Falsificare il principio antropico

“Viviamo in un universo perfettamente adatto a noi.” Un nuovo studio pubblicato su JCAP propone un test per verificare questa idea. Il Principio Antropico—secondo cui l’universo in cui viviamo è “finemente sintonizzato” per ospitare la vita—è stato proposto per la prima volta da Brandon Carter nel 1973. Da allora ha generato un acceso dibattito. Ora, un nuovo articolo pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), scritto da Nemanja Kaloper, fisico del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università della California, Davis, e Alexander Westphal, professore presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESI), descrive per la prima volta un metodo per testare sperimentalmente questa ipotesi.

Esistiamo, e questo fatto significa che l’universo che ci ospita ha le giuste condizioni per rendere possibile la nostra esistenza.

Questa idea, nota come principio antropico (AP), può essere formulata in modi diversi. Si va da una semplice descrizione dei fatti — “se siamo qui a osservarlo, l’universo si è evoluto con le condizioni necessarie per l’emergere della vita intelligente”, nota come AP debole — a un’interpretazione più radicale: “l’universo doveva necessariamente evolversi in modo da condurre alla nostra esistenza”. Questa interpretazione più forte, chiamata AP forte, sfocia spesso in territori metafisici, suggerendo una sorta di “progetto” e spostandosi oltre il campo dell’indagine scientifica sull’universo.

Il problema dell’AP, secondo molti scienziati, è che non è particolarmente utile come strumento scientifico, visto che non genera previsioni testabili e quantificabili che potrebbero sia ampliare le nostre conoscenze sia permettere di mettere il principio stesso alla prova. Senza questo, il principio rimane più una congettura filosofica che una vera e propria ipotesi scientifica.

Tuttavia, l’AP suggerisce che, per far sì il nostro universo si sviluppasse in un luogo ospitale per la vita basata sul carbonio, doveva originarsi sulla base di una serie condizioni iniziali piuttosto specifiche. questa deduzione si basa sull'osservazione, per esempio, dei valori di alcune costanti fondamentali nelle equazioni che descrivono l’universo—come la costante gravitazionale, la carica dell’elettrone e la costante di Planck—che devono essere strettamente sintonizzate, perché altrimenti, si otterrebbe un universo molto diverso e, soprattutto, inospitale.

Stabilendo le precise condizioni iniziali implicate dall’AP e calcolando, sulla base degli attuali modelli fisici, come l’universo si evolverebbe fino al suo stato attuale, potremmo confrontare questo risultato con le osservazioni astronomiche reali. Qualsiasi discrepanza tra teoria e realtà fornirebbe una misura della validità dell’AP. Il nuovo lavoro di Nemanja Kaloper e Alexander Westphal offre alcune previsioni specifiche che potrebbero trovare conferma osservativa nei prossimi anni.

Per comprendere questa proposta, è necessario mettere in fila alcuni elementi chiave della ricerca in cosmologia:

Inflazione cosmica
Nei primissimi momenti della sua esistenza, l’universo ha attraversato un periodo di espansione rapidissima: in appena 10-36 secondi, è passato da una dimensione infinitesimale (quasi nulla) a una scala macroscopica (alcune teorie la descrivono come grande come un chicco d’uva o un pallone da calcio). Successivamente, l’espansione ha rallentato, continuando con ritmi simili a quelli che osserviamo oggi. La fisica di questa fase iniziale era molto insolita, dominata da fenomeni quantistici (che governano il mondo infinitamente piccolo), che hanno influenzato l’evoluzione successiva, permettendo la formazione delle strutture—galassie, stelle, ecc.—che vediamo oggi. Anche se non ci sono ancora prove dirette dell’inflazione cosmica, si tratta di una teoria robusta che si prevede possa ricevere conferme osservazionali nei prossimi anni.

Materia oscura
Probabilmente ne avete sentito parlare: osservazioni sperimentali ci dicono che una parte significativa dell’universo—circa 5/6 della sua materia—è composta da qualcosa che non possiamo osservare direttamente. La chiamiamo materia oscura, ma la sua vera natura rimane sconosciuta. Sono state proposte molte ipotesi, tutte in attesa di conferme sperimentali, che si pensa possano arrivare nel prossimo futuro.

Assioni
Uno dei candidati per la materia oscura è l’assione. Queste particelle—o, più probabilmente, un’intera classe di particelle—sono estremamente leggere (molto più leggere dell’elettrone, per esempio). Gli assioni sono stati proposti inizialmente per spiegare un fenomeno quantistico noto come violazione della simmetria CP, che coinvolge l’interazione nucleare debole, una delle quattro forze fondamentali (insieme a gravità, elettromagnetismo e interazione nucleare forte). I ricercatori però hanno notato che alcune caratteristiche degli assioni—che si pensa si siano formati in grande abbondanza durante l’inflazione cosmica—coincidono con quelle previste per la materia oscura, come la loro bassa interazione con sé stessi e con la materia ordinaria. Le osservazioni dei buchi neri potrebbero confermare la loro esistenza nei prossimi anni.

Testare il principio antropico significa combinare questi tre elementi.

“È possibile che il satellite LiteBIRD scopra onde gravitazionali primordiali vicine ai limiti attuali, che corrispondono a un’inflazione ad alta scala,” spiega Kaloper. “La maggior parte dei cosmologi considererebbe questa scoperta una conferma dell’inflazione ad alta scala.” LiteBIRD (Lite [Light] Satellite for the Study of B-mode Polarization) è un esperimento che l’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA) prevede di lanciare nel 2032.

“È anche possibile che scopriamo segni di assioni ultraleggeri osservando i buchi neri supermassicci nell’universo. Gli assioni influenzano il rapporto tra spin e massa dei buchi neri, e questo potrebbe essere osservato,” continua Kaloper. Molti esperimenti stanno già studiando i buchi neri, e altri sono pronti a iniziare nei prossimi anni.

“Infine,” aggiunge Kaloper, “è possibile che future ricerche dirette sulla materia oscura rivelino che questa non è composta prevalentemente da assioni ultraleggeri. In tal caso, noi pensiamo che il principio antropico fallisca.”

Questo risultato però non è scontato.

“D’altra parte, se le ricerche dirette scoprissero che la materia oscura è, in effetti, composta da assioni ultraleggeri,” prosegue Kaloper, “allora credo che saremmo d’accordo sul fatto che il principio antropico ha superato questo test; in effetti, potrebbe accadere.”

“Trovo particolarmente interessante che entrambe queste possibilità possano essere testate sperimentalmente in un futuro non troppo lontano,” conclude Kaloper. “E che—per quanto ne sappiamo io e Westphal—il nostro esempio specifico è il primo caso in cui il principio antropico potrebbe effettivamente fallire un test, anziché semplicemente dichiarare che non si applica. Il punto è che la presenza di un’inflazione ad alta scala e di assioni ultraleggeri con masse m > 10-19 eV implicherebbe che la materia oscura ‘deve’ essere un assione: con condizioni iniziali tipiche, avremmo troppa materia oscura, e avremmo disperatamente bisogno del principio antropico per limitarla. Scoprire che gli assioni non sono materia oscura significherebbe che le condizioni iniziali non erano solo improbabili (un problema che il principio antropico può risolvere), ma estremamente improbabili, il che non rientrerebbe nemmeno nel dominio del ragionamento antropico.”

Dovremo quindi aspettare ancora qualche anno, forse anche di più, per raccogliere tutte le prove necessarie per falsificare o confermare il principio antropico. Ma cosa accadrebbe se non superasse il test?

“Senza cambiare nessuna delle altre premesse (universalità della gravità, inflazione primordiale e fenomeni superradianti), il fallimento della nostra formulazione semplice del principio antropico suggerirebbe che regole diverse governano le condizioni iniziali,” spiega Kaloper. “O le condizioni iniziali non sono ugualmente probabili, alcune essendo influenzate da dinamiche nuove e ancora sconosciute, oppure alcune condizioni iniziali sono del tutto impossibili. In alternativa, la vera teoria della cosmologia potrebbe essere più complicata di quanto pensassimo.”

“Si potrebbero anche immaginare scenari più drammatici, ma almeno per ora, mi sembrano poco più che voli di fantasia,” conclude Kaloper.