Il mondo fisico di cui siamo parte è costituito da atomi (dimensioni di 10 -8 cm, un cento-milionesimo di cm), a loro volta composti da particelle elementari (elettroni e nucleoni di quark, dimensioni 10 -16 cm) suddivise in 3 grandi famiglie. Oltre alle 12 particelle fondamentali della materia (i Fermioni), esistono particelle che veicolano le 4 forze fondamentali (elettromagnetica, gravitazionale, nucleare forte e debole) dette Bosoni. 
Tutte queste particelle, ad eccezione di tre bosoni (fotoni, gluoni e gravitoni) possiedono massa, che viene misurata in elettronvolt e suoi multipli. A complicare le cose, esiste, per ogni particelle di materia, una particella di antimateria (antiprotoni, positoni o antielettroni, ecc.) e altre particelle simili, cosiddette virtuali, che appaiono nelle realtà fisica solo per istanti, per poi riscomparire. Esse sono però strategiche per farci capire che il nulla non è il niente, ovvero che ciò che appare vuoto intorno a noi, il cosiddetto vuoto quantistico, è pervaso invece di energia, l’energia del vuoto, pronta a generare particelle complementari e di segno opposto, che possono vivere più o meno a lungo prima di tornare nel vuoto quantistico dopo reciproca annichilazione. La scoperta del vuoto quantistico ci consente di comprendere che il nostro universo di materia-energia (sinonimi, come esprime la ben nota E = mc2) nacque per fluttuazioni dell’energia del vuoto, con comparsa di particelle e antiparticelle ma, a causa di tempi di decadimento differenziato tra materia e antimateria, alla fine permase la materia, a formare le strutture cosmiche che vediamo. Importante passo della fisica dei quanti è stata la scoperta che alle particelle sono associati dei campi, generati dalle particelle stesse e con essi interagenti; per es. elettroni che scorrono in un filamento conduttore generano un campo elettromagnetico che attrae altre particella cariche; analogamente, corpi dotati di massa generano un campo gravitazionale (come un peso poggiato su di un telo che viene infossato) il quale attira altre masse, ecc. Il concetto di campo è rilevante per intendere il ruolo del bosone di Higgs, la particella che alle origini del cosmo attribuì massa a tutte le particelle (tranne alcune) proprio perché esse interagirono col Campo di Higgs, generato dal bosone stesso. (Tra l’altro, il fisico scozzese Peter Higgs, convinto agnostico, chiamò il bosone “particella maledetta” poiché non si faceva trovare negli esperimenti, e non particella – Dio o particella di Dio). Per chiarire come l’Higgsone attribuì massa alle altre particelle si ricorre all’immagine di un campo innevato di fresco (il campo di Higgs ) sul quale passano diverse persone: un rapido sciatore lascia un leggero solco, un uomo con una racchetta ai piedi lascia una impronta maggiore, mentre uno con pesanti scarponi sprofonda fino al ginocchio, e così via.
Ecco, a seconda del tipo di interazione col campo, le particelle hanno assunto una propria massa agli inizi del cosmo. Veniamo adesso all’origine dell’universo. Negli anni venti del XX secolo, l’astronomo Edwin Hubble scoperse che dovunque puntasse il telescopio, egli riscontrava un allontanamento delle galassie tra loro, come succede a puntini disegnati su di un palloncino che poi viene gonfiato. Questa espansione dell’universo non accenna a fermarsi, anzi si è visto che ha addirittura accelerato a partire da oltre cinque miliardi di anni fa. Ebbene, se si potesse riavvolgere l’ipotetico filmato della storia del cosmo, si vedrebbe l’universo rimpicciolire fino a convergere tutto in un punto, una regione di spazio puntiforme, che avrebbe densità di materia-energia, temperatura e qualsiasi altro parametro fisico tendenti a valori infiniti: è la cosiddetta Singolarità, non descrivibile dalle leggi della fisica che valgono usualmente. In questa maniera nacque la teoria del Big Bang (grande scoppio) ovvero la nascita dell’universo, circa 13,76 miliardi di anni fa, a partire da una esplosione che coinvolse la singolarità originaria, portando alla formazione dello spazio-tempo, di particelle, di atomi e poi di stelle, pianeti, ecc.
La teoria del Big Bang è parte del Modello Cosmologico Standard, che si crede oramai accettato da tutti, ma non è così. In primo luogo, numerosi fisici detestano il valore infinito (i matematici invece lo adorano) perché è contraddetto da molte esperienze (P. Dirac scoperse l’antimateria proprio eliminando l’infinito dai suoi calcoli) e poi molti respingono l’idea di Singolarità (tutto l’universo in un puntolino?) e quella di esplosione iniziale, che comunque non fu tanto grande (Big), dato che l’universo nato dal presunto B.B. aveva le dimensioni di circa 10 -33 cm (33 zeri prima del numero ). Si tenga presente che la più piccola dimensione di spazio concepibile in fisica è la lunghezza di Planck, appunto 10-33 cm. Comunque, la teoria del B.B. lasciava in sospeso una miriade di domande, tra le quali: perché l’universo è così omogeneo di fondo (isotropismo) ma contiene qua e là irregolarità di radiazione (anisotripismi) e grumi di galassie ammassate, tanto da ricordare una schiuma con grandi bolle di vuoto? Perché le galassie e le loro strutture sono così poco variate? Perché lo spazio-tempo cosmico appare così piano e liscio? Perché dal B.B. sono nati proprio quark, leptoni e le altre particelle che ormai conosciamo, e non altre? Perché non riusciamo a vedere oltre una certa distanza, detta Orizzonte di Hubble, e che cosa c’è dietro?
Dobbiamo al genio di Alain Guth, di Andrej Linde e alcuni altri cosmologi la soluzione di tanti enigmi sollevati dalla teoria del B.B. Essi hanno infatti elaborato la Teoria dell’Inflazione dello spazio-tempo cosmico, integrata subito nel Modello Standard. Secondo l’Inflazione, l’universo appena nato, con le dimensioni di Planck, andò incontro a una rapidissima espansione, detta appunto fase di inflazione, la quale moltiplicò le dimensioni del cosmo di ben 10 50 volte (1 seguito da 50 zeri!) in una frazione di miliardesimi di miliardesimi di secondo (10 -35 sec.) portandolo alle dimensioni equivalenti a quelle di una galassia. L’universo fu così stirato e lisciato in un lampo e i suoi confini allontani tra loro in modo tale che neanche la luce (la cui velocità è assai più piccola di quella della fase inflattiva) poté più far comunicare i suoi estremi (non fu violata la Relatività Speciale di Einstein, perché qui fu lo spazio stesso a dilatarsi più veloce della luce, non un corpo a viaggiare nello spazio). Nella fase inflattiva, le minime variazioni di densità della materia-energia originaria, dovute alle normali fluttuazioni quantistiche (tutti i campi quantizzati fluttuano, con altalenanti valori di energia, come le onde) vennero amplificate, a generare così i semi delle future galassie. In questa maniera si spiega l’isotropia di fondo dell’universo e insieme le sue disomogeneità strutturali, incluse le grandi bolle di vuoto che arrivano anche a centinaia di milioni di anni luce di diametro. Tutto a posto, allora? Neanche per sogno. Infatti, la teoria della Inflazione si sta rivelando reticente a farsi inquadrare nel tradizionale Modello Cosmologico Standard, non accettando di essere secondaria al B.B. e proprio il campo di Higgs l’aiuta nel pretendere il ruolo di protagonista principale nella origine del cosmo. Vediamo come.
Abbiamo visto come il campo di Higgs, un campo quantizzato, generato dal bosone omonimo, ci circondi alla stessa tregua di altri campi (le particelle di materia-energia generano un proprio campo, espresso dalla propria funzione d’onda o di probabilità); ebbene, il campo di Higgs attuale è il residuo del campo di Higgs che agli inizi dell’universo attribuì le masse alle particelle, e che viene detto Inflatone. Senza Inflatone non ci sarebbero state particelle dotate di massa, così come senza fotoni non ci sarebbe stata luce. E infatti nell’universo appena nato non c’erano particelle perché non c’era l’Inflatone. Ma dopo soli 10-11 secondo (un cento-milionesimo di secondo) di vita, alla temperatura di 10 15 gradi (un milione di miliardi di gradi) l’Inflatone condensò, pervadendo il piccolissimo universo (intanto “dilatatosi” da 10 -33 a 10 -26 cm) e spingendolo a una fulminea espansione, appunto di 10 50 volte. L’espansione non dipese da una forza propulsiva positiva, una pressione che spinge, ma da una attrazione gravitazionale negativa, ossia una gravità repulsiva: soltanto così si spiega la geometria piana e liscia della trama spazio-temporale del cosmo (e anche la sua bassa entropia iniziale, in accordo col secondo principio della termodinamica). Ad ogni buon conto, l’espansione cosmica cessò quando la fluttuazione del campo di Higgs-Inflatone si assestò ai livelli minimi di energia, dato che la gran parte di essa si era convertita nella massa delle particelle, conversione via via più rapida col raffreddarsi dell’universo in espansione. Proviamo a riepilogare. Un cosmo che più piccolo non si può (dimensione di Planck), si “dilata” da 10-33 a 10-26 cm (e questo sarebbe stato il Big Bang!), permettendo alla temperatura di “scendere” a 10 15 gradi e quindi al campo di Higgs o Inflatone di prendere consistenza. L’Inflatone scatenò subito la fase inflattiva di espansione cosmica, portando in un battibaleno l’universo da 10-26 a 1024 cm (ovvero 10 19 km). Da li in poi, l’universo non ha più smesso di espandersi, seppur enormemente più lentamente, e continuerà a farlo ancora a lungo, per molti miliardi di anni ancora, finché la energia espansiva (chiamata energia oscura) si esaurirà. La fine della fase inflattiva coincise con la materializzazione delle particelle elementari , e appena più tardi dei nuclei di idrogeno e elio e.. della materia oscura, qualsiasi cosa essa sia (particelle Wimp o altro).
Il lettore attento avrà, a questo punto, compreso che l’universo pre-inflattivo era pervaso di energia del vuoto, ovvero il vuoto quantistico con una energia immane che condensò nell’Inflatone, un campo capace di generare massa e di causare espansione dello spazio-tempo. Dunque il vero Big Bang è stata l’inflazione, che non fu certo esplosione ma espansione, seppur rapidissima e colossale (in ciò fu Big). A questo punto possiamo domandarci: con la teoria dell’Inflazione può la cosmologia dirsi completata? No. Non solo perché esistono varianti della teoria inflazionaria e perfino suoi oppositori (che dovrebbero però spiegare parecchie cosucce) ma soprattutto perché non sappiamo che cosa fosse e da dove sia venuto l’ universo piccolino piccolino pre-inflattivo (siccome l’universo primordiale, di 10-35 cm, ovvero la dimensione di Planck, era tale al tempo 10-43 secondi, ovvero il tempo di Planck, la più piccola unità di tempo concepibile, non è detto che prima e altrove ci sia stato necessariamente qualcosa, cioè che l’universo pre-inflattivo derivi da qualcosa di precedente; oltretutto, per il principio di indeterminazione di Heisenberg, scendere ancor più nelle dimensioni spazio-temporali comporta, per noi come per qualsiasi altra “”intelligenza superiore”, l’impossibilità di definire con ragionevolezza e precisione altri parametri fisici come temperature, pressioni, ecc.). Per alcuni cosmologi, se il campo di Higgs originario condensò in un punto dell’universo primordiale, potrebbe aver ripetuto all’infinito la faccenda, dando luogo a innumerevoli inflazioni e altrettanti universi materiali. Entriamo però qui nella speculazione teorica più azzardata, seppure non inverosimile. Dunque, esiste un solo universo o infiniti universi? L’origine fu da un universo-madre o da un universo ciclico? Una provenienza da una realtà spazio-temporale precedente o una nascita autonoma? Le questioni irrisolte sono ancora tantissime, tuttavia, adesso che abbiamo avuto la pressoché totale certezza dell’esistenza del bosone di Higgs, abbiamo almeno idea di come sia originato il nostro universo, in pieno accordo con il Modello Standard delle particelle e la meccanica quantistica, e la faccenda non è di poco conto. Io per il momento mi accontento, e voi?
Maurizio Magnani
