantità di conoscenza che possiamo ottenere al riguardo. Tuttavia, c'è ancora molto da imparare, c'è ancora molto che la scienza non sa. Ma alcune cose che molto probabilmente non sapremo mai. L'universo può essere infinito, ma la nostra conoscenza di esso non lo sarà mai.
