L’Universo, nelle prime fasi della sua formazione, doveva essere proprio qualcosa di nemmeno immaginabile. Farsi una idea di quello che potrebbe essere successo nei primi istanti di vita di tutto quello che conosciamo ci permette anche di andare a ritroso nel tempo e di capire che cosa esso possa essere.
Recentemente, astrofisici dell’Australian National University hanno presentato una panoramica della storia termica dell’Universo e della sequenza di tutti gli oggetti che via via hanno preso forma sotto l’occhio ciclopico di questo immenso organismo. Dai protoni, ai pianeti, alle intere galassie e ammassi di galassie, ognuno si è condensato mentre l’Universo si espandeva e, piano piano, si raffreddava.
Quando tutto ha avuto inizio, circa 13,8 miliardi di anni fa, ancora non c’erano oggetti come protoni e neutroni, atomi, persone, pianeti, stelle o galassie. Ma oggi esso è pieno di tali oggetti.
L’Universo primordiale era un plasma caldo di particelle relativistiche fondamentali: quark, leptoni, fotoni e gluoni. Mentre l’Universo si raffreddava, gli oggetti compositi si condensavano dallo sfondo proprio come le goccioline di vapore si condensano dal vapore acqueo caldo mentre si raffredda. Questo fenomeno avveniva quando l’energia di legame di un oggetto superava l’energia di fondo.
Ad esempio, quando l’Universo si espanse e si raffreddò, durante la transizione quark-adrone, l’energia di legame della forza forte superò l’energia di fondo, mentre il plasma di quark e gluoni si condensò in protoni, neutroni e altri adroni. Con un’ulteriore espansione e diminuzione della temperatura, durante l’epoca della nucleosintesi del Big Bang, l’energia di legame della forza forte residua superò l’energia di fondo mentre il plasma caldo di protoni e neutroni si condensò in nuclei atomici.
Un’ulteriore espansione e raffreddamento ha portato alla formazione di atomi di elio e poi di idrogeno, quando l’energia di legame delle forze di Coulomb superò l’energia di fondo. E con un ulteriore raffreddamento, le energie dei legami chimici superarono l’energia cinetica degli atomi mentre si condensavano in molecole. Infine, un ulteriore raffreddamento permise alle sovradensità di materia di formare stelle, pianeti, galassie e ammassi di galassie, mentre la loro energia di legame gravitazionale superava la loro energia cinetica.
Come risultato di questa sequenza di condensazioni, dovute alla forza forte, all’elettromagnetismo e alla gravità, l’Universo è ora pieno di protoni, atomi, molecole, stelle, pianeti, buchi neri e galassie le cui densità sono superiori all’attuale densità media dell’Universo.
Per potersi figurare “tutto quello che esiste”, è stato necessario creare un grafico che traccia la massa e le dimensioni di tutti gli oggetti che sono nell’Universo. Il risultato è la mappa più completa mai creata di tutto ciò che esso contiene. Dall’analisi del grafico si vede subito che alcune parti di questa trama sono ‘proibite’. Infatti, se gli oggetti non possono essere più densi dei buchi neri, o più piccoli di una certa scala, esiste un limite oltre il quale la meccanica quantistica offusca la natura stessa di ciò che significa veramente essere un oggetto singolare. Al di là di questi orizzonti, le trame e ciò che si trova oltre rimane ancora un grande mistero.
Nel punto di incontro, all’estremità più piccola, dove la meccanica quantistica e la relatività generale si incontrano, risiede l’oggetto più piccolo possibile: l’istantone, Esso è una soluzione delle equazioni del moto con un’azione finita e non nulla, sia in meccanica quantistica che nella teoria quantistica dei campi ed è una soluzione delle equazioni del moto della teoria classica dei campi su uno spazio-tempo euclideo. Questo ci dice che l’Universo potrebbe essere iniziato con una dimensione e una massa specifiche, invece che con una singolarità, che è un ipotetico punto di densità e temperatura infinite.
