Cosmologia ciclica conforme

La cosmologia moderna si trova a un bivio concettuale. Da un lato abbiamo il modello standard del Big Bang, supportato da decenni di osservazioni e calcoli teorici. Dall'altro, emergono teorie alternative che sfidano le nostre concezioni più radicate sulla nascita, l'evoluzione e il destino dell'universo. Tra queste, la Cosmologia Ciclica Conforme (CCC) proposta dal premio Nobel Roger Penrose rappresenta forse la sfida più elegante e controversa al paradigma cosmologico dominante.

Le Radici di una Rivoluzione Teorica

Roger Penrose, matematico e fisico teorico di fama mondiale, ha sempre avuto un rapporto complesso con le teorie cosmologiche mainstream. A 87 anni continua la sua battaglia intellettuale, con una reputazione consolidata per le sue critiche alla teoria delle stringhe, la sua interpretazione personale della meccanica quantistica, e la sua avversione per l'inflazione cosmica. La CCC nasce proprio da questa insoddisfazione verso alcuni aspetti della cosmologia contemporanea.

La teoria del Big Bang, pur essendo riuscita nel descrivere l'evoluzione dell'universo, lascia irrisolti alcuni problemi fondamentali. Il più evidente è il cosiddetto problema della singolarità iniziale: cosa esisteva prima del Big Bang? La fisica tradizionale si arrende di fronte a questa domanda, sostenendo che lo spazio e il tempo stesso abbiano avuto origine in quell'istante primordiale, rendendo la domanda priva di senso.

Penrose, tuttavia, non si accontenta di questa risposta. La sua CCC propone una visione diversa: l'universo non ha mai avuto un vero inizio, né avrà mai una fine definitiva. Invece, attraversa una sequenza infinita di eoni cosmici, dove ogni ciclo termina e ricomincia in un processo eterno di morte e rinascita universale.

Il Meccanismo della Rinascita Cosmica

Il cuore della CCC risiede in un concetto matematico sofisticato: la geometria conforme. Questa branca della matematica studia le proprietà geometriche che rimangono invariate quando si cambiano le scale di misura. Penrose sfrutta questa idea per proporre uno scenario cosmologico rivoluzionario.

Immaginiamo il futuro remoto del nostro universo: le stelle si sono spente, i buchi neri hanno evaporato attraverso la radiazione di Hawking, e rimangono solo particelle prive di massa, principalmente fotoni, che viaggiano in uno spazio infinitamente espanso e freddo. In questo stato finale, secondo Penrose, l'universo perde ogni senso di scala. I fotoni, non avendo massa, non sperimentano il tempo nel senso convenzionale. Un viaggio che per noi durerebbe miliardi di anni, per un fotone è istantaneo.

Questa perdita di scala temporale e spaziale crea una situazione matematica particolare: un universo infinitamente grande e freddo diventa indistinguibile, dal punto di vista della geometria conforme, da un universo infinitamente piccolo, denso e caldo. È in questo punto che avviene la transizione magica: la fine di un eone diventa automaticamente l'inizio del successivo, con un nuovo Big Bang.

La Ricerca delle Prove - I Punti di Hawking

La CCC non sarebbe una teoria scientifica credibile se non fornisse predizioni verificabili. Penrose ha identificato una possibile firma osservazionale della sua teoria nella Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), l'eco elettromagnetica del Big Bang che permea tutto l'universo.

Nel 2010, Penrose e il collaboratore armeno Vahe Gurzadyan pubblicarono uno studio che sosteneva di aver trovato prove della CCC sotto forma di anelli concentrici nella CMB. Questi anelli di temperatura uniforme nella CMB sarebbero i resti della radiazione di Hawking emessa dai buchi neri supermassicci dell'eone precedente.

Ma Penrose non si è fermato qui. Nel 2018, insieme a Daniel An e Krzysztof Meissner, ha pubblicato un altro studio identificando quelle che ha chiamato Hawking Points: macchie circolari anomale di temperatura significativamente elevata nel cielo CMB. Secondo la sua interpretazione, questi punti caldi nella CMB potrebbero essere prodotti da buchi neri in evaporazione dell'eone precedente.

L'idea è affascinante: i buchi neri supermassicci dell'universo precedente, evaporando negli ultimi istanti del loro eone attraverso la radiazione di Hawking, avrebbero lasciato impronte termiche che sono sopravvissute alla transizione verso il nostro eone attuale. Queste macchie circolari a temperatura elevata sono state identificate sia nei dati Planck che in quelli WMAP, rappresentando potenzialmente i risultati della radiazione di Hawking da buchi neri supermassicci in un eone precedente.

Il Muro dello Scetticismo Scientifico

Tuttavia, la comunità scientifica ha accolto queste affermazioni con un profondo scetticismo. Due studi di follow-up hanno sostenuto che le prove dei Punti di Hawking identificati da Penrose e Gurzadyan erano in realtà il risultato di rumore casuale nei loro dati. Una ricerca più recente del 2024 ha utilizzato strumenti di machine learning avanzati per analizzare oltre 50 milioni di punti nel cielo, concludendo che i loro risultati non supportano le precedenti affermazioni di insiemi statisticamente significativi di cerchi a bassa varianza e Punti di Hawking.

La CCC ha incontrato lo scetticismo di molti cosmologi sin dalla sua proposta nel 2005, non ultimo perché il collegamento di un universo infinitamente grande in un eone con uno infinitamente piccolo nel successivo richiede che tutte le particelle perdano la loro massa quando l'universo invecchia molto.

I Problemi Teorici Fondamentali

Al di là delle controversie osservazionali, la CCC affronta sfide teoriche sostanziali. Il problema più evidente riguarda il decadimento di tutte le particelle massive. Come sottolinea Penrose, il decadimento protonico è una possibilità contemplata in varie estensioni speculative del Modello Standard ma non è mai stato osservato. Inoltre, tutti gli elettroni devono anche decadere, o perdere la loro carica e/o massa, e nessuna speculazione convenzionale lo consente.

Un'altra critica fondamentale riguarda la conservazione dell'informazione quantistica. Dal punto di vista dell'informazione quantistica moderna, la perdita di gradi di libertà nei buchi neri ipotizzata dalla CCC non è compatibile con la nozione quantistica di entropia. Questo ha portato alcuni ricercatori a proporre versioni unitarie della CCC che preservano l'informazione quantistica.

Il modello standard di cosmologia, basato sulla teoria del Big Bang e la cosmologia inflazionaria, rimane il framework più supportato e ampiamente testato per comprendere l'evoluzione dell'universo. La CCC affronta sfide sia in termini di consistenza teorica che di evidenza osservazionale.

Il Problema dell'Entropia e la Seconda Legge della Termodinamica

Un aspetto cruciale della CCC riguarda il trattamento dell'entropia universale. Penrose ha sempre insistito correttamente sul fatto che la bassa entropia del nostro universo primordiale è un problema cruciale non ben affrontato nella cosmologia moderna. La CCC propone una soluzione elegante: alla fine di ogni eone, quando l'universo è dominato dalla radiazione senza massa, l'entropia in qualche modo si resetta, permettendo a un nuovo ciclo di iniziare con bassa entropia.

Tuttavia, questo meccanismo sembra violare la seconda legge della termodinamica, che stabilisce che l'entropia di un sistema isolato non può diminuire. I sostenitori della CCC sostengono che la transizione conforme costituisce una sorta di reset termodinamico ma i critici rimangono scettici su come questo possa avvenire senza violare i principi fondamentali della fisica.

Leonard Susskind e il Paradosso dell'Informazione Quantistica

Una delle critiche più sostanziali alla CCC viene dal confronto con il lavoro di Leonard Susskind sui buchi neri e la conservazione dell'informazione quantistica. Susskind, fisico teorico della Stanford University e pioniere della teoria delle stringhe, è famoso per la sua Guerra dei Buchi Neri con Stephen Hawking riguardo al destino dell'informazione che cade nei buchi neri.

Hawking aveva proposto che l'informazione venisse persa nei buchi neri e non preservata nella radiazione di Hawking. Susskind si oppose, sostenendo che le conclusioni di Hawking violavano una delle leggi scientifiche più fondamentali dell'universo: la conservazione dell'informazione. Questa disputa, che durò decenni, culminò con Hawking che nel 2004 modificò la sua posizione, sostenendo che le perturbazioni quantistiche all'orizzonte degli eventi modificavano la radiazione emessa in modo che non fosse puramente termica, permettendo all'informazione di fuggire.

Il contributo di Susskind è particolarmente rilevante per la CCC perché ha proposto insieme a Lárus Thorlacius e John Uglum una risoluzione radicale al paradosso sostenendo che l'informazione è allo stesso tempo riflessa all'orizzonte degli eventi e passa attraverso di esso senza poter fuggire, con la clausola che nessun osservatore può confermare entrambe le storie simultaneamente. Questo principio, noto come complementarità dei buchi neri, stabilisce che la conservazione dell'informazione quantistica deve essere mantenuta anche nei processi più estremi dell'universo.

La posizione di Susskind pone un problema diretto alla CCC di Penrose. Se l'informazione deve essere conservata durante l'evaporazione dei buchi neri, come sostiene Susskind, allora il meccanismo proposto da Penrose, dove i buchi neri dell'eone precedente evaporano completamente attraverso la radiazione di Hawking e lasciano solo impronte termiche, potrebbe violare questo principio fondamentale. L'idea che i Punti di Hawking nel CMB siano semplicemente residui termici dei buchi neri precedenti sembra incompatibile con la necessità di preservare tutta l'informazione quantistica originale.

Inoltre, le idee più recenti di Susskind e Juan Maldacena del 2013 sull'entanglement quantistico come wormhole forniscono un meccanismo alternativo attraverso cui l'informazione potrebbe sfuggire dai buchi neri attraverso tunnel segreti. Questo approccio suggerisce che l'informazione non viene mai veramente persa ma rimane accessibile attraverso connessioni quantistiche non locali, un concetto che contrasta con l'idea della CCC di una transizione completa e "pulita" tra eoni.

L'Aspetto Filosofico della CCC

Al di là delle implicazioni fisiche, la CCC tocca questioni filosofiche profonde. Penrose e altri fisici erano insoddisfatti di certi aspetti della cosmologia attuale, così iniziarono a cercare evidenze empiriche che mostrassero che il nostro universo è solo un universo in una catena che si estende infinitamente nel passato e nel futuro.

La teoria offre una risposta alla domanda esistenziale fondamentale: Perché esiste qualcosa piuttosto che nulla? Nella visione di Penrose, questa domanda perde significato perché qualcosa è sempre esistito, in un ciclo eterno di trasformazione e rinnovamento. Non c'è mai stato un momento in cui non esisteva nulla, né ci sarà mai un momento in cui tutto cesserà di esistere.

Le Implicazioni per l'Inflazione Cosmica

La CCC rappresenta anche una sfida diretta alla teoria dell'inflazione cosmica, il modello attualmente dominante che spiega l'uniformità e la geometria piatta dell'universo osservabile. Penrose è stato a lungo critico dell'inflazione, considerandola una soluzione ad hoc a problemi che potrebbero essere risolti in modo più elegante attraverso la sua cosmologia ciclica.

I modelli di universo alternativi senza inflazione esistono ma la maggior parte incontra problemi fondamentali. La CCC tenta di fornire una spiegazione naturale per l'uniformità dell'universo senza ricorrere a un periodo di espansione esponenziale primordiale. Secondo questa teoria, l'uniformità che osserviamo è il risultato di un processo di omogeneizzazione che si è verificato durante la fase finale dell'eone precedente.

La Persistenza di un Visionario

Nonostante le critiche e la mancanza di accettazione mainstream, Penrose continua a sviluppare e raffinare la sua teoria. La sua persistenza riflette non solo la sua convinzione personale, ma anche un approccio scientifico più ampio: il tentativo di affrontare il problema dell'entropia dell'universo alle sue origini e cercare una visione scientifica dell'universo che vada oltre il Big Bang.

Sean Carroll, cosmologi rispettato, ha ammesso di essere favorevole alle cosmologie pre-Big Bang e riconosce che Penrose più di chiunque altro è stato corretto nell'insistere che la bassa entropia del nostro universo primordiale è un problema cruciale. Tuttavia, Carroll stesso ammette di avere difficoltà a comprendere pienamente i dettagli tecnici della CCC.

Le Sfide Future

Per guadagnare accettazione nella comunità scientifica, la CCC deve superare diversi ostacoli significativi. Prima di tutto, deve fornire predizioni osservazionali più chiare e inequivocabili. Le attuali affermazioni sui Punti di Hawking rimangono controverse e necessitano di conferme indipendenti più solide.

In secondo luogo, la teoria deve risolvere i suoi problemi teorici interni, particolarmente riguardo al decadimento delle particelle massive e alla conservazione dell'informazione quantistica. Alcuni ricercatori stanno lavorando su versioni modificate della CCC che potrebbero aggirare queste difficoltà.

Infine, la CCC deve confrontarsi con il successo empirico del modello standard di cosmologia. L'inflazione cosmica, nonostante le sue apparenti artificialità, spiega con successo una vasta gamma di osservazioni cosmologiche. Qualsiasi teoria alternativa deve essere almeno altrettanto riuscita in questo compito.

L'Eredità di un'Idea Rivoluzionaria

Indipendentemente dal destino ultimo della Cosmologia Ciclica Conforme, il suo impatto sulla cosmologia teorica è già significativo. La teoria ha forzato la comunità scientifica a riconsiderare assunzioni fondamentali sulla natura del tempo, dello spazio e della causalità cosmica. Ha anche evidenziato problemi irrisolti nel modello standard, come la questione dell'entropia primordiale e la natura della singolarità del Big Bang.

Anche se la CCC lascia problemi difficili irrisolti, rappresenta un tentativo coraggioso di spingere i confini del pensiero cosmologico. Come ha osservato lo stesso Penrose, descrivendo la sua teoria come scandalosa, le idee rivoluzionarie spesso incontrano resistenza prima di essere comprese e, eventualmente, accettate.

La CCC ci ricorda che la scienza progredisce non solo attraverso l'accumulo di evidenze osservazionali ma anche attraverso la proposizione di idee audaci che sfidano il consenso esistente. Che la teoria di Penrose sia alla fine corretta o meno, il suo contributo al dibattito cosmologico è innegabile. Ha aperto nuove strade di ricerca, stimolato discussioni approfondite sui fondamenti della cosmologia, e dimostrato che anche alla soglia dei 90 anni, un mente scientifica brillante può continuare a sorprendere e ispirare.

In un universo che potrebbe davvero essere ciclico, forse la stessa idea di Penrose è destinata a rinascere in forme sempre nuove, continuando a sfidare le nostre concezioni sulla natura ultima della realtà cosmica. E in questo senso, indipendentemente dalla sua validità empirica, la Cosmologia Ciclica Conforme ha già ottenuto una forma di immortalità intellettuale, perpetuandosi nel dialogo eterno tra immaginazione teorica e verifica sperimentale che costituisce l'essenza della ricerca scientifica.

Massimo Zanetti