L'universo ha avuto un inizio. Ma da dove è iniziato? Cosa sei diventato all'inizio? Sappiamo che tutto è iniziato con un'espansione abbastanza rapida e si è concluso con l'apparizione di un gran numero di galassie fatte di piccole particelle. Ma cosa è successo prima? Quali erano le leggi della fisica quando tutto è iniziato? I famosi fisici James Hartl e Stephen Hawking hanno offerto diverse risposte a queste domande diversi decenni fa. Un nuovo lavoro di un altro gruppo di fisici ha analizzato la popolare interpretazione di Hawking e Hartle della geometria del Big Bang e ha avuto dei problemi. Questi risultati fanno luce sul problema dell'inizio dell'universo. Un nuovo ostacolo che tutte le teorie del futuro dovranno superare.
"Abbiamo cercato di fare un calcolo più rigoroso e abbiamo ottenuto una soluzione diversa", afferma Job Feldbrügge, uno studente laureato residente presso il Perimeter Institute. "La teoria che stiamo usando getta nuova luce sulla teoria esistente e mostra che potrebbe non funzionare come ci aspettavamo".
Gli scienziati di solito cercano di capire l'inizio dell'universo osservando le leggi di gravità di Einstein, chiamate relatività generale, e interpretandole al contrario. Dopotutto, vogliono arrivare al punto in cui l'universo era molto piccolo. Ma le domande più interessanti sorgono su come fosse il giovane universo, se fosse abbastanza piccolo da obbedire alle leggi della meccanica quantistica, che governa le particelle, gli atomi e i fotoni più piccoli.
Esistono diversi modi per creare un universo come il nostro. Forse, pensavano Hawking e Hartle, questo universo condensato era solo un punto nello spazio con uno stato quantico speciale, la cosiddetta funzione d'onda, che descrive tutto nel linguaggio della meccanica quantistica. Poi è arrivato il momento. Filosofia e religione devono parlare molto di questo argomento, ma i matematici hanno solo bisogno di carta e penna. Questo universo di punti si è sviluppato sulla base della matematica della relatività generale con le proprietà originali della meccanica quantistica incorporate nella sua struttura. Pertanto, queste minuscole fluttuazioni casuali di energia nello spazio dovrebbero, nel corso della rapida espansione - l'inflazione - trasformarsi in differenze di densità su larga scala che osserviamo nell'Universo moderno, con galassie e vuoti. La teoria di Hawking e Hartle era uno dei tanti modi per segnare l'inizio di un universo senza una singolarità, un punto di volume zero e una massa infinita che non aveva molto senso. Altre idee, come quelle proposte da Alexander Vilenkin, non implicavano questa singolarità iniziale.
Un nuovo articolo apparso di recente sul server di prestampa arXiv introduce un problema. Calcolando nella matematica di Hawking, Hartles e Vilenkin, il nuovo team non ha ottenuto le minuscole fluttuazioni quantistiche necessarie per creare l'universo di oggi. Invece, queste fluttuazioni sono gigantesche e creano un universo completamente diverso dal nostro.
"I calcoli che abbiamo fatto hanno portato a forti onde gravitazionali dopo il Big Bang", dice Feldbrugge - enormi fluttuazioni nella forma dello spaziotempo stesso. “Non potrebbe portare a un universo come lo è oggi. I calcoli contraddicono ciò che vediamo ".
Hartl non è particolarmente preoccupato per i risultati della squadra del Feldbrugge. "In cosmologia, abbiamo ancora pochi dati rispetto a quello che avrebbero potuto essere", dice. "Quindi facciamo del nostro meglio per supportare il pezzo di teoria che meglio si adatta alle nostre osservazioni". Vede il nuovo lavoro come un altro tentativo di ribaltare il gioco offrendo più informazioni e un diverso percorso matematico che gli scienziati possono seguire. "I ricercatori hanno il diritto di scegliere se perseguire questa idea o un'altra".
Il suo team ha anche recentemente pubblicato un altro articolo che rivede la sua matematica e dimostra perché la sua teoria funziona ancora.
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Eppure la matematica di Feldbrugge e del suo team sembra mostrare che un'apparizione liscia di un universo senza alcuna singolarità "non è un'opzione". La loro matematica contesta direttamente Hartle e Hawking.
Collegare la meccanica quantistica e la relatività generale per spiegare l'inizio dell'universo non è né nuovo né quasi risolto. In effetti, questo è uno dei problemi principali che i fisici teorici stanno cercando di risolvere, data la sua importanza per la comprensione dell'origine dell'universo, quando entrambi gli insiemi di leggi sono applicati sulla stessa scala, e l'importanza per i buchi neri in cui la gravità è così forte che la luce non posso lasciarla.
Ma soprattutto, Feldbrugge non crede che un universo che inizia con le leggi della meccanica quantistica e della relatività possa creare piccole fluttuazioni che porterebbero a un universo come il nostro - pensa che ci debba essere qualcos'altro. "Non è chiaro quale soluzione sarà l'opzione finale", afferma.
Le opinioni dei fisici su questo argomento sono molto diverse. Paul Steinhardt, professore di fisica all'Università di Princeton, afferma che esistono già modi alternativi per evitare problemi in un nuovo lavoro, così come altre lamentele sul modello Hawking-Hartle. Questo cosiddetto modello infinito richiede alcune soluzioni matematiche per creare un universo come il nostro.
“Qual è l'alternativa? Un rimbalzo senza una singolarità , dice, riferendosi a un modello che sta sviluppando con la cosmologa teorica di Princeton Anna Idjas. Secondo questo modello, l'universo collassa e poi si dispiega nel nostro universo, molto prima che si possa iniziare a pensare agli effetti della meccanica quantistica.
Sabine Hossenfelder, ricercatrice presso l'Istituto di studi avanzati di Francoforte, non è sicura dei nuovi risultati. “L'unica cosa che posso concludere è che non sapevamo come iniziò l'universo prima che questo lavoro fosse scritto. E non lo sapevamo dopo che questo lavoro è stato pubblicato . I teorici prendono seriamente la matematica e hanno fatto questi calcoli con il tempo e lo spazio molto prima che i telescopi li confermassero. L'unico modo per sapere con certezza cosa sta succedendo è attraverso la sperimentazione.
Oggi, la maggior parte di queste teorie può essere confermata o smentita dalle osservazioni della luce più antica che ci è pervenuta, il fondo cosmico a microonde. Gli scienziati sperano che le intuizioni delle loro teorie aiuteranno a isolare firme importanti da questi dati.
È possibile controllare il lavoro di Feldbrugge e del suo team? Stanno appena iniziando. Ovviamente il controllo richiederà molto tempo. Gli scienziati devono infine creare un universo che assomigli al nostro. Ma i dettagli di questo processo non sono ancora stati determinati.
ILYA KHEL
