Può sembrare un’affermazione impossibile. La teoria della relatività di Einstein, dopotutto, stabilisce che nulla può superare la velocità della luce. Eppure, l’ipotesi dell’inflazione cosmica sostiene qualcosa di apparentemente diverso. Nei primi istanti della sua storia, l’universo attraversò una fase di espansione così rapida che le distanze tra regioni dello spazio aumentarono a una velocità superiore a quella della luce. Ma non c’è contraddizione. Non furono la materia o la radiazione a muoversi nello spazio violando la relatività. Fu lo spazio stesso a dilatarsi.
Il problema dell’orizzonte
È così che l’inflazione cosmica offre una possibile soluzione a uno dei maggiori misteri legati alla radiazione cosmica di fondo: il problema dell’orizzonte. Ovunque la si osservi, questa luce primordiale appare omogenea e isotropa, con variazioni di temperatura inferiori a un decimillesimo di grado.
Qui è importante chiarire un punto fondamentale: ciò che chiamiamo “universo osservabile” non coincide necessariamente con l’intero universo, ma con la regione dello spazio da cui la luce ha avuto il tempo di raggiungerci. Questo limite è legato alla nozione di “orizzonte causale”, cioè la distanza massima entro cui due regioni possono essere state in contatto tramite segnali che viaggiano a velocità finita, come la luce.
Quando la radiazione cosmica di fondo fu emessa, circa 380.000 anni dopo il Big Bang, le regioni dell’universo che oggi osserviamo in direzioni opposte del cielo risultavano, secondo il modello cosmologico standard (basato sulla relatività generale e sulle soluzioni di Friedmann delle equazioni di Einstein), oltre il reciproco orizzonte causale.
Nel 1980 il fisico americano Alan Guth propose una soluzione rivoluzionaria. Forse le regioni dell’universo che oggi appaiono lontanissime non lo sono sempre state. Prima della fase di espansione descritta dal modello del Big Bang caldo, il cosmo avrebbe attraversato un brevissimo periodo di espansione accelerata chiamato inflazione cosmica.
Secondo questa ipotesi, in un intervallo di tempo compreso tra 10⁻³⁶ e 10⁻³² secondi dopo l’inizio dell’espansione, l’universo aumentò le proprie dimensioni di un fattore enorme, probabilmente superiore a 10²⁶. Una regione inizialmente piccolissima, che aveva avuto il tempo di raggiungere l’equilibrio termico, venne improvvisamente dilatata fino a dimensioni immensamente maggiori.
L’inflazione fornisce così una soluzione elegante al problema dell’orizzonte: le regioni oggi osservate ai lati opposti del cielo erano un tempo parte della stessa piccola zona di spazio, già caratterizzata da una temperatura uniforme. La successiva espansione vertiginosa le ha poi portate a distanze oggi apparentemente irraggiungibili.
Il problema della piattezza
Inoltre, la teoria di Guth spiega anche la sorprendente piattezza dello spazio attuale.
Secondo la relatività generale, infatti, lo spazio può essere curvo: su scale immense potrebbe risultare chiuso su sé stesso, come la superficie di una sfera, oppure presentare una curvatura opposta. Tuttavia, le osservazioni mostrano che l’universo osservabile appare estremamente vicino a uno spazio piatto, nel quale le regole della geometria euclidea risultano valide.
L’inflazione offre una spiegazione naturale di questo fatto. Una dilatazione così enorme avrebbe reso qualsiasi curvatura iniziale praticamente impercettibile, proprio come la superficie della Terra appare piatta a chi ne osserva soltanto una piccola porzione.
Il problema del monopolo magnetico
Non solo. L’inflazione potrebbe spiegare anche l’assenza di alcune particelle esotiche previste dalle teorie dell’universo primordiale, come i monopoli magnetici.
Un monopolo magnetico sarebbe una particella dotata di un solo polo magnetico, nord o sud, a differenza dei magneti ordinari che possiedono sempre entrambi i poli. Alcune teorie prevedono che queste particelle dovessero essere prodotte in grande quantità nelle primissime fasi dell’universo. Tuttavia, finora non ne abbiamo osservata alcuna. L’enorme espansione inflazionaria ne avrebbe diluito la densità nello spazio fino a renderle estremamente rare e quindi praticamente impossibili da rilevare.
L’inflazione cosmica ha cambiato profondamente il nostro modo di interpretare i primi istanti dell’universo, offrendo una spiegazione a enigmi che il modello del Big Bang classico lasciava irrisolti. Ma apre a sua volta nuovi interrogativi. Quale fenomeno fisico ha guidato questa fase di espansione così estrema? Quale meccanismo ne ha determinato la fine, lasciando spazio all’universo caldo descritto dal modello del Big Bang?
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