Il Big Bang non c'è mai stato (o almeno credo)

Il Big Bang non c’è mai stato (o almeno credo). Ho un amico perennemente incazzato: “Più il tempo passa più pare che il mondo vada nel casino”. “È l’Entropia che non può mai diminuire in un sistema dinamico isolato”. “Ma che c’entra l’Entropia con il casino?”. A questo punto bisognerebbe spiegare al mio amico un poco di Termodinamica Statistica, parlargli di Ludwig Boltzmann e della equazione che ha voluto venisse incisa sulla sua lapide, ma tutto questo richiederebbe una decina di pagine di formule e spiegazioni complicate. Così preferisco parlargli di mia nonna che diceva sempre: “Ai miei tempi il mondo era enormemente meno complicato”.

Nota della redazione: In questi articolo verranno esaminate delle congetture prive di ogni conferma sperimentale avanzate negli anni.

Big Bang e universo in espansione

Prima del 1915, l’Universo era per la scienza (tutti tranne Lemaitre) perfettamente isotropo e stazionario, almeno su grande scala. Lo stabiliva il Principio Cosmologico nonostante, nell’antichità, molti filosofi avessero proposto alternative basate su sfere e cerchi concentrici più o meno ruotanti. Lo stesso Einstein era stato costretto ad introdurre una variabile nella equazione di campo della Relatività Generale (Costante cosmologica Lambda) per consentire soluzioni coerenti con il Principio Cosmologico

Poi è arrivato Edwin Hubble, nel 1929, e ha sconvolto tutti con la sua Legge sul Red Schift delle galassie lontane. Einstein era tanto sconvolto da definire Lambda “il più grave errore della mia vita“. Le galassie si allontano tra loro con velocità dipendente dallo spostamento verso il rosso dello spettro della luce emessa. Lemaitre ci era arrivato nel 1929, poco prima di Hubble, sulla base di una soluzione della equazione di Einstein.

La storia della evoluzione del pensiero scientifico, relativamente alla evoluzione dell’Universo, è sicuramente affascinante, ma ci porterebbe lontano dal nostro obiettivo: verificare se il Big Bang ha senso. Sino ad ora, tutto ciò che possiamo ammettere sulla scorta delle opinioni del mio amico e di mia nonna è che “più il tempo passa, più aumenta la confusione” che qualcuno fa coincidere con l’Entropia.

Universo in contrazione

Visto che l’Universo in Espansione non ci ha condotto da nessuna parte, vediamo cosa succede facendo scorrere la registrazione (nastro, disco rigido, memoria statica, ecc.) a rovescio. L’Universo apparirebbe inizialmente come lo vediamo oggi: in espansione, dotato di una Entropia S_i elevata ma neanche poi tanto visto che i sistemi planetari (delle stelle attualmente visibili) sono rigorosamente e dinamicamente stabili, e che le esplosioni di buchi neri, stelle neutroni, quasar, ecc. sono tanto rare da generare disordine solo locale.

Ora, un ulteriore passo nel passato, diciamo di 100.000 anni: l’Universo è (era se vogliamo essere pignoli) più piccolo, l’Entropia era minore e la temperatura locale (relativa ad ogni corpo osservabile) più elevata. Tale condizione è perfettamente in linea sia con la definizione classica di Entropia (dS/dQ/T: dove per far diminuire S è necessario che aumenti T) sia con la condizione intuitiva di alta temperatura che ammette una maggiore possibile distinzione (separazione) tra molecole veloci e molecole più lente.

Ora un altro salto a ritroso, diciamo di 13 Miliardi di anni: siamo ormai molto vicini al Big Bang, che gli ultimi rilievi sperimentali specie dovuti al Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), relativi alla radiazione di fondo, stimano a 13,78 miliardi di anni fa. La temperatura dell’Universo veleggia attorno agli 80-100 miliardi di gradi Celsius. L’Entropia è estremamente bassa, l’Universo è decisamente ordinatissimo (non vi sono più corpi freddi, tutto ha (quasi) la stessa temperatura), la velocità di espansione (quindi , vista a rovescio quella di contrazione) è molto alta.

Ultimo passo: l’Universo è un punto geometrico una Singolarità matematica, dove: Spazio, Tempo, Energia, e Materia tendono all’infinito e l’Entropia tende a Zero. Tutto è perfettamente ordinato, immobile, isotropo (S → 0).

Chi ha dato avvio all’ Universo? Il Big Bang?

La domanda appare ovvia: ma se l’ universo è isolato, nulla può transitare tra i suoi confini. E ci mancherebbe altro: l’Universo (nella accezione comune) è omni-comprensivo: Materia. Energia, Tempo, Spazio quindi è ovvio che non esista un “fuori” e un “dentro” che non esistano “confini” né una entità materiale od immateriale che “da fuori” possa intervenire sulla Singolarità Matematica. Ma se l’Universo è perfettamente isotropo, come ha fatto ad arrivare allo stato attuale con l’Entropia che dallo Zero iniziale è arrivata ad S_i? Qualcuno o qualcosa deve essere intervenuto!

Paradosso

Il paradosso di un Universo attuale, rilevabile sperimentalmente, contro la teoria di un Universo che non si è mai potuto espandere partendo da una Singolarità a densità infinita, viene nel presente paragrafo, analizzato su basi (quasi) esclusivamente logiche:

La regressione temporale (Universo in contrazione) deriva da una estrapolazione inversa delle rilevazioni relative all’ Universo in espansione degli ultimi 200 anni (un tempo cosmologicamente infinitesimale). Quindi la regressione temporale avrebbe potuto seguire uno sviluppo totalmente differente e non giungere mai ad un Universo matematicamente Singolare.
L’Entropia è una funzione casuale del Tempo (non deterministica). Il II Principio che asserisce che “in un sistema isolato l’Entropia non è mai decrescente” afferma un verità casuale. Esiste quindi la possibilità che si verifichi l’inversione della Freccia dell’Entropia, sia pure con probabilità estremamente bassa. Ciò può significare che, a partire da un Universo totalmente isotropo e stazionario, casualmente l’Entropia inizi ad aumentare consentendo una iniziale espansione.
Fluttuazioni quantistiche casuali è una ipotesi che riporta alla dimensione quantistica quanto indicato al punto 2 in area classica.

Il problema di un Universo in contrazione sino ad una singolarità dove massa, energia, e spaziotempo vengono annullati sembra non avere una soluzione logica dato che infrangerebbe molti Principi fondamentali della Fisica

Una soluzione scientifica del Paradosso: Conformal Cyclic Cosmology

Poiché, con assoluta certezza, nessuna teoria cosmologica può essere assoggettata a verifica sperimentale completa, dalla nascita alla morte del cosmo, nessuna teoria può considerarsi definitiva. Nel corso dei secoli ad ogni congettura è seguito uno o più Paradossi, parzialmente risolti da una nuova Congettura in un ciclo chiuso che si ha la certezza logica non potrà mai avere termine. “Never run after a bus, a woman, or a cosmological theory. There will always be another one in a few minutes.” J.A. Wheeler.

Allo stato attuale della ricerca teorica, uno delle Teorie più complete è la Conformal Cyclic Cosmology proposta da Sir Roger Penrose nel 2001:

“La cosa difficile da capire sulla CCC è proprio questa: in ogni eone l’universo si espande da zero a infinito”, ma l’infinito futuro di ogni eone coincide esattamente con il Big Bang dell’eone successivo. Questo processo anti-intuitivo è possibile grazie alla scomparsa della massa – ovvero, delle masse a riposo delle particelle – negli estremi iniziale e finale dei due eoni. Senza massa a riposo non è possibile nessuna misura del tempo, e pertanto nessuna misura dello “spazio”.

Nota: eone = ognuno degli infiniti stati in cui si trova l’Universo ciclico

La CCC prende avvio dalla II Legge della Termodinamica che stabilisce una crescita indefinita della Entropia di un sistema dinamico isolato (e più isolato e dinamico dell’Universo non vi è nulla). Ma ciò che nessuno insegna all’Università è che esiste anche un Terzo Principio ( almeno così definito in modo un poco improprio) che stabilisce:

“l’entropia di ogni sistema allo zero assoluto può essere sempre posta uguale a zero.” Walther Nerst

Ora se un sistema in espansione ha raggiunto la massima Entropia, significa che ha raggiunto la max uniformità nella distribuzione della sua massa e della sua energia; la sua temperatura ha raggiunto lo zero (morte termica) e la sua Entropia è nulla (III Principio); più dettagliatamene:

S = Q_rev//T

se S cresce (II Principio), T deve diminuire e, quando T = 0 (Kelvin), S = 0 (Principio di Nerst).

Ma Entropia nulla è esattamente lo stato raggiunto in un processo di regressione temporale (terzo paragrafo) dove (invertendo virtualmente il senso di espansione esistente) si raggiunge la nascita dell’Universo. Ecco allora spiegata la anti-intuitiva Conformal Cyclic Cosmology dove la fine di un Universo coincide termodinamicamente (e quantisticamente) con la nascita di un nuovo Universo (o meglio con un nuovo stato dell’Universo). Non vi è alcun Big Bang è neppure alcuna Morte Termica poiché i due eventi sono di fatto coincidenti.

Purtroppo sia la Conformal Cyclic Cosmology che la sintetica interpretazione di questo articolo sono solo Congetture prive di ogni conferma sperimentale (se non per qualche molto indiretta interpretazione di increspature sulla radiazione di fondo mai completamente confermate).