Le persone sono sempre state affascinate da due teorie principali sull'origine dell'universo. "In uno di essi, l'Universo emerge in un singolo momento della creazione (come nella cosmogonia giudaico-cristiana e brasiliana)", hanno scritto i cosmologi Mario Novello e Santiago Perez-Bergliff nel 2008. In un altro - "L'universo è eterno e consiste in una serie infinita di cicli (come nella cosmogonia dei Babilonesi e degli Egiziani)". La divisione nella cosmologia moderna "in qualche modo riecheggia i miti cosmogonici", hanno scritto i cosmologi.
Può sembrare che non ci siano stati molti confronti negli ultimi decenni. La teoria del Big Bang, un argomento standard nei libri di testo e nei programmi TV, gode di un forte sostegno da parte dei cosmologi moderni. L'immagine di un universo eterno era preferibile circa cento anni fa, ma ha perso il supporto quando gli astronomi hanno visto che il cosmo si stava espandendo e che era piccolo e semplice 14 miliardi di anni fa. Nella versione moderna più popolare di questa teoria, il Big Bang è iniziato con la cosiddetta "inflazione cosmica" - un'esplosione di espansione esponenziale, durante la quale una fetta infinitesimale di spaziotempo si è gonfiata in uno spazio enorme, piatto e macroscopico, che da allora ha continuato ad espandersi.
Oggi, utilizzando un ingrediente iniziale (il campo inflatonico), i modelli inflazionistici riproducono molti dei dettagli noti del cosmo. Ma come storia di origine, la teoria dell'inflazione perde in molti modi: non è chiaro cosa l'abbia preceduta e cosa fosse prima. Molti teorici ritengono che il campo dell'inflazione dovrebbe naturalmente inserirsi in una teoria dell'origine del tempo più completa, anche se ancora sconosciuta.
Negli ultimi anni, sempre più cosmologi hanno iniziato a rivedere con cautela l'alternativa. Dicono che il Big Bang avrebbe potuto essere … il Big Rebound. Alcuni cosmologi preferiscono vedere un'immagine in cui l'universo si espande e si contrae ciclicamente come un polmone, rimbalzando ogni volta che si contrae a una certa dimensione; altri suggeriscono che lo spazio sia rimbalzato solo una volta - e che sia collassato prima di rimbalzare per un tempo infinitamente lungo e che si sarebbe espanso indefinitamente. In qualsiasi modello, il tempo continua a fluire nel passato e nel futuro senza fine.
C'è speranza con la scienza moderna per risolvere questo antico dibattito. Nei prossimi anni, i telescopi dovrebbero trovare prove convincenti dell'inflazione cosmica. Durante la prima crescita dilagante - se ce ne fosse stata una - le increspature quantistiche nel tessuto dello spaziotempo avrebbero dovuto allungarsi e impresse come piccoli vortici nella polarizzazione della luce antica - il fondo cosmico a microonde. Esperimenti con telescopi moderni e futuri cercano questi vortici. Se non si trovano nei prossimi decenni, ciò non significa nemmeno che la teoria dell'inflazione è sbagliata (dopotutto, questi vortici potrebbero essere troppo deboli), ma rafforzerà la posizione della cosmologia del rimbalzo, secondo la quale questi vortici non dovrebbero esistere.
Diversi gruppi di scienziati hanno compiuto simultaneamente progressi notevoli. L'anno scorso, i fisici hanno identificato due nuove opzioni per un possibile rimbalzo. Uno dei modelli, descritto in un articolo apparso sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, è stato presentato da Anna Idjas della Columbia University, in seguito al suo precedente lavoro con il cosmologo Paul Steinhardt. Sorprendentemente, un'altra nuova soluzione di rimbalzo, accettata per la pubblicazione su Physical Review D, è stata proposta da Peter Graham, David Kaplan e Surjit Rahendran, un noto trio di scienziati che erano più concentrati sulla fisica delle particelle e non erano affiliati alla comunità dei cosmologi del rimbalzo.
In generale, questa domanda ha assunto un nuovo significato nel 2001, quando Steinhardt e altri tre cosmologi hanno affermato che il periodo di lenta compressione nella storia dell'Universo potrebbe spiegare la sua eccezionale levigatezza e piattezza che osserviamo oggi, anche dopo un rimbalzo, senza dover collegare l'inflazione.
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L'impeccabile semplicità dell'universo, il fatto che nessuna regione del cielo contiene più materia di qualsiasi altra, e che lo spazio sia piatto come i telescopi possono vedere, sono tutti sorprendenti e inspiegabili. Affinché lo spazio fosse omogeneo com'è, gli esperti ritengono che quando lo spazio era largo un centimetro, doveva avere la stessa densità ovunque entro una parte ogni 100.000. Ma siccome cresceva da piccole dimensioni, la materia e l'energia dovevano immediatamente ammassare e distorcere lo spazio-tempo. Perché i nostri telescopi non possono vedere un universo distrutto dalla gravità?
"L'inflazione è nata dall'idea che la levigatezza e la piattezza dell'universo sono folli", afferma il cosmologo Neil Turok, direttore dell'Istituto di fisica teorica del perimetro a Waterloo, Ontario, e coautore di un articolo del 2001 sulla contrazione cosmica di Steinhardt, Justin Howry e Bert Ovroot. … Secondo lo scenario inflazionistico, una regione di dimensioni centimetriche è emersa nel processo di espansione inflazionistica di una regione ancora più piccola: un piccolo granello non più grande di un trilionesimo di trilionesimo di centimetro. Distendendosi in un campo inflatonico piatto e liscio, questo granello non avrebbe dovuto attraversare forti fluttuazioni dello spazio e del tempo e distendersi in un universo ampio e liscio come il nostro. Raman Sundrum, un fisico teorico presso l'Università del Maryland, ha detto che gli piaceva la "resilienza incorporata" nell'inflazione. Se, durante la fase di crescita esplosiva, ci fosse un accumulo di energia che distorce lo spazio-tempo in un certo luogo, questa concentrazione dovrebbe essersi espansa rapidamente.
Tuttavia, nessuno lo sa da dove provenisse esattamente questo piccolissimo granello e perché fosse così liscio e piatto. I teorici hanno trovato molte opzioni possibili per incorporare il campo di inflazione nella teoria delle stringhe, da cui si può derivare una teoria quantistica della gravità. Ma finora non ci sono fatti né a favore né contro queste idee.
Anche l'inflazione cosmica ha una conseguenza controversa. La teoria presentata negli anni '80 da Alan Guth, Andrey Linde, Alexei Starobinsky e Steinhardt porta quasi automaticamente all'ipotesi che il nostro universo sia una bolla casuale in un mare infinito di multiverso. Non appena l'inflazione inizia, i calcoli mostrano che andrà avanti per sempre e si fermerà solo in luoghi, in "tasche", in cui fioriranno universi come il nostro. La possibilità di un multiverso in continua espansione nel processo di inflazione suggerisce che la nostra particolare bolla potrebbe rimanere per sempre incomprensibile, dal momento che tutto il possibile è accaduto nel multiverso un numero infinito di volte. Naturalmente, questa conclusione fa venire il bavaglio agli esperti. È difficile immaginare che il nostro universo possa essere solo uno dei tanti. Lo stesso Steinhardt ha definito questa idea "spazzatura".
Questo atteggiamento ha in parte motivato lui e altri ricercatori ad affrontare i rimbalzi. "Non esiste un periodo di inflazione nel modello di rimbalzo", afferma Turok. Invece, hanno aggiunto un periodo di compressione pre-Big Bang che spiega il nostro universo omogeneo. "Proprio come il gas nella tua stanza è completamente omogeneo perché le molecole d'aria si sono scontrate e si sono mescolate, così l'universo era grande e lentamente compresso, il che gli ha dato il tempo di appianarsi".
Sebbene i primi modelli di un universo in contrazione fossero confusi e imprecisi, molti scienziati si sono convinti dell'idea di base: che il lento restringimento potrebbe spiegare molte delle caratteristiche del nostro universo in espansione. “E poi il rimbalzo è diventato il collo di bottiglia. La gente ha convenuto che entrare nella fase di contrazione è molto interessante, ma non se non puoi entrare nella fase di espansione.
Rimbalzare non è facile. Negli anni '60, i fisici britannici Roger Penrose e Stephen Hawking hanno dimostrato una serie di cosiddetti "teoremi di singolarità" mostrando che, in condizioni molto generali, la compressione di materia ed energia si tradurrebbe inevitabilmente in un punto incommensurabilmente denso - una singolarità. Questi teoremi difficilmente possono accogliere l'idea di come un universo in contrazione, in cui materia, spazio-tempo ed energia rotolano verso l'interno, eviti il collasso a una singolarità - in cui la teoria classica della gravità e dello spazio-tempo di Albert Einstein cessa di funzionare e in cui le regole della gravità quantistica iniziano a funzionare … Perché un universo in contrazione dovrebbe sfuggire al destino di una stella enorme che muore, si restringe fino a diventare un buco nero?
Entrambi i modelli di rimbalzo proposti sfruttano le lacune nei teoremi di singolarità, quelli che sono sembrati vicoli ciechi per molti anni. I cosmologi del rimbalzo hanno da tempo riconosciuto che i rimbalzi potrebbero essere possibili se l'universo contenesse materia di energia negativa (o altre fonti di pressione negativa) che contrasta la gravità e respinge tutto. Gli scienziati hanno cercato di sfruttare questa scappatoia sin dai primi anni 2000, ma hanno sempre scoperto che l'aggiunta di ingredienti di energia negativa rende instabile il loro modello dell'universo, perché le fluttuazioni quantistiche di energia positiva e negativa possono emergere spontaneamente in un vuoto spaziale a energia zero. Nel 2016, il cosmologo russo Valery Rubakov ei suoi colleghi hanno persino dimostrato un teorema che escludeva un'ampia classe di meccanismi di rimbalzo.
Quindi Idjas ha trovato un meccanismo di rimbalzo che può aggirare anche questa eccezione. L'ingrediente chiave del suo modello è un'entità semplice, un "campo scalare" che, in teoria, potrebbe entrare in gioco quando l'universo si stava contraendo e l'energia diventava altamente concentrata. Il campo scalare potrebbe nascondersi nel campo gravitazionale in modo tale da esercitare una pressione negativa sull'universo, impedendone la compressione e allungando lo spaziotempo. Il lavoro di Idjas è "il miglior tentativo di sfruttare tutte le possibili instabilità e creare un modello veramente stabile con questo particolare tipo di materia", afferma Jean-Luc Leiners, cosmologo teorico presso l'Istituto Max Planck di fisica gravitazionale in Germania che ha lavorato anche sulle variazioni di rimbalzo.
Graham, Kaplan e Rahendran hanno presentato la loro idea di rimbalzo non singolare in un preprint su arxiv.org nel settembre 2017. Hanno iniziato il loro lavoro chiedendosi se la precedente fase di contrazione nella storia dell'universo potesse spiegare il significato della costante cosmologica - un numero sorprendentemente piccolo che determina la quantità di energia oscura cucita nel tessuto dello spazio-tempo, l'energia che spinge l'espansione accelerata dell'universo.
Lavorando sulla parte più difficile - il rimbalzo - il trio ha sfruttato una seconda scappatoia, in gran parte dimenticata, nei teoremi della singolarità. Si ispirarono allo strano modello dell'universo proposto dal logico Kurt Gödel nel 1949, quando lui ed Einstein lavorarono all'Institute for Advanced Study di Princeton. Gödel ha usato le leggi della relatività generale per creare una teoria di un universo rotante, la cui rotazione lo ha impedito di collassare gravitazionale nello stesso modo in cui l'orbita terrestre gli impedisce di cadere sul Sole. Gödel ha in particolare sottolineato il fatto che il suo universo rotante consentiva "curve chiuse simili al tempo", cioè, in effetti, cicli temporali. Fino alla sua morte, credeva che l'universo ruotasse esattamente come suggerisce il suo modello. Gli scienziati oggi sanno che non è così;altrimenti, alcune direzioni e ordinamenti nello spazio sarebbero preferibili ad altri. Ma Graham e compagnia hanno riflettuto sulle piccole dimensioni spaziali vorticose che potrebbero esistere nello spazio, come le sei dimensioni extra postulate dalla teoria delle stringhe. Un universo in contrazione potrebbe ruotare in queste direzioni?
Immagina che ci sia solo una di queste dimensioni extra contorte, un minuscolo cerchio in ogni punto dello spazio. Come dice Graham, "in ogni punto dello spazio c'è una direzione aggiuntiva in cui puoi muoverti, la dimensione quadridimensionale, ma puoi camminare solo per una breve distanza e tornare al punto di partenza". Se ci sono almeno tre dimensioni extra compatte, quando l'universo si contrae, la materia e l'energia possono iniziare a ruotare in esse e le dimensioni stesse ruoteranno con la materia e l'energia. Una rotazione in dimensioni extra può provocare improvvisamente un rimbalzo. "Tutta questa roba che avrebbe dovuto collassare in una singolarità non ci arriverà a causa della rotazione in dimensioni extra", dice Graham. "Tutta questa sostanza a un certo punto doveva collassare,ma invece volerà via."
Il lavoro degli scienziati ha attirato l'attenzione di persone al di fuori della consueta cerchia di cosmologi del rimbalzo. Sean Carroll, un fisico teorico presso il California Institute of Technology, è scettico su di lei, ma definisce l'idea stessa "molto intelligente". Crede che sia importante sviluppare alternative alla storia tradizionale dell'inflazione per capire quanto meglio si confronterà la teoria dell'inflazione, specialmente quando verrà lanciata la prossima generazione di telescopi. Crede inoltre che se una teoria alternativa ha anche il 5% di possibilità di successo, vale la pena testarla. E questo lavoro non fa eccezione.
Ilya Khel
