Esiste un’intima relazione tra i campi della fisica delle particelle e della cosmologia, che è stata esemplificata da una lunga serie di fisici che lavorano in entrambi contemporaneamente: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne e molti altri. La cosmologia è lo studio dell’universo e della sua struttura, mentre la fisica delle particelle è lo studio di particelle fondamentali come quark e fotoni, i più piccoli oggetti conosciuti. Sebbene all’inizio possano sembrare sconnesse come qualsiasi cosa può essere, la cosmologia e la fisica delle particelle sono in realtà strettamente collegate.
A differenza dei sistemi complessi sulla Terra, che possono essere descritti usando spiegazioni di livello superiore piuttosto che proprietà che emergono dai livelli più bassi, i fenomeni intergalattici e cosmologici sono relativamente più semplici. Ad esempio, nelle vaste distanze dello spazio, solo una delle quattro forze della natura ha una reale influenza: la gravità. Sebbene le stelle e le galassie siano molto lontane e molte volte più grandi di noi, abbiamo un quadro straordinariamente accurato di come funzionano, derivato dalle leggi fisiche fondamentali che dirigono le loro particelle costituenti.
Il dominio della cosmologia più strettamente connesso alla fisica delle particelle è lo studio del Big Bang, la gigantesca esplosione che ha creato tutta la materia dell’universo e lo spaziotempo di cui è composto l’universo stesso. Il Big Bang è iniziato come un punto di densità quasi infinita e volume zero: una singolarità. Quindi, si espanse rapidamente fino alle dimensioni di un nucleo atomico, ed è qui che entra in gioco la fisica delle particelle. Per capire come i primi momenti del Big Bang abbiano influenzato l’universo così com’è oggi, dobbiamo usare ciò che sappiamo sulla fisica delle particelle per creare modelli cosmologici plausibili.
Una delle motivazioni per creare acceleratori di particelle sempre più potenti è condurre esperimenti che simulano le circostanze fisiche il più presto possibile nella storia dell’universo, quando tutto era molto compatto e caldo. I cosmologi devono essere esperti di fisica delle particelle per dare un contributo significativo al campo.
Un’altra chiave per comprendere la relazione tra fisica delle particelle e cosmologia è guardare allo studio dei buchi neri. Le proprietà fisiche dei buchi neri sono rilevanti per il futuro a lungo termine del cosmo. I buchi neri sono stelle collassate con una gravità così immensa che nemmeno la luce può sfuggire alla loro presa. Per un po’ si è pensato che i buchi neri non emettessero radiazioni e che sarebbero stati eterni, un paradosso per i fisici. Ma Stephen Hawking ha teorizzato, sulla base delle intuizioni della fisica delle particelle, che i buchi neri emettono effettivamente radiazioni, che in seguito sono state soprannominate radiazione di Hawking.
La fisica delle particelle è anche molto rilevante nelle indagini sulla materia oscura, materia invisibile la cui esistenza è nota a causa della sua influenza gravitazionale sulla materia visibile, e sull’energia oscura, una forza misteriosa che pervade l’universo e ne accelera l’espansione. Queste sono domande centrali nella cosmologia moderna.