Appunti di scienza. L’Universo è stabile?

di Domenico Coiante.

Il nostro universo potrebbe sperimentare in futuro un periodo d’instabilità perché si potrebbe verificare una situazione estremamente pericolosa per la stabilità dello stato di equilibrio in cui oggi si trova.

Il vuoto

Che cosa è il vuoto?

La risposta a questa domanda mi era sembrata ovvia tanti anni fa quando, studente di fisica, frequentai il corso di Tecnica del Vuoto tenuto dalla giovane  e brava professoressa Franca Magistrelli presso l’Istituto di Fisica dell’Università di Roma. E’ vuoto ciò che rimane in un contenitore ermetico dopo aver rimosso l’aria e tutti gli altri gas che sono contenuti nello spazio racchiuso fra le sue pareti. Pompe da vuoto di varia e sempre più complicata natura, in associazione alla tecnica criogenica, consentono oggi di ottenere pressioni residue nel contenitore dell’ordine di un centesimo di miliardesimo di millimetro di mercurio, cioè 10^-11 torr (1 torr = 1Torricelli corrisponde ad 1 mm di mercurio  della scala della pressione dove 1 atmosfera vale 760 mm di mercurio). A valori così bassi, la nozione di pressione perde di senso ed è più conveniente ragionare in termini di densità di materia, esprimendola in numero di atomi, o molecole per unità di volume, presenti nell’ambiente. Se si fa così, si trova che a questi livelli di vuoto è ancora presente qualche milione di molecole in ogni centimetro cubo. Ad esempio, è questo il livello di vuoto in cui opera l’acceleratore protonico LHC del CERN di Ginevra.

Per trovare un vuoto maggiore occorre andare nello spazio interstellare, dove in media si raggiunge una densità di circa 10 particelle (protoni, elettroni, fotoni, ecc.) per centimetro cubo.

Come si vede, in natura lo spazio interstellare non è mai del tutto vuoto perché è sempre presente qualche particella dotata di massa materiale, o radiazione elettromagnetica. Nulla, però, c’impedisce di pensare di poter rimuovere anche queste particelle e di immaginare lo spazio svuotato di materia e radiazione. E’ allora questo il vuoto?

No, non è così perche sono ancora presenti i vari campi d’energia che permeano tutto lo spazio, come quello elettromagnetico, quello gravitazionale e quello di Higgs, da poco identificato. Questi possiedono energia e questa, in base alla legge di equivalenza di Einstein, equivale alla presenza di massa.

Immaginiamo allora di poter togliere anche questi agenti fisici: lo spazio è ora completamente vuoto? Le ultime ricerche fatte per rispondere a questo quesito hanno dimostrato che il vuoto così ottenuto è uno stato fisico vero e proprio dello spazio, dotato di interessanti qualità, tra cui un certo livello d’energia potenziale a cui attingono le fluttuazioni quantistiche per creare coppie di particelle di materia e antimateria. Queste appaiono e scompaiono in tempi brevissimi in accordo al principio d’indeterminazione (e pertanto vengono dette virtuali) cosicché il vuoto si presenta sulla scala microscopica come uno stato effervescente, brulicante di numerose coppie di particelle in contina formazione ed annichilazione. Alcuni effetti fisici misurabili, tra cui l’effetto Casimir e quello Lamb, dimostrano la realtà di questa rappresentazione.

Siamo giunti, quindi, alla conclusione che il vuoto fisico non corrisponde al concetto filosofico di assenza totale di ogni cosa, cioè alla stasi universale. Esso è piuttosto una realtà dinamica brulicante di attività, i cui effetti si manifestano quando la scala operativa si riduce al livello delle dimensioni delle particelle elementari. In altri termini, è lo stato fisico posseduto dallo spazio in assenza di ogni forma di particelle e di campi. Di conseguenza esso mostra il livello più basso di energia potenziale, ma non un valore nullo. Su questa acquisizione si fonda il funzionamento dell’intero nostro universo e la sua stabilità.

Può esistere uno stato del vuoto a livello energetico inferiore?

Per cercare di dare una risposta a questa domanda, occorre riassumere brevemente quello che si sa circa le modalità di formazione del nostro universo.

L’inflatone

La teoria oggi più accreditata per ricostruire la storia dell’universo è quella cosiddetta del big bang mediante la quale è possibile farsi un’idea di come si è giunti al valore attuale dell’energia  del vuoto. Una trattazione estesa ed esauriente delle attuali teorie cosmologiche sull’origine ed evoluzione del nostro universo sarebbe troppo impegnativa e ridondante rispetto agli scopi del presente lavoro. A noi basta assumere qualche semplice nozione circa la dinamica di formazione  dello spazio e del tempo. Per maggiori informazioni vedasi il precedente articolo dal titolo “In principio erat verbum…” www.imille.org/2016/12/principio-erat-verbum-verbum-erat-apud-deum-et-omnia-ipsum-facta-sunt-giovanni/

L’inflatone è il campo che pervade ogni punto dello “spazio primordiale”.  Il suo nome deriva dal fatto che esso dà luogo al processo di formazione ed espansione accelerata (inflazione) dello spazio-tempo del nostro universo. Una sua rappresentazione grafica è mostrata nella Fig.1.

Fig.1 – Rappresentazione schematica del campo inflatone

Come si può notare, l’inflatone ha la caratteristica di possedere la massima quantità d’energia in corrispondenza del valore nullo del campo. Si ricorda che il valore del campo determina la probabilità di creazione di particelle elementari. Pertanto, quando l’inflatone ha valore zero, non ci sono particelle e lo spazio primordiale è deserto. In realtà, il valore nullo è un valore medio, perché in base al principio d’indeterminazione esso fluttua statisticamente attorno allo zero tra valori positivi e negativi. Finché lo spostamento dall’origine si mantiene entro la zona piatta apicale, la fluttuazione ha a disposizione un piccolo differenziale d’energia, cosa che permette soltanto piccoli cambiamenti dello stato fisico primordiale. Ciò corrisponde a tentativi casuali di trasformazione dello stato che corrispondono ad altrettanti inizi di formazione di spazio-tempo. In definitiva, le fluttuazioni statistiche possono essere immaginate come tentativi di formazione e successiva scomparsa di piccole bolle-universo. Quindi lo stato primordiale dell’inflatone può essere rappresentato come un mare brulicante di bolle-universo di dimensioni piccolissime, che appaiono casualmente e scompaiono in tempi brevissimi, tentativi di dar luogo alla formazione di universi analoghi al nostro.

A parte le fluttuazioni quantistiche, quando l’inflatone occupa questo stato di massima energia  si trova in una situazione di equilibrio, ma tale stato è instabile, perché basta un’oscillazione quantistica un po’ più ampia per raggiungere la zona di sensibile discesa del profilo di campo e dare il via al processo rigenerativo di caduta a valanga lungo il pendio. E’ proprio quanto si suppone che sia accaduto al nostro universo con il big bang iniziale. Se ci si allontana dallo zero verso valori positivi del campo, l’energia dell’universo decresce sempre più rapidamente. Il decremento energetico si rende disponibile e, pertanto, per il principio di conservazione, l’energia liberata si trasforma: è impiegata per la costituzione degli altri campi ben noti (gravitazionale, Higgs, elettromagnetico, ecc) e per la creazione delle particelle materiali. La velocità di variazione è altissima cosicché in un tempo brevissimo l’energia disponibile diminuisce fino ad un valore minimo, per cui la probabilità di creazione di ulteriori particelle si riduce “quasi” a zero. E’ questo lo stato di vuoto attuale, che abbiamo descritto sopra e che indichiamo come “vero” perché l’energia contenuta assume un valore più basso di quello mostrato nei profili di ogni altro campo. Abbiamo indicato quasi tra virgolette perché, come visto, anche il vuoto vero possiede ancora una certa quantità d’energia, che gli permette di esistere in uno stato fisico dinamico brulicante di coppie di particelle ed antiparticelle, create ed annichilate continuamente. L’universo si mantiene in fondo alla valle nel punto di minimo potenziale, in uno stato di equilibrio (dinamico a causa delle fluttuazioni quantistiche). Esso appare stabile perché ogni spostamento a destra e a sinistra del minimo richiede aumento di energia e questa dovrebbe essere fornita dall’esterno dell’universo, cosa impossibile.

In conclusione, se adottiamo il modello del big bang, il vuoto vero fa da substrato a tutta l’attività dell’universo ed è ciò che oggi rimane dell’esistenza dell’inflatone. Si deduce che l’universo è stabile perché lo stato energetico oggi posseduto dal campo è minimo e ciò gli consente soltanto fluttuazioni statistiche di piccola ampiezza attorno a questo minimo (creazione di coppie di particelle virtuali). Al momento attuale non c’è alcuna evidenza circa l’esistena di un livello inferiore a quello che abbiamo chiamato vuoto vero. Tutto lascia intendere che l’universo si trovi al fondo di una valle d’energia potenziale, dalla quale non può muoversi (a parte le fluttuazioni quantistiche). Perciò è stabile. E siamo tutti contenti.

Possiamo però affermare che tale stabilità è assoluta?

Inflatone esteso

Abbiamo visto che l’inflatone continua ad essere attivo ed il livello energetico raggiunto dal vuoto è minimo, ma non nullo. C’è ancora energia sufficiente per creare particelle, quindi lo stato del vuoto potrebbe ancora decrescere. Il minimo attuale potrebbe essere un minimo relativo ed il profilo del campo potrebbe riprendere a decrescere verso valori più bassi. La situazione potrebbe essere rappresentata come nella Fig.2. Attualmente il nostro universo si trova nella valle del potenziale, in un equilibrio che consideriamo completamente stabile. Tuttavia, in questa rappresentazione estesa dell’inflatone, una delle tante possibili, la sua posizione non è più stabile in assoluto, ma è da considerare metastabile perché esistono stati ad energia inferiore che potrebbero essere occupati. L’impedimento per l’universo a raggiungere questi stati è costituito dall’esistenza di una barriera di potenziale abbastanza alta da non permettere alle fluttuazioni quantistiche di superarla. Ciò da un lato ci rassicura, ma dall’altro è fonte di preoccupazione. La situazione è analoga a quella che si verifica nella fisica dei nuclei atomici. I nucleoni sono confinati nel nucleo per la presenza di una barriera di potenziale dovuta appunto alla forza nucleare. Ciononostante i nuclei radioattivi emettono particelle alfa. Come è stato dimostrato, le particelle non hanno energia sufficiente a scavalcare la barriera di potenziale, tuttavia le troviamo all’esterno. La teoria quantistica ha dato la spiegazione di questo apparente paradosso dimostrando che le particelle possono passare attraverso la barriera per l’effetto detto “effetto tunnel”.

Fig.2 – Rappresentazione schematica dell’inflatone esteso

E’ stato dimostrato in generale che, dove esiste una barriera di potenziale, esiste sempre una probabilità di attraversamento per l’effetto quantistico di tunnel. Naturalmente nel nostro caso questa probabilità deve essere piccolissima, dal momento che il nostro universo è ancora qui dopo circa 14 miliardi di anni.

Probabilità piccolissima, ma non nulla. Nella sua posizione metastabile l’universo continua a fluttuare quantisticamente attorno alla posizione di equilibrio. Niente ci può assicurare che in una delle future innumerevoli fluttuazioni l’universo non possa attraversare per effetto tunnel la barriera di potenziale ed affacciarsi a destra della barriera, sul pendio estremo e qui riprendere la discesa verso uno stato energetico minore. Anche se questo stato fosse immediatamente presente al di là della barriera e il nuovo equilibrio differisse di un infinitesimo in energia dall’attuale stato, una tale eventualità costituirebbe la catastrofe del nostro universo. Basta, ad esempio, considerare che verrebbe modificato il profilo del campo di Higgs con la conseguente variazione di tutte le masse delle particelle e la perdita di stabilità di tutti i nuclei e degli atomi. Un disastro cosmico di cui non ci sarebbe alcuna avvisaglia: la nostra esistenza si svolge tutta in presenza di questa aleatorietà di fondo.

Conclusione

Le precedenti considerazioni sono basate sull’ipotesi cosmologica del verificarsi del big bang secondo la teoria dell’inflazione cosmica. Tale ipotesi è sostenuta da numerose osservazioni sperimentali, che tuttavia non esauriscono l’argomento. Sono possibili altre spiegazioni. In ogni caso abbiamo tracciato uno scenario possibile, che gode di un certo credito presso gli esperti, in base al quale possiamo estrarre una morale.

Il nostro universo potrebbe trovarsi in uno stato metastabile, da cui potrebbe decadere in ogni momento. Si deduce che viviamo in una condizione di precarietà totale che non consente alcuna certezza. Anzi, questa è l’unica certezza. Prendere atto di questo stato di estrema precarietà potrebbe consentire di fare un passo avanti verso la coscienza della nostra esistenza e della sua aleatorietà. Di fronte a questa situazione di totale insicurezza, che senso hanno gli assoluti ideologici di cui si pasce l’umanità?