di: Alessio Mannucci
Martin Bojowald, professore di fisica alla Penn State University, ha introdotto un nuovo modello
matematico-quantistico che al posto del Big Bang prevede un Big Bounce, secondo cui la nascita del
nostro universo corrisponderebbe al collasso di un universo precedente, avvalorando la teoria
dell’universo ciclico. La ricerca di Bojowald, che è stata annunciata sull’edizione on line di
Nature Physics e sarà pubblicata sulla versione cartacea nel mese di agosto, suggerisce anche che
alcune proprietà dell’universo primigenio sono impossibili da calcolare a causa delle estreme forze
quantistiche che caratterizzano il Big Bounce.
Come descritto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein, l’origine del Big Bang è uno
stato di non-senso matematico, una singolarità di volume zero che tuttavia conteneva una densità e
un’energia infinite. Bojowald e altri fisici della Penn State University stanno dunque esplorando un
territorio sconosciuto perfino ad Einstein, il tempo prima del Big Bang, usando una macchina del
tempo matematica chiamata Loop Quantum Gravity (Gravità Quantistica a Loop). La loro teoria, che
combina quella einsteniana della Relatività Generale con equazioni della fisica quantistica che non
esistevano all’epoca di Einstein, è la prima descrizione matematica per stabilire sistematicamente
l’esistenza del Big Bounce e dedurre le proprietà dell’universo primigenio. Le equazioni
quantistiche, non incluse nella Relatività Generale, sono necessarie per descivere le energie
estreme che dominavano il nostro universo nelle sue prime fasi di evoluzione, ha spiegato Bojowald.
La Loop Quantum Gravity, sviluppata all’Institute for Gravitational Physics and Geometry della Penn
State University, è considerata oggi come lo strumento principale per raggiungere l’obiettivo
ambizioso di unificare la relatività generale con la fisica quantistica. Finora, gli scienziati che
stanno conducendo le indagini hanno scoperto che il punto di inizio del nostro universo aveva un
volume minimo diverso da zero e un’energia massima non infinita. Proprio grazie a questi limiti, le
equazioni della teoria continuano a produrre risultati matematici validi che stanno fornendo una
finestra retroattiva per osservare il tempo prima del Big Bounce.
La teoria della gravità quantistica indica che la struttura dello spazio-tempo ha una geometria
atomica intrecciata con una stringa quantistica mono-dimensionale. Una struttura violentemente
lacerata dalle energie estreme che caratterizzano il tempo vicino al Big Bounce, che spingono la
gravità a diventare talmente repulsiva che, invece di scomparire nell’infinito, come predetto dalla
Relatività Generale di Einstein, l’universo si riversa nel Big Bounce da cui nascerà il nostro
universo in espansione. La teoria rivela un universo in contrazione prima del Big Bounce, con una
geometria spazio-temporale che altrimenti sarebbe stata simile all’universo attuale.
La teoria della Loop Quantum Gravity necessitava di un modello più preciso. Per questo Bojowald ha
sviluppato un modello matematico per produrre delle soluzioni analitiche più esatte, risolvendo una
serie di equazioni. Per essere ancora più preciso, Bojowald ha poi sviluppato un secondo modello,
riformulando le descrizioni matematiche quantistiche, in modo da rendere il tutto più semplice e più
esplicito. Le equazioni differenziali della gravità quantistica richiedono molti calcoli di numerose
e consecutive sottili variazioni temporali; Bojowald le ha incorporate in un sistema integrato in
cui una quantità cumulativa di tempo può essere specificata per aggiungere tutte le piccole
variazioni.
Si tratta di equazioni che cercano di descrivere lo stato del nostro universo attuale in modo
estremamente accurato, per poi viaggiare matematicamente nel tempo, fino agli stadi primigeni. Per
fare questo, le equazioni contengono anche alcuni parametri liberi, non conosciuti con esattezza.
Bojowald ne ha scoperti due complementari: uno è relativo quasi esclusivamente al tempo dopo il Big
Bounce, l’altro al tempo prima del Big Bounce. Questi due parametri rappresentano l’ incertezza
quantistica del volume totale dell’universo prima e dopo il Big Bang. Queste incertezze sono
parametri addizionali che applichiamo in contesti quantistici come la teoria della gravità
quantistica, ha detto Bojowald, per via dell’incertezza tipica della fisica quantistica, dove
esiste una complementarietà tra la posizione di un oggetto e la sua velocità che impedisce
misurazioni precise. Giungere a calcolare con precisione questi fattori di incertezza è praticamente
impossibile.
Bojowald è giunto alla conclusione che almeno uno dei parametri relativo all’universo precedente non
sopravviverà al viaggio verso il Grande Salto, e che l’universo successivo, il nostro, non
costituisce una perfetta replica del suo predecessore. La ricorrenza eterna di universi
assolutamente identici al momento è oscurata da una intrinseca dimenticanza cosmica, ha concluso
Bojowald.
Un nuovo modello cosmologico, in contrasto con le teorie relative al Big Bang, propone l’idea che
l’universo può espandersi e contrarsi all’infinito.
Il modello ciclico proposto dai fisici Paul Frampton e Louis J. Rubin Jr., professori di fisica al
College of Arts and Sciences della University of North Carolina, insieme al loro studente Lauris
Baum, si divide in 4 parti essenziali: espansione, turnaround (inversione di tendenza), contrazione
e rimbalzo. Durante l’espansione, l’energia oscura spinge tutti i frammenti di materia in parti così
distanti che niente può fare da ponte tra i gaps. Tutto, dai buchi neri agli atomi, si disintegra.
Questo punto, solo una frazione di secondo prima della fine del tempo, costituisce il turnaround, in
cui ogni parte frammentata collassa e si contrae singolarmente, invece di riunirsi in una sorta di
Big Bang rovesciato. Le varie parti diventano così un numero infinito di universi indipendenti che
si contraggono e poi balzano di nuovo all’esterno rigonfiandosi in maniera simile al Big Bang. Solo
uno di questi è il nostro universo. Questo ciclo, che accade un numero di volte infinito, elimina
ogni inizio e fine del tempo, dice Frampton, non c’è alcun Big Bang. Come a dire: Nulla si crea
e nulla si distrugge.
Il primo modello alternativo al Big Bang – relativo ad un universo oscillante, senza inizio e senza
fine, secondo cui l’Universo si espanderà fino ad un certo punto, e poi si ritrarrà in uno stato
simile a quello del Big Bang, quindi ripetendo il processo per l’eternità, attraverso il meccanismo
del Grande Balzo (Big Bounce) – fu proposto nel 1930. Ma l’idea fu presto abbandonata, poiché le
oscillazioni non potevano essere riconciliate con le regole della fisica, inclusa la seconda legge
della termodinamica, secondo cui l’entropia non può essere distrutta. Ma se l’entropia aumenta tra
un’oscillazione e l’altra, l’universo si espanderebbe ad ogni ciclo, come una palla di neve
rotolante, dice Frampton. Frampton e Baum hanno aggirato l’ipotesi del Big Bang postulando che, al
turnaround, ogni rimanente entropia sia in porzioni troppo distanti per poter interagire: divenendo
ogni porzione un universo separato, si può supporre che ogni universo si contragga in assenza di
materia e entropia. La presenza di materia causerebbe difficoltà insuperabili alla contrazione,
dice Frampton.
Un’altra chiave fondamentale della teoria di Frampton e Baum è l’assunzione riguardo l’equazione
matematica che descrive pressione e densità dell’energia oscura: secondo Frampton e Baum lo stato
dell’energia oscura è sempre meno di -1, mentre il precedente modello ciclico proposto nel 2002 dai
fisici Paul Steinhardt e Neil Turok aveva stabilito che il valore non era mai meno di -1. Questo
valore negativo assunto dall’equazione di Frampton e Baum implica che la densità dell’energia oscura
divenga uguale alla densità dell’universo e che ad un certo punto l’espansione si fermi, poco prima
del Big Rip.
Data articolo: luglio 2007
Fonte: Space Daily
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