The anti-Big Bang conjecture

Sono sempre stato affascinato dall’asimmetria barionica, cioè dal fatto che l’universo che conosciamo sembra essere per lo più composto da materia. In teoria non c’è motivo per cui non dovremmo avere la stessa quantità di materia e antimateria nell’universo, ma tutte le osservazioni, al momento, ci dicono che c’è effettivamente uno squilibrio tra materia barionica e materia antibarionica. Infatti, né la relatività generale né il modello standard della fisica delle particelle forniscono una spiegazione di tale asimmetria, anche se ci sono diverse teorie concorrenti che cercano di spiegare questo fatto. Ad esempio, c’è una teoria che assume un piccolo squilibrio tra materia e antimateria all’inizio dell’universo, la cosiddetta bariogenesi, ma non spiega perché sia stata generata materia extra. Infatti, la teoria suggerisce una significativa violazione della simmetria CP dopo il Big Bang, ma non ci sono evidenze sperimentali di tale evento. Pertanto, non esiste un consenso su una singola spiegazione per quel fenomeno.

Un altro fatto interessante è che l’universo sembra espandersi a un ritmo accelerato, mentre ci aspettavamo un comportamento abbastanza diverso. Per tenere conto di tale fatto, alcuni scienziati hanno ipotizzato l’esistenza di una nuova forma di energia strana, la cosiddetta energia oscura. Recentemente alcuni cosmologi hanno supposto che se viviamo in una regione di spazio più vuota della media, allora il tasso di espansione cosmica potrebbe variare con la posizione, il che potrebbe essere scambiato per una variazione nel tempo, o accelerazione. Quindi non ci sarebbe bisogno di un’energia esotica di sorta.

Ultimo ma non meno importante: il Big Bang. Secondo quel modello cosmologico delle condizioni iniziali e dello sviluppo successivo dell’universo, il nostro cosmo si è espanso da una condizione iniziale calda e densa in un tempo finito nel passato, e continua ad espandersi fino ad oggi. Nota che non stiamo dicendo che la materia si stia espandendo all’interno dell’universo, ma che l’universo stesso si sta espandendo, cioè il continuum spazio-temporale. Ma la conservazione dell’energia afferma che non è possibile creare o distruggere energia, quindi la quantità di energia nell’universo attuale deve essere la stessa dell’inizio, cioè al Big Bang. Ma da dove verrebbe tutta quell’energia? Perché c’era una densità e una temperatura infinita in quel tempo finito nel passato? Il Big Bang ci dice come è nato l’universo, ma non da dove ha ottenuto tutta quell’energia.

Quindi abbiamo tre problemi interessanti: asimmetria materia-antimateria, un universo in espansione accelerata e una quantità incredibile di energia concentrata in una singolarità all’inizio dei tempi. Attualmente non c’è nessuna teoria in grado di spiegare tutti e tre questi fatti.

Non ho una teoria neanche io, ovviamente. Una teoria scientifica dovrebbe basarsi su osservazioni, essere supportata da buone matematiche e dovrebbe essere in grado di raccomandare qualche esperimento da eseguire, fornendo ai ricercatori risultati attesi, se corretta. In pratica, dovrebbe essere falsificabile. Non ho nulla di tutto ciò. Quello che ho è un’intuizione, una congettura. Non pretendo che sia più di questo, ma ho deciso di pubblicarla comunque, poiché qualcun altro più esperto di matematica avanzata e fisica potrebbe usarla come punto di partenza per una teoria reale. Nel peggiore dei casi, sarà considerata solo un’idea folle ma, dovessi aver ragione, potrebbe essere un passo significativo in avanti nella comprensione del nostro universo.

Prima di tutto consideriamo la conservazione dell’energia. Come ho accennato sopra, l’energia non può essere creata o distrutta. Questo non è completamente vero, comunque, in meccanica quantistica. C’è una legge chiamata principio di indeterminazione energia-tempo la cui rappresentazione matematica potrebbe essere ΔEΔt≥ħ/2. Una formula fisica è molto diversa da una formula matematica. Non è semplicemente una relazione tra quantità: deve avere un significato fisico, cioè deve essere interpretata. Infatti, ci sono state diverse formulazioni del principio di indeterminazione energia-tempo, e non tutte erano vere. In passato ci sono state diverse speculazioni sul significato di Δt, per esempio. Secondo Einstein e Bohr, un’interpretazione ragionevole di quella formula è che uno stato per un sistema che esiste solo per un breve periodo di tempo non può avere un’energia definita.

Secondo quella formulazione, è possibile che nello spazio vuoto una particella e un’antiparticella siano generate dal vuoto, a condizione che si annichilino a vicenda dopo un intervallo di tempo inferiore a ħ/(4×Ep) dove Ep è l’energia della particella (o dell’antiparticella, poiché hanno la stessa energia). Se queste particelle sono cariche, per esempio nel caso di una coppia virtuale elettrone-positrone, abbiamo un effetto chiamato polarizzazione del vuoto.

Ora, concentriamoci sul Big Bang: una singolarità con una quantità significativa di energia… Perché? Cancelliamolo. Supponiamo che prima dell’universo ci fosse semplicemente… niente. Abbastanza ragionevole, non è vero? Poiché in meccanica quantistica il vuoto è definito come lo stato con la più bassa energia, cioè, in prima approssimazione, uno stato senza particelle, possiamo dire che all’inizio dell’universo non c’erano particelle. Ma l’universo è fatto di particelle. Da dove vengono? Bene, immaginiamo che a causa del principio di indeterminazione energia-tempo una particella e un’antiparticella siano state generate. Ognuna aveva la stessa quantità di energia, cioè, l’energia totale dell’universo. Dopo un periodo di tempo molto breve, ogni particella è decaduta in diverse altre particelle: quindi abbiamo avuto due Big Bang, cioè un Big Bang e un anti-Big Bang. Ognuno genera un universo: un universo basato sulla materia e un universo basato sull’antimateria. Se il tempo di decadimento delle particelle iniziali era inferiore a ħ/(4×U), dove U è l’energia dell’universo, non era più possibile alcuna annichilazione per le due particelle originali: sono nati due universi.

Questa congettura non spiega semplicemente perché c’è una significativa asimmetria tra materia e antimateria nel nostro universo, ma risponde anche alla terza domanda, cioè, non abbiamo bisogno di giustificare una quantità enorme di energia nella singolarità prima del Big Bang. Quindi, che dire della seconda domanda? Bene, non ho una risposta precisa poiché non sono in grado di eseguire i calcoli richiesti, ma se un anti-universo è stato generato contemporaneamente al nostro universo, dovrebbe influenzare anche il nostro universo. Non possiamo vederlo perché è dietro il Big Bang, dalla nostra prospettiva, ma sia le particelle che le antiparticelle sono soggette alle stesse leggi, ad esempio, la gravitazione. Forse il tasso di accelerazione è legato all’influenza dell’anti-universo sul cosmo basato sulla materia, o potrebbe essere una conseguenza del momento iniziale della particella originale, cioè, il Big Bang non è nato da un punto fisso, ma da una particella sparata in una direzione specifica. In tal caso l’universo potrebbe essere qualcosa di diverso da una sfera. Non ho le competenze per calcolarlo. Quindi, non posso andare oltre nella mia congettura e farne una teoria reale.

Quello che spero è che qualcun altro prenda questa idea e dimostri che è totalmente folle o che c’è qualcosa di buono in essa. Ho dato il mio contributo di due centesimi a un dibattito molto antico: l’origine dell’universo. Spero che valga il tempo che ho speso per pubblicarlo.