Geometria dell'universo e inflazione.

Premessa: Come spiegato nella pagina precedente, a causa dell'inflazione l'universo osservabile è una piccolissima porzione dell'Universo intero. Tutto quanto discuteremo nel seguito di questa pagina si riferisce all'Universo osservabile.

Se pensiamo al Big Bang come ad un'esplosione possiamo raffigurarci tre possibili scenari ( riassunti nella diapositiva qui a fianco). L'unica forza in grado di contrastare l'espansione è la gravità, che sappiamo essere una forza conservativa. Dunque se consideriamo una piccola parte di universo in espansione la sua energia totale ( cinetica più potenziale) si manterrà costante.  Se l'energia cinetica è superiore all'energia potenziale gravitazionale significa che la massa presente nell'UNiverso non è sufficiente per fermare l'espansione, che prosguirà all'infinito. Nel caso contrario invece forza frenante dovuta alla massa riuscirà prima o poi a bloccare l'espansione e l'universo tronerà a contrarsi.

La situazione che discrimina tra queste due prospettive si ha quando l'energia cinetica è esattamente uguale all'energia potenziale , cosa che succede per un valore ben preciso della densità di materia presente nell'universo al quale solitamente ci si riferisce col termine di densità critica.  Nel caso di densità minore della densità critica avremo un universo aperto a curvatura negativa, nel caso di densità maggiore della densità critica avremo un universo chiuso a curvatira positiva e nel caso particolare che la densità sia esattamente uguale al valore critico l'universo avrà una geometria piatta, euclidea.

Facendo i calcoli usando il modello del Big Bang si scopre che il valore della densità non resta costante durante l'espansione dell'Universo, ma tende ad allontanarsi sempre più dal valore critico. Se ad un certo punto la densità è minore del valore critico lo diventa sempre più mana mano che passa il tempo; se invece è maggiore di uno col passare del tempo diventa sempre più garnde. L'unico caso in cui non cambia è se esso è esattamente uguale al valore critico.

In altre parole se pochi secondi dopo il Big Bang il valore della densità fosse stato leggermente più piccolo di uno la densità sarebbe diventata sempre minore e la materia non avrebbe avuto tempo sufficiente per aggregarsi in stelle , galassie e ammassi di galassie ma si sarebbe dispersa in un cosmo sempre più vuoto. Viceversa se la densità fosse stata leggermente maggiore di quella critica lo sarebbe diventata sempre di più ed ora il nostro universo si sarebbe già arrestato e la materia in esso contenuta avrebbe iniziato a collassere su se stessa.

Dunque sembrerebbe che "qualcosa" ne abbia regolato il valore con incredible precisione nei primi istanti dopo il big bang. Non stiamo parlando di una regolazione grossolana ma di una vera e propria regolazione fine ( i cosmologi parlano di "fine tuning" ). I fisici trovano però sempre assai fastidioso che qualcosa debba essere "regolato a mano" !!  Quale meccanismo può allora spiegare al piattezza dell'universo osservato? Di nuovo l'inflazione !!

Nell'attimo dell'inflazione infatti abbiamo visto che lo spazio si dilata in un tempo piccolissimo ( 10 alla -35 s) di 10 alla 60 volte. Per capire i ritmi si pensi che nei miliardi di anni passati dalla fine della fase inflazionaria a oggi l'UNiverso non è ancora riuscito ad espandersi tanto quanto in quella infinitesima frazione di tempo ! Dunque qualunque curvatura esistente prima dell'inflazione viene spianata dalla crescita smisurata subita dall'universo durante i suoi primi istanti di vita. L'inflazione agisce in modo da rendere la geometra dell'universo praticamente piatta all'interno dell'orizzonte. In questo esempio l'UNiverso è chiuso prima dell'inflazione e la curvatura è ben visibile all'interno dell'orizzonte. L'inflazione fa espandere enormemente l'universo in un periodo di tempo molto breve durante il quale la dimensione dell'orizzonte resta praticamente costante. Di conseguenze dopo l'inflazione la regione all'interno dell'orizzonte appare praticamente piatta.

L'inflazione risolve così sia il problema degli orizzonti che quello della piattezza dell'universo osservabile.

Di fatto l'inflazione non è una teoria bel consolidata, con un modello univoco che scaturisca da fatti fisici ben conosciuti e motivati. E' più un'idea di lavoro, uno scenario ma che vedremo in breve, abbastanza fecondo da produrre conseguenze impreviste e importantissime.