Paradosso degli orizzonti e inflazione

Ci chiediamo allora se la curva che mostrava lo spettro di corpo nero della CBR mostrato nella pagine precedente si ripeta identica per ogni direzione del cielo. Ebbene sì: le misure dimostrano che il segnale della CBR è omogeneo entro 10 parti su milione.

In realtà il segnale è fin troppo omogeneo : spieghiamo in che senso. I risultati di Cobe mostrano che anche regioni che all'epoca della ricombinazione erano più distanti tra loro di 380.000 anni luce, e quindi non avevano avuto il tempo , in tutta la loro storia precedente di interagire, hanno temperature praticamente identiche. Come può essere possibile ?

La questione è nota come Paradosso degli orizzonti. Vediamo di spiegarlo meglio: ogni segnale viaggia nello spazio con una velocità finita inferiore o, al massimo uguale alla velocità della luce. La terra oggi può essere dunque raggiunta solo da quei segnali che distano da noi meno di cT essendo T l'età dell'Universo.
Esiste dunque un orizzonte cosmologico, ossia un limite oltre il quale non si può vedere, a causa della finitezza della velocità di propagazione dei segnali. L'orizzonte cosmologico ovviamente si estende nel tempo e a poco a poco eventi prima esterni al nostro orizzonte possono entrarvi.

Quando si guarda il cielo di notte, le distanze tra noi e i vari oggetti ci consentono di vedere quegli oggetti com'erano nel passato. Per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce appare ad un osservatore com'era 10 miliardi di anni fa, perché la luce ha impiegato quel determinato arco di tempo per raggiungerlo.

Se l'osservatore vedesse una galassia distante dalla terra 10 miliardi di anni luce in una determinata direzione, per esempio "ovest", e un'altra alla stessa distanza ma nella direzione opposta, ovvero "est", la distanza totale tra le due galassie è di 20 miliardi di anni luce e, poiché l'universo esiste da circa 14 miliardi di anni, questo vuol dire che la luce della prima galassia non ha ancora raggiunto la seconda. In un senso più generale, ci sono parti dell'universo che sono visibili per un osservatore, ma non lo sono per un altro, al di fuori del rispettivo orizzonte di particella.

Nelle teorie fisiche standard, nessuna informazione può essere trasportata più velocemente della velocità della luce. Dunque, riprendendo l'esempio delle galassie, esse non possono aver scambiato nessun tipo di informazione, cioè non sono in rapporto causale tra loro. Ci si potrebbe aspettare quindi che le loro proprietà fisiche possano essere diverse e, più in generale, che l'universo nel suo complesso abbia proprietà diverse in regioni differenti.

Al contrario di quanto previsto invece l'universo è estremamente omogeneo e la radiazione cosmica di fondo ha la stessa temperatura in ogni punto dello spazio: 2,725 K. con la precisione di 10 parti su milione. Questa prova sperimentale pone dunque un serio problema: se l'universo partì con piccole differenze di temperatura in regioni diverse, non vi è modo che essa si sia potuta livellare ad una temperatura uniforme a partire da questo istante di tempo. La  meccanica quantistica richiede che queste differenze esistano a causa del principio di indeterminazione di Heisemberg, che sostanzialmente afferma che non vi è modo di conoscere precisamente quanto valgono tutte le proprietà di un oggetto osservato e non vi è modo che l'universo si sia formato "precisamente" con le stesse proprietà in ogni punto.

L'importanza di questo problema è abbastanza ampia. In base alla teoria del Big Bang, durante la sua espansione, la densità dell'universo è diminuita fino al momento in cui i fotoni e le particelle, non più ostacolati dagli scontri con la materia, si sono potuti disaccoppiare dal plasma, e diffondersi nell'universo come una fiammata di luce. Si ritiene che ciò avvenne circa 380 000 anni dopo il Big Bang, perciò il volume di ogni possibile scambio di informazione sarebbe avvenuto in una sfera di 380 000 anni luce di raggio. Questa ipotesi non si concilia con il fatto che l'Universo ha all'incirca la stessa temperatura in un volume 1088 volte più grande.

Com’è possibile, dunque che due regioni di spazio diametralmente opposte, che quindi a causa dell’enorme distanza non hanno mai potuto comunicare le une con le altre neanche quando erano vicinissime, abbiano in realtà identiche proprietà?

 

La teoria dell’inflazione risolve il problema della comunicazione affermando che  l'Universo, poco dopo il Big bang, abbia attraversato una fase di espansione estremamente rapida. Si stima che l'inflazione sia avvenuta intorno a 10 alla meno 35 secondi dal Big bang, sia durata intorno a 10 alla meno 30 secondi e abbia aumentato il raggio dell'universo di un fattore enorme, tra 10 alla 25 e 10 alla 30 (cioè circa un miliardo di miliardi di miliardi di volte). L'Universo si è dunque espanso adurante l'epoca dell'inflazione ad una velocità di gran lunga superiore a quella della luce. Si noti che questo non viola la legge della relatività che pone un limite alla velocità con cui un segnale qualunque propaga nello spazio. Qui a propagare più velocemente della luce è lo spazio stesso !

Dunque quelle regioni dello spazio che assumendo costante la velocità di espansione dell'universo non avrebbero potuto essere in contatto tra loro invece lo sono state perchè l'universo era di fatto assai più piccolo !   Poi lo stiramento violentissimo dello spazio e del tempo ha rotto definitivamente quell’unione perfetta.  Dopo questa fase, l’espansione è ripresa ai ritmi precedenti, come se nulla fosse successo. Ma l’Universo era profondamente cambiato e molto, molto più grande di prima, avvicinandosi pericolosamente al concetto di infinito.