Cosa c'era prima del Big Bang? La spiegazione del premio nobel Roger Penrose

La teoria del Big Bang è la migliore teoria scientifica che spiega come sia nato il nostro universo. Inizialmente la materia e l'energia erano racchiuse in uno spazio più piccolo di un granello di sabbia. All'improvviso c'è stata una rapida espansione che ha dato origine allo spazio e al tempo. Dunque, per la teoria del Big Bang, non ci può essere un prima perché è proprio da qui che tutto ha avuto origine.

E se questo evento non fosse il vero inizio di tutto? Cosa c'era prima del Big Bang? Il premio Nobel per la fisica, Roger Penrose, contesta la teoria del Big Bang proponendo un modello cosmologico che non solo è in grado di spiegare cosa c'era prima, ma anche cosa ci sarà alla fine del nostro universo. Secondo Penrose, l'universo attuale sarebbe stato generato da un universo precedente, e oggi, nel nostro universo, sarebbero ancora visibili le tracce di quell'universo passato.

Dunque, se il Big Bang non ha creato il nostro universo, come si è formato? E quali sarebbero le prove che confermerebbero l'esistenza di un universo precedente? Roger Penrose è un fisico, matematico, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2020. Nel corso dei suoi anni di ricerche fatte anche con l'astrofisico Stephen Hawking, ha sviluppato una teoria alternativa al Big Bang chiamata Cosmologia Ciclica Conforme.

Ma come mai Penrose non accetta la teoria del Big Bang, nonostante la sua validità, e propone un modello diverso? Qui dobbiamo chiarire un attimo cosa significa teoria scientifica, perché alcuni pensano che le teorie scientifiche siano delle ipotesi inventate dagli scienziati, giusto per spiegare i fenomeni fisici. La teoria del Big Bang non è stata formulata da uno scienziato che si è svegliato la mattina e ha detto "Ah, secondo me l'universo è nato così". La teoria del Big Bang è un solido modello cosmologico che si è sviluppato nel corso dei decenni in accordo con la teoria della relatività di Einstein e supportato da continue osservazioni.

E giusto per chiarezza, ne facciamo brevemente un riassunto: Nel 1929, l'astronomo Edwin Hubble, annunciò il risultato delle sue osservazioni, secondo le quali tanto più una galassia è distante da noi, tanto più velocemente si allontana. Questa scoperta confermava quanto predetto dalla teoria della relatività generale di Einstein pubblicata tredici anni prima, che prevede un universo in espansione. Questo significa che, andando indietro nel tempo, l'universo doveva essere più piccolo, fino ad arrivare ad un momento del passato, in cui tutta la materia ed energia erano racchiusi in uno spazio piccolissimo, una singolarità.

Un'altra prova a sostegno della teoria del Big Bang è la scoperta fatta per puro caso dagli astronomi Penzias e Wilson quando, nel 1964, osservarono che nel cielo era presente un segnale che disturbava la loro antenna. Si capì che quel segnale era il bagliore residuo del Big Bang che permea uniformemente lo spazio. Scoprirono così la radiazione cosmica a microonde, la quale confermava l'esistenza del Big Bang nel passato. Se volete ripercorrere l'intera storia dell'universo, dal Big Bang ad oggi, vi consiglio di vedere questo video molto interessante perché ho concentrato i quasi 14 miliardi di anni dell'universo in un solo anno.

Dunque, una teoria scientifica è basata su osservazioni, misurazioni, esperimenti ed è in grado di fare previsioni precise e fornire prove su quanto afferma. Il tutto in coerenza con gli altri fenomeni fisici conosciuti. Perciò, se la teoria del Big Bang è una teoria così forte e confermata, perché Penrose non la accetta come spiegazione della creazione dell'universo?

Secondo la teoria del Big Bang, il tempo e lo spazio sono iniziati proprio con questo evento. Dunque, cosa c'era prima? Non c'era davvero niente? Secondo questa teoria, non è possibile rispondere a questa domanda perché è la domanda stessa a perdere di significato. Non ha senso parlare di un "prima" del Big Bang. E questo è proprio uno dei limiti di questa teoria.

Roger Penrose vuole spiegare cosa ci fosse prima del Big Bang proponendo un modello chiamato Cosmologia Ciclica Conforme. Con i termini "cosmologia ciclica" ci si riferisce ad un universo che attraversa cicli continui, dove la fine di un ciclo coincide con l'inizio del successivo. Penrose chiama ogni ciclo "Eone". Prima del Big Bang c'era un altro universo, e ci sarà un altro Big Bang alla fine del nostro universo. E questo si ripete ancora e ancora, fino a generare una serie di eoni concatenati, che si creano quando quello precedente finisce.

Non stiamo parlando della teoria del multiverso, secondo cui esisterebbero, ipoteticamente, infiniti universi con versioni alternative di noi stessi. Stiamo parlando di un solo universo che, arrivato alla sua fine, ne genera un altro. Probabilmente, in un futuro molto lontano, l'universo continuerà ad espandersi, diventando sempre più freddo e vuoto. Quell'universo infinitamente esteso assumerà le stesse caratteristiche di un universo infinitamente piccolo, formando un nuovo Big Bang e dunque un nuovo universo.

Attenzione, non ci riferiamo al Big Crunch, cioè ad un universo che arresta la sua espansione fino ad invertirla, per poi collassare su sé stesso, fino a dare origine a un nuovo Big Bang. Nella Cosmologia Ciclica Conforme non c'è nessun Big Crunch. Così come l'espansione dell'eone precedente al nostro ha dato origine al Big Bang, l'espansione del nostro universo sarà il Big Bang di quello successivo, e questo si ripeterà diverse volte.

Ma come è possibile che un universo infinitamente grande possa risultare equivalente ad un universo infinitamente piccolo? La risposta a questa domanda ce la dà la parola "conforme", che è la chiave per passare da un eone all'altro. In un lontano futuro, tra miliardi e miliardi di anni, tutte le stelle si saranno spente e i buchi neri avranno divorato le stesse galassie che li ospitano. I buchi neri supermassicci saranno gli ultimi protagonisti dell'universo. Ma non vivranno per sempre. Il nostro universo in continua espansione diventerà sempre più buio e freddo. La sua temperatura scenderà al di sotto di quella dei buchi neri, che cominceranno quindi ad evaporare, emettendo radiazione di Hawking. L'emissione di questa energia gli farà perdere massa fino alla loro completa scomparsa. A quel punto, nell'universo, tutte le particelle dotate di massa saranno decadute e rimarrà solo radiazione, cioè fotoni.

Bene, in questo nuovo scenario in cui ci sono solo fotoni, si è raggiunta la condizione per la quale la fine di un eone coincide con l'inizio di quello successivo. Non c'è più distinzione tra un universo infinitamente esteso ed uno infinitamente piccolo. Ma come può un universo che si è esteso per miliardi e miliardi di anni luce, diventato freddo e rarefatto, essere considerato equivalente ad un universo piccolo, caldo e denso come al tempo del Big Bang?

Ascoltate attentamente quello che vedremo adesso, perché cambierà il vostro modo di vedere le cose, a tal punto da aprire degli scenari incredibili che non avreste mai pensato prima. Immaginiamo due universi senza massa ma con solo fotoni. Sarete tutti d'accordo nell'affermare che in un universo che si estende per 1 secondo luce, la luce per viaggiare da un estremo all'altro impiegherà un secondo. Così come un universo che si estende per 10 miliardi di anni luce, la luce per viaggiare da un'estremità all'altra impiegherà 10 miliardi di anni. Questi due universi sono equivalenti. Ma come è possibile? L'errore che stiamo commettendo è di valutare il viaggio percorso dalla luce dal nostro punto di vista. Noi siamo degli osservatori esterni che stanno misurando questo fenomeno, ma dobbiamo ricordarci che nel lontano universo ci saranno solo fotoni. Quindi sarà possibile descrivere l'universo solo dal loro punto di vista.

Dalla famosa equazione di Einstein sappiamo che la massa è in relazione con l'energia, mentre dall'equazione di Planck sappiamo che l'energia è legata alla frequenza, quindi al tempo. Mettendo assieme queste due formule, possiamo osservare che tutto ciò che è dotato di massa ha una sua frequenza, cioè un orologio. Ma poiché il fotone è privo di massa, non ha un "orologio", dunque non percepisce lo scorrere del tempo; per lui il tempo non esiste. In questo video mostro cosa vedremmo se viaggiassimo a velocità prossime a quelle della luce. Se sei curioso, dagli uno sguardo. Perciò, il viaggio è istantaneo e non importa se un fotone che lascia il Sole deve raggiungere la Terra o arrivare ad una galassia lontana 10 miliardi di anni luce. Per lui il viaggio non avrà durata, arriverà istantaneamente a destinazione.

Se per il fotone il tempo non esiste, significa che non esistono nemmeno le distanze. L'inizio del viaggio corrisponde con la fine. Dunque, in un lontano futuro, il nostro universo potrebbe contenere solo radiazione, lo spazio ed il tempo non avrebbero significato e quindi l'universo potrebbe essere considerato privo di dimensioni. Praticamente una singolarità! Perciò, il tardo universo infinitamente grande, freddo e rarefatto è equivalente ad un universo infinitamente piccolo, denso e caldo. Questo principio consente il passaggio da un eone all'altro. Ciò che si ridimensiona non è lo spazio, ma lo spazio-tempo.

La geometria conforme riguarda le forme, indipendentemente dalla loro grandezza. Ad esempio, immaginate di dover spiegare ad una persona come si gioca a scacchi: gli descrivereste le regole del gioco senza far riferimento alla grandezza della scacchiera. Che giochiate su una scacchiera normale o su una gigante, le proporzioni tra le pedine o il numero di quadrati della scacchiera restano invariati, così come le regole del gioco. La geometria conforme preserva le "regole" dell'universo a prescindere dalla scala. Perciò, se la scala temporale e spaziale perde di significato, la geometria alla fine di un universo corrisponde con la geometria all'inizio di quello successivo e così via. L'espansione dell'universo arriverà ad un nuovo confine, e quello sarà un nuovo Big Bang. Se non abbiamo una scala per paragonare gli universi, ecco che diventano indistinguibili.

Inoltre, il modello di Penrose, per funzionare, ha bisogno dell'esistenza dell'energia oscura. La teoria della relatività generale di Einstein prevede un termine chiamato lambda che rappresenta la costante cosmologica. Questo termine è oggi associato all'energia oscura, cioè a quell'energia che porta l'espansione dell'universo ad accelerare. La Cosmologia Ciclica Conforme, per portare alla creazione di universi concatenati tra di loro, ha bisogno proprio dell'energia oscura, dunque è in accordo con quanto affermato dalla teoria della relatività.

Penrose fa notare come il Big Bang non sia in grado di spiegare perché ci fosse stata una così bassa entropia all'inizio dell'universo. L'entropia la possiamo riassumere come la quantità di energia che NON può essere utilizzata. All'inizio dell'universo c'era una bassa quantità di energia non utilizzabile, dunque una bassa entropia. Per il secondo principio della termodinamica, l'energia non utilizzabile aumenta naturalmente con lo scorrere del tempo. Abbiamo visto come alla fine di un eone rimangano solo buchi neri. Tanto più un buco nero è grande, tanto maggiore sarà la sua entropia. Per consentire la formazione di un nuovo eone da quello precedente è richiesta bassa entropia, dunque come è possibile che questo avvenga se l'entropia è destinata ad aumentare?

Penrose sostiene che per risolvere questo enigma è necessario presumere che quando i buchi neri evaporano completamente, perdono non solo massa ma anche entropia, portando a una diminuzione complessiva dell'entropia nell'universo. La simmetria tra il passato, il Big Bang, e il futuro, cioè la fine dell'eone, suggerisce che l'universo possa iniziare nuovamente in uno stato di bassa entropia, permettendo così un nuovo ciclo cosmico senza violare il secondo principio della termodinamica. Inoltre, spiegherebbe il motivo per cui il Big Bang avesse avuto un basso livello di entropia.

Sembra che il modello proposto da Penrose sia in grado di rispondere a diverse domande lasciate aperte dalla teoria del Big Bang, ma dove sono le prove a sostegno degli eoni che si ripetono ciclicamente? Secondo Penrose, l'universo precedente avrebbe lasciato delle tracce ancora visibili nel nostro universo, più precisamente nella radiazione cosmica di fondo. Il ridimensionamento conforme non cancella tutte le tracce dell'eone precedente. Come facciamo a saperlo? La radiazione di Hawking emessa dall'evaporazione dei buchi neri si concentra e si trasmette all'eone successivo, lasciando delle "macchie" nella radiazione cosmica di fondo. E in effetti, queste macchie sono state realmente osservate da vari ricercatori.

Questa che vedete è la mappa più dettagliata della radiazione cosmica che siamo riusciti ad ottenere grazie al telescopio Planck dell'ESA. È una specie di fotografia che mostra come era il "giovane universo". I fotoni risalenti al Big Bang sono distribuiti uniformemente, tranne in questi punti particolari in cui si sono formati degli anelli causati proprio dalla radiazione di Hawking emessa dai buchi neri dell'universo precedente.

Ad oggi, però, il modello descritto da Penrose non è accettato da tutti i cosmologi, i quali affermano che le prove delle regioni circolari nella radiazione cosmica di fondo non sono statisticamente significative e che potrebbero essere spiegate da altri fenomeni fisici. Un altro punto messo in discussione è la perdita di massa di tutte le particelle alla fine di un eone. Attualmente, le analisi sperimentali non hanno portato nessuna prova che l'elettrone decada, o per far sì che questo avvenga, bisognerebbe aspettare un tempo di gran lunga superiore all'età attuale dell'universo. Infine, quando i buchi neri assorbono materia, è vero che distruggono l'informazione, ma secondo i fisici l'informazione quantistica non può essere distrutta, quindi quando i buchi neri evaporano, l'entropia dell'universo aumenta.

Il modello di Penrose non può essere né provato né smentito attraverso esperimenti, una caratteristica essenziale per una teoria scientifica. Per questo motivo è difficile accettarlo come tale. Nonostante la Cosmologia Ciclica Conforme offra una visione alternativa dell'universo, a suo favore non ha prove empiriche, a differenza della teoria del Big Bang, che rimane la miglior teoria in grado di spiegare l'origine e l'evoluzione dell'universo.

Questo significa che non dovremmo sviluppare teorie alternative e credere ciecamente a quelle esistenti? No, il progresso scientifico è fatto di tentativi, intuizioni, e se a volte non portano a risultati concreti, possono offrire spunti per nuove scoperte. Anzi, una teoria sbagliata può risaltare l'affidabilità della teoria principale.