Prima del Big Bang

La carriera di Alan Guth era nell'aria. Come ambizioso postdoc alla Cornell University nel 1978, Guth stava cercando un modo per contribuire al suo campo della fisica delle particelle, ma la sua ricerca aveva suscitato scarso interesse. Aveva anche bisogno di trovare un lavoro fisso per mantenere sua moglie, Susan, e il bambino, Larry. Ma anche la sua ricerca di lavoro non era andata bene.

Quell'autunno un trio di cosmologi, o teorici del primo universo, aveva vinto il Premio Nobel per la fisica. Presto, le discussioni sull'origine dell'universo e in particolare sulla teoria del big bang, l'idea che l'universo sia iniziato con un'esplosione e che da allora tutta la materia si sia spostata verso l'esterno, ronzarono nelle sale dell'accademia e tra il pubblico in generale. Così, quando un cosmologo venne a parlare alla Cornell, Guth '69, SM '69, PhD '72, andò a sentire cosa aveva da dire. Il conferenziere, Robert Dicke, parlò, tra le altre cose, di un complesso problema cosmologico che gli scienziati non erano stati in grado di risolvere. Certamente ha suscitato il mio interesse, dice Guth. La conferenza di Dicke sembrava puntare alla conclusione che la tradizionale teoria del big bang stesse tralasciando qualcosa di importante. Due anni dopo, nel corso delle sue ricerche in un'area completamente diversa, Guth trovò il pezzo mancante.

Ha introdotto la sua spiegazione nel 1981, chiamandola inflazione. Da allora la teoria ha raccolto molta attenzione. Negli anni dalla sua comparsa, l'articolo originale di Guth è stato citato in più di 2.000 pubblicazioni e lo scorso autunno il suo autore ha ricevuto la prestigiosa Medaglia Dirac, che molti osservatori considerano un precursore di un Premio Nobel. Oggi i cosmologi definiscono l'idea di Guth un nuovo paradigma, una delle poche teorie dell'universo estremamente influenti dell'ultimo mezzo secolo.

La strada per la scoperta

L'ufficio di Guth è una foresta pluviale di fogli sciolti. Sebbene sia spazioso per gli studi di un professore - due o tre volte più grande della maggior parte degli uffici universitari - quasi ogni centimetro di pavimento, mobili e davanzale è disseminato di libri, pezzi di carta, cartelle di manila e periodici. Guth, i cui capelli arruffati scivolano spesso sui bordi degli occhiali, raccoglie idee da queste varie fonti, mettendo insieme i pezzi che suscitano il suo interesse e stimolano la sua immaginazione. Mentre sviluppa le sue teorie, attinge anche a ciò che sa. Guth formò il suo primo sentore della teoria dell'inflazione proprio in questo modo: raccolse una serie di problemi teorici e arrivò a vedere le connessioni tra loro.

La teoria di Guth è nata quasi per caso quando ha iniziato a intrecciare ricerche precedentemente non collegate con il proprio lavoro. Tutto è iniziato con la conferenza in cui Dicke ha descritto il complesso puzzle cosmologico relativo alla quantità e alla distribuzione della materia nell'universo. I cosmologi non sanno esattamente quanta materia ci sia nell'universo. Quando parlano della quantità esistente, la confrontano con una densità critica. Questa densità corrisponde alla quantità di materia necessaria affinché un universo diventi piatto.

All'epoca della conferenza di Dicke, le osservazioni scientifiche mostravano che l'universo era entro il 10% della densità critica, ma oggi i cosmologi possono dimostrare che l'universo è in realtà entro il 5% da esso. Affinché l'universo di oggi si trovi entro il cinque percento della densità critica, l'universo avrebbe dovuto essere estremamente vicino al punto critico un secondo dopo il big bang. Ma nel contesto della teoria del big bang, non c'è alcun motivo noto per cui l'universo sia iniziato vicino alla densità critica, dice Guth. Questo enigma era stato soprannominato il problema della planarità.

Guth descrive un altro modo di pensarci: la densità dell'universo è molto simile a una matita in equilibrio sulla sua punta. Quando è perfettamente bilanciato, è a densità critica. Se nessuna forza lo disturba, rimane in equilibrio. Ma se viene spinto in una qualsiasi direzione, cadrà dal suo punto di equilibrio. In un certo senso, oggi l'universo è vicino a quel punto di equilibrio. Ma gli scienziati non sapevano alcun motivo per cui la matita avrebbe dovuto iniziare direttamente. Davano per scontato il fatto che la gravità attraesse sempre, il che significa che la matita si sarebbe inclinata naturalmente. Guth avrebbe poi scoperto che ci sono circostanze plausibili in cui la gravità respinge.

Il problema della piattezza fece pensare a Guth all'universo primordiale, ma fu il suo lavoro sui monopoli magnetici - un campo apparentemente non correlato che in seguito combinò con la cosmologia - che portò a quella che sarebbe diventata la sua teoria dell'inflazione. I monopoli sono un tipo teorico di particella elementare magnetica con una singola carica. Henry Tye, un altro postdoc alla Cornell, si era interessato alle teorie che prevedevano l'esistenza di monopoli magnetici, e si avvicinò a Guth per cercare di determinare quanti sarebbero stati creati nel big bang, quando si pensava che tutte le particelle fossero state create . All'inizio, dice Guth, ho pensato che fosse un modo folle per perdere tempo. Ma sperando ancora di farsi un nome in fisica, accettò di aiutarlo.

La coppia alla fine ha dedotto che l'universo dovrebbe nuotare nei monopoli, ma non è così. Calcolarono anche il peso dei monopoli e scoprirono che dovevano essere molto pesanti. Questi risultati erano proprio il tipo di contributo che Guth stava cercando, ma prima che lui e Tye potessero pubblicare i loro risultati, un altro giovane ricercatore li batté sul tempo.

Così hanno iniziato a cercare un'altra innovazione. Hanno iniziato a chiedersi come potevano modificare le teorie che prevedono i monopoli magnetici per spiegare la completa assenza dei monopoli. Hanno ragionato che il superraffreddamento - l'abbassamento della temperatura al di sotto del punto di congelamento senza indurre il congelamento - nell'universo primordiale avrebbe impedito la produzione dei monopoli. Questa volta, hanno pubblicato immediatamente i loro risultati.

Successivamente, Tye suggerì di calcolare l'effetto che il superraffreddamento avrebbe potuto avere sul tasso di espansione dell'universo. Una sera tornai a casa e feci quel calcolo, ricorda Guth. In effetti, il superraffreddamento influenza enormemente il tasso di espansione dell'universo, dice, inviando l'universo in questa espansione esponenziale, che è ciò che ora chiamiamo inflazione. In questo caso, ha teorizzato Guth, la gravità funziona al contrario.

Guth ipotizzò che l'intero universo fosse all'inizio cento miliardi di volte più piccolo di un protone. L'universo era governato dalle leggi dell'interazione delle particelle, che gli scienziati ancora non comprendono appieno. La forza gravitazionale repulsiva dell'inflazione ha ingrandito l'universo delle dimensioni di un puntino in appena una piccola frazione di una frazione di secondo, facendo sembrare la crescita un'esplosione. E poi l'inflazione si è fusa nella teoria del big bang.

Avendo postulato un evento così importante, dice Guth, quella stessa notte, mi resi conto che questa espansione esponenziale avrebbe risolto il problema della planarità. E questo, ovviamente, mi ha reso tremendamente eccitato.

fare onde

In che modo l'inflazione risolve il problema della planarità? L'idea di Guth era che la matita metaforica non dovesse iniziare dal suo punto; invece avrebbe potuto iniziare in una posizione di ribaltamento. La sua teoria suggerisce che la gravità è stata invertita alla creazione dell'universo, quindi la matita metaforica sarebbe stata tirata su da una posizione orizzontale fino a quando non si sarebbe fermata sulla sua punta. In altre parole, non è necessario presumere che l'universo primordiale sia iniziato a densità critica. In effetti, potrebbe essere iniziato lontano da quello perché la gravità inversa farebbe muovere l'universo verso densità critica.

L'inflazione ha risolto un altro problema. Il big bang avrebbe dovuto produrre un universo con temperature di radiazione che vanno dal caldo al freddo. Ma gli scienziati avevano scoperto che su larga scala le temperature sono omogenee in tutto l'universo. Hanno avuto difficoltà a spiegare questa omogeneità, dato che non c'è stato abbastanza tempo perché la radiazione si uniformasse in tutto l'universo. L'inflazione spiega questo cosiddetto problema dell'orizzonte perché l'omogeneità su larga scala sarebbe stata stabilita quando l'universo era ancora più piccolo di un protone, e si è semplicemente estesa a ciò che vediamo oggi.

Immagine di John MacNeill.

Le soluzioni di Guth diedero inizio a una rivoluzione in cosmologia, ma la sua eccitazione iniziale fu presto seguita dall'ansia. Era un giovane ricercatore senza incarico di facoltà, e non era sicuro della sua teoria. Ero molto nervoso perché sentivo che c'erano troppe cose al riguardo che davvero non capivo. Avevo paura che in qualche modo esplodesse. Nonostante le sue preoccupazioni, all'inizio del 1980 Guth spiegò l'inflazione in una serie di conferenze per cosmologi in tutto il paese.

Alan ha dimostrato un coraggio insolito, specialmente per qualcuno senza un posto di lavoro o addirittura una posizione di facoltà, nel promuovere l'inflazione, afferma Michael Turner, un astrofisico dell'Università di Chicago.

Coloro che lo hanno sentito sono rimasti incuriositi e presto sono emerse offerte per posti di facoltà, anche se non dal MIT. Tuttavia, Guth voleva tornare alla sua alma mater, quindi quando un biscotto della fortuna gli ha detto che un'opportunità entusiasmante è davanti a te se non sei troppo timido, ha chiamato il MIT e si è offerto come potenziale cliente. Nello stesso anno venne all'Istituto come professore associato in visita. Oggi, come professore di fisica Victor F. Weisskopf, lavora in fondo al corridoio da suo figlio Larry, uno studente laureato in matematica. Larry lavora nell'ufficio occupato da suo padre come studente laureato, una coincidenza che Guth trova estremamente carina.

Alcune delle preoccupazioni di Guth sulla validità della sua teoria non erano infondate. Con l'aiuto di Erick Weinberg della Columbia University, Guth scoprì che la sua idea era leggermente errata. La sua spiegazione del modo in cui l'inflazione ha portato al big bang non ha funzionato. Ma poiché Guth credeva nell'importanza dell'inflazione, scrisse un articolo che descriveva sia la sua teoria che i suoi problemi.

Ha scritto un articolo dicendo: Penso che questa sia un'idea molto importante, ma posso dimostrare che non funziona nella forma che sto proponendo', dice Turner. Ha invitato altri scienziati a pensare all'inflazione e a migliorarla. Altri tre cosmologi hanno risposto alla sua sfida. Lo scienziato russo Andrei Linde e, indipendentemente, i ricercatori statunitensi Paul Steinhardt (Princeton University) e Andreas Albrecht (Università della California, Davis) hanno escogitato una modifica che ha evitato il difetto. L'hanno chiamata nuova inflazione. Guth condivide la medaglia Dirac 2002 con Linde e Steinhardt.

L'inflazione è un'idea molto eccitante che ha riunito i fisici in una serie di sottodiscipline e che ha motivato alcuni degli esperimenti più eccitanti della scienza oggi, afferma Steinhardt. Linde, ora alla Stanford University, afferma che l'idea di Guth ha contribuito a cambiare la cosmologia moderna. In effetti, ha ispirato circa 30 teorie-varianti che utilizzano l'inflazione come base.

Poco dopo l'introduzione della nuova inflazione, Guth e altri sei fisici iniziarono a studiare l'origine delle fluttuazioni di densità nel nuovo modello. Hanno predetto un modello di come queste fluttuazioni sarebbero apparse nella temperatura di radiazione dell'universo. Oggi i satelliti e gli esperimenti basati su palloni mostrano che il modello previsto è straordinariamente accurato. Turner, che studia questa radiazione, afferma di essere fiducioso che nel prossimo decennio queste misurazioni forniranno una prova definitiva dell'inflazione.

Guth, che è un membro della National Academy of Sciences, minimizza il suo ruolo nell'influenzare la direzione di così tante nuove ricerche. L'inflazione sarebbe stata inventata, che l'avessi inventata io o no, dice. Era praticamente solo un mettere insieme idee che erano già note a un fisico o all'altro. C'erano solo un sacco di possibilità coinvolte nel mio venire con l'idea.

Ma per Turner e per innumerevoli altri che meditano sul cosmo, è chiaro che i contributi di Guth hanno fornito una chiave per molti progressi recenti, sia sperimentali che teorici. L'idea di inflazione di Alan ha rivoluzionato il modo in cui i cosmologi pensano all'inizio dell'universo, dice Turner. Secondo me, è l'idea più importante dopo il big bang stesso.

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