Il nostro universo ha avuto origine 13,7 miliardi di anni fa, generato dal Big Bang, e per diverse generazioni gli scienziati hanno cercato di comprendere questo fenomeno.
Alla fine degli anni '20 del XX secolo, Edwin Hubble scoprì che tutte le galassie che vediamo sparpagliarsi - come frammenti di una granata dopo un'esplosione, allo stesso tempo l'astronomo e teologo belga Georges Lemaitre avanzò la sua ipotesi (nel 1931 fu pubblicata nelle pagine di "Nature"). Crede che la storia dell'universo sia iniziata con l'esplosione dell '"atomo primario", e questo ha dato origine al tempo, allo spazio e alla materia (in precedenza, all'inizio degli anni '20, lo scienziato sovietico Alexander Fridman, analizzando le equazioni di Einstein, giunse anche alla conclusione che "L'universo è stato creato da un punto" e ci sono voluti "decine di miliardi dei nostri soliti anni").
In un primo momento, gli astronomi respinsero con veemenza il ragionamento del teologo belga. Perché la teoria del Big Bang era perfettamente combinata con la fede cristiana in Dio Creatore. Per due secoli, gli scienziati hanno soppresso la penetrazione nella scienza di qualsiasi tipo di speculazione religiosa sull '"inizio di tutti gli inizi". E ora Dio, espulso dalla natura sotto il misurato oscillare delle ruote della meccanica newtoniana, ritorna inaspettatamente. Sta arrivando tra le fiamme del Big Bang, ed è difficile pensare a un'immagine più trionfante del suo aspetto.
Tuttavia, il problema non era solo in teologia: il Big Bang non obbediva alle leggi delle scienze esatte. Il momento più importante nella storia dell'Universo era al di là della comprensione. In questo punto singolare (speciale), situato sull'asse dello spazio-tempo, la teoria generale della relatività cessò di funzionare, perché pressione, temperatura, densità di energia e curvatura dello spazio si precipitarono all'infinito, cioè persero ogni significato fisico. A questo punto, tutti questi secondi, metri e unità astronomiche sono scomparsi, si sono trasformati non in zero, non in valori negativi, ma nella loro completa assenza, in assoluta assenza di significato. Questo punto è un vuoto che non può essere superato sui trampoli della logica o della matematica, un buco nel tempo e nello spazio.
Fu solo alla fine degli anni '60 che Roger Penrose e Stephen Hawking dimostrarono in modo convincente che, nel quadro della teoria di Einstein, la singolarità del Big Bang è inevitabile. Tuttavia, questo non potrebbe facilitare il lavoro dei teorici. Come descrivere il Big Bang? Qual è stata, ad esempio, la causa di questo evento? Dopotutto, se prima di lui non c'era tempo, allora non sembrava esserci alcuna ragione che lo avesse partorito.
Come ora comprendiamo, per creare una teoria completa del Big Bang, è necessario collegare l'insegnamento di Einstein, che descrive lo spazio e il tempo, con la teoria quantistica, che si occupa delle particelle elementari e delle loro interazioni. Probabilmente, potrebbe volerci più di un decennio prima che sia possibile fare questo e derivare un'unica "formula dell'universo".
E dove, ad esempio, potrebbe apparire l'enorme quantità di energia che ha dato origine a questa esplosione di incredibile potenza? Forse è stato ereditato dal nostro Universo dal suo predecessore, che è crollato in un punto singolare? Tuttavia, allora dove l'ha preso? Oppure l'energia è stata riversata nel vuoto primordiale, dal quale il nostro Universo è scivolato fuori come una "bolla di schiuma"? Oppure gli universi della vecchia generazione trasferiscono energia agli universi della generazione più giovane attraverso i buchi neri - quei punti singolari - nelle profondità dei quali, forse, nascono nuovi mondi che non vedremo mai? Comunque sia, l'Universo in tali modelli appare come un "sistema aperto", che non corrisponde del tutto all'immagine "classica" del Big Bang: "Non c'era niente, e improvvisamente l'universo è nato".
L'universo al momento della formazione era in uno stato estremamente denso e caldo.
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O forse, secondo alcuni ricercatori, il nostro Universo è generalmente … privo di energia, o meglio, la sua energia totale è zero? L'energia positiva della radiazione emessa dalla materia si sovrappone all'energia negativa della gravità. Più e meno danno zero. Questo famigerato "0" sembra essere la chiave per comprendere la natura del Big Bang. Da lui - da "zero", da "niente" - tutto è nato immediatamente. Per caso. Spontaneamente. Appena. Una deviazione trascurabile da 0 ha dato luogo a una valanga universale di eventi. Si può anche fare un paragone del genere: una palla di pietra, in equilibrio sulla sommità di un Chomolungma sottile come una guglia, improvvisamente oscillò e rotolò verso il basso, creando una "valanga di eventi".
1973 - Il fisico americano Edward Trion, ha cercato di descrivere il processo di nascita del nostro universo, utilizzando il principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei fondamenti della teoria quantistica. Secondo questo principio, più accuratamente, ad esempio, misuriamo l'energia, più il tempo diventa incerto. Quindi, se l'energia è rigorosamente zero, il tempo può essere arbitrariamente lungo. Così grande che prima o poi sorgerà una fluttuazione nel vuoto quantistico da cui dovrà nascere l'Universo. Ciò porterà alla rapida crescita dello spazio, apparentemente dal nulla. "È solo che a volte nascono gli universi, ecco tutto", così ha spiegato semplicemente Trion lo sfondo del Big Bang. È stata una grande esplosione casuale. È tutto.
Potrebbe accadere di nuovo il Big Bang?
Stranamente, sì. Viviamo in un universo che può ancora dare frutti e dare vita a nuovi mondi. Sono stati realizzati diversi modelli che descrivono i "Big Bang" del futuro.
Perché, ad esempio, nello stesso vuoto che ha dato vita al nostro Universo, non compaiono nuove fluttuazioni? Forse, in questi 13,7 miliardi di anni, un insieme innumerevole di mondi è apparso accanto al nostro universo, che non si sono toccati in alcun modo. Hanno leggi di natura differenti, ci sono costanti fisiche differenti. Nella maggior parte di questi mondi, la vita non potrebbe mai sorgere. Molti di loro muoiono immediatamente, crollano. Ma in alcuni universi - per puro caso! - ci sono condizioni in cui la vita è in grado di originarsi.
Ma il punto non è solo nel vuoto che rimane prima dell'inizio di "tutti i tempi e i popoli". Fluttuazioni irte di mondi futuri possono anche sorgere in un vuoto diffuso nel nostro Universo, più precisamente nell'energia oscura che lo riempie. Questo tipo di modello dell '"Universo in rinnovamento" è stato sviluppato dal cosmologo americano, originario dell'Unione Sovietica, Alexander Vilenkin. Questi nuovi "big bang" non ci minacciano. Non distruggeranno la struttura dell'Universo, non lo ridurranno in cenere, ma creeranno solo un nuovo spazio oltre i limiti della nostra osservazione e comprensione. Forse tali "esplosioni", che segnano la nascita di nuovi mondi, avvengono nelle profondità di numerosi buchi neri che punteggiano lo spazio, ritiene l'astrofisico americano Lee Smolin.
Un altro nativo dell'URSS, che vive in Occidente, il cosmologo Andrei Linde crede che noi stessi siamo in grado di creare un nuovo Big Bang, avendo raccolto ad un certo punto nello spazio un'enorme quantità di energia che supera un certo limite critico. Secondo i suoi calcoli, gli ingegneri spaziali del futuro potrebbero prendere un pizzico invisibile di materia - solo pochi centesimi di milligrammo - e condensarlo a tal punto che l'energia di questo coagulo sarà di 1015 gigalectronvolt. Si formerà un minuscolo buco nero, che inizierà ad espandersi in modo esponenziale. Questo creerà un "universo figlia" con il suo spazio-tempo, separandosi rapidamente dal nostro universo.
… Ci sono molte cose fantastiche nella natura del Big Bang. Ma la validità di questa teoria è dimostrata da una serie di fenomeni naturali. Questi includono l'espansione osservata dell'Universo, l'immagine della distribuzione degli elementi chimici, così come la radiazione cosmica di fondo, che è chiamata la "reliquia del Big Bang".
Prima del Big Bang?
Il mondo non esiste per sempre. Ha avuto origine dalle fiamme del Big Bang. Tuttavia, questo è stato un fenomeno unico nella storia dello spazio? O un evento ricorrente come la nascita di stelle e pianeti? E se il Big Bang fosse solo una fase di transizione da uno stato di eternità a un altro?
Molti fisici dicono che inizialmente c'era Qualcosa e non Niente. Forse il nostro universo, come gli altri, è nato da un vuoto quantistico elementare. Ma non importa quanto sia "minimale semplice" un tale stato - e meno di un vuoto quantistico, le leggi della fisica non lo consentono - non può essere chiamato "Niente".
Forse l'Universo che vediamo è solo un altro stato aggregato dell'Eternità? E la bizzarra disposizione delle galassie e degli ammassi di galassie - qualcosa come un reticolo cristallino, che nel mondo n-dimensionale che esisteva prima della nascita del nostro Universo, aveva una struttura completamente diversa e che era forse prevista dalla "formula per tutto" che Einstein stava cercando? E sarà trovato nei prossimi decenni? Gli scienziati stanno scrutando intensamente attraverso il muro dell'Ignoto, che ha recintato il nostro universo, cercando di capire cosa sia successo un attimo prima, secondo le nostre solite idee, non c'era assolutamente nulla. Quali forme del cosmo eterno possono essere immaginate dotando il tempo e lo spazio di quelle qualità che sono inconcepibili nel nostro universo?
Alcune delle teorie più promettenti in cui i fisici stanno cercando di spremere un'intera Eternità sono forse la teoria della geometria quantistica, la dinamica dello spin quantistico o la gravità quantistica. I maggiori contributi al loro sviluppo sono stati forniti da Abei Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin e Thomas Thiemann. Tutte queste sono le costruzioni fisiche più complesse, interi palazzi, eretti da formule e ipotesi, proprio per nascondere il vuoto nascosto nella loro profondità e oscurità, la singolarità del tempo e dello spazio.
L'era della singolarità
I percorsi indiretti delle nuove teorie ci costringono a scavalcare le verità apparentemente ovvie. Quindi, nella geometria quantistica, lo spazio e il tempo, precedentemente frammentati all'infinito, si rompono improvvisamente in isole separate: porzioni, quanti, meno di cui non c'è nulla. Tutti i punti singolari possono essere incorporati in questi "massi". Lo spazio-tempo stesso si trasforma in un intreccio di strutture unidimensionali - una "rete di rotazioni", cioè diventa una struttura discreta, una specie di catena, tessuta da anelli separati.
Il volume del più piccolo anello di spazio possibile è di soli 10-99 centimetri cubi. Questo valore è così piccolo che ci sono molti più quanti di spazio in un centimetro cubo di quegli stessi centimetri cubi nell'Universo che osserviamo (il suo volume è di 1085 centimetri in un cubo). Non c'è niente all'interno dei quanti dello spazio, nessuna energia, non importa - proprio come all'interno di un punto matematico - per definizione - non c'è triangolo o icosaedro. Ma se applichiamo l'ipotesi del "tessuto submicroscopico dell'universo" per descrivere il Big Bang, otteniamo risultati sorprendenti, come hanno dimostrato Abei Ashtekar e Martin Bojovald dell'Università della Pennsylvania.
Se sostituiamo le equazioni differenziali nella teoria standard della cosmologia, che assumono un flusso continuo di spazio, con altre equazioni differenziali che seguono dalla teoria della geometria quantistica, allora la misteriosa singolarità scompare. La fisica non finisce dove inizia il Big Bang: questa è la prima conclusione incoraggiante dei cosmologi, che hanno rifiutato di accettare le proprietà dell'universo che vediamo come la verità ultima.
Nella teoria della gravità quantistica, si presume che il nostro Universo (come tutti gli altri) sia nato come risultato di una fluttuazione casuale del vuoto quantistico, un ambiente macroscopico globale in cui non c'era tempo. Ogni volta che una fluttuazione di una certa dimensione appare in un vuoto quantistico, nasce un nuovo Universo. Si “ramifica” dall'ambiente omogeneo in cui si è formato e inizia la propria vita. Adesso ha la sua storia, il suo spazio, il suo tempo, la sua freccia del tempo.
Nella fisica moderna sono state create una serie di teorie che mostrano come da un ambiente eternamente esistente, dove non c'è Macrotime, ma in alcuni punti del quale scorre il suo microtime, può sorgere un mondo così enorme, come il nostro.
Ad esempio, i fisici Gabriele Veneziano e Maurizio Gasperini dall'Italia, nel quadro della teoria delle stringhe, suggeriscono che il cosiddetto "vuoto di stringa" esistesse originariamente. Fluttuazioni quantistiche casuali in esso hanno portato al fatto che la densità di energia ha raggiunto un valore critico e questo ha causato un collasso locale. Che si è conclusa con la nascita del nostro Universo dal vuoto.
Nell'ambito della teoria della geometria quantistica, Abei Ashtekar e Martin Bojovald hanno dimostrato che lo spazio e il tempo possono derivare da strutture fondamentali più primitive, vale a dire "reti di spin".
Eckhard Rebhan dell'Università di Düsseldorf e - indipendentemente da lui - George Ellis e Roy Maartens dell'Università di Cape Town sviluppano l'idea di un "universo statico", già contemplato da Albert Einstein e dall'astronomo britannico Arthur Eddington. Nel loro tentativo di fare a meno degli effetti della gravità quantistica, Rebhan ei suoi colleghi hanno inventato uno spazio sferico in mezzo a un vuoto eterno (o, se preferisci, un'eternità vuota), dove non c'è tempo. A causa di una certa instabilità, qui si sviluppa un processo inflazionistico, che porta a un caldo Big Bang.
Naturalmente, i modelli elencati sono speculativi, ma corrispondono fondamentalmente al moderno livello di sviluppo della fisica e ai risultati delle osservazioni astronomiche degli ultimi decenni. In ogni caso, una cosa è chiara. Il Big Bang è stato più un evento normale, naturale e non unico nel suo genere.
Questo tipo di teoria ci aiuterà a capire cosa sarebbe potuto accadere prima del Big Bang? Se l'universo è nato, cosa l'ha dato alla luce? Dove appare l '"impronta genetica" del suo genitore nelle moderne teorie della cosmologia? 2005 - Abei Ashtekar, ad esempio, ha reso pubblici i risultati dei suoi nuovi calcoli (Tomasz Pavlovsky e Paramprit Singh hanno contribuito a farli). Da loro era chiaro che se le premesse iniziali sono corrette, allora lo stesso spazio-tempo esisteva prima del Big Bang come dopo questo evento. La fisica del nostro universo, come in uno specchio, si rifletteva nella fisica dell'altro mondo. In questi calcoli, il Big Bang, come uno schermo a specchio, ha tagliato l'eternità, ponendosi accanto all'incompatibile: la natura e il suo riflesso. E cos'è l'autenticità qui, cos'è un fantasma?
L'unica cosa che si può vedere "dall'altra parte del vetro dello specchio" è che l'Universo non si stava espandendo in quel momento, ma si stava contraendo. Il Big Bang è diventato il punto del suo crollo. In quel momento, lo spazio e il tempo furono interrotti per un attimo per riflettersi di nuovo - per continuare - per sorgere come una fenice nel mondo che conosciamo, quell'universo che misuriamo con le nostre formule, codici e numeri. L'universo si è letteralmente capovolto, come un guanto o una camicia, e da allora è in costante espansione. Il Big Bang non è stato, secondo Ashtekar, "la creazione dell'intero Universo dal Nulla", ma è stato solo una transizione da una forma dinamica dell'Eternità a un'altra. Forse l'Universo sta attraversando una serie infinita di "big bang", e queste decine di miliardi (o qualsiasi altra cosa) di anni che separano le sue fasi separate sono solo periodi della "sinusoide cosmica"secondo le leggi di cui vive l'universo?
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A. Volkov
