Fisici teorici e cosmologi devono cercare risposte alle domande fondamentali: "Perché siamo qui?", "Quando è apparso l'Universo?" e "Come è successo?" Tuttavia, nonostante l'ovvia importanza di trovare risposte a queste domande, c'è una domanda che mette in ombra tutte con il suo interesse: "Cosa è successo prima del Big Bang?"
Siamo onesti: non possiamo rispondere a questa domanda. Nessuno può. Ma dopotutto nessuno vieta di speculare su questo argomento e di considerare diversi presupposti interessanti? Sean Carroll del California Institute of Technology, ad esempio, è d'accordo con questo. Il mese scorso, Carroll ha partecipato a una riunione semestrale dell'American Astronomical Society, dove ha proposto diversi scenari "pre-esplosivi", il cui "accordo finale" potrebbe essere l'emergere del nostro universo. Ancora una volta, questa è solo speculazione, non teoria, quindi tienilo a mente.
"A quel tempo, per così dire, le leggi della fisica che conosciamo non erano ancora in vigore, perché" allora "non esistevano ancora", dice Carroll.
“Quando i fisici dicono di non avere idea di cosa sia successo allora, lo dicono in tutta serietà. Questo segmento di storia è in un'oscurità assolutamente impenetrabile , concorda Peter Voight, fisico teorico alla Columbia University.
Una delle proprietà più strane del nostro universo è che ha un livello di entropia molto basso. Questo termine ha molte interpretazioni, ma in questo caso stiamo parlando del grado di disturbo. E nel caso dell'Universo, c'è più ordine in esso che disordine. Immagina una bomba piena di sabbia. La bomba esplode e i miliardi di miliardi di granelli di sabbia in essa contenuti si sparpagliano in diverse direzioni - infatti, davanti a voi c'è un modello del Big Bang.
"Solo al posto dell'attesa dispersione caotica, questi granelli di sabbia, che rappresentano la materia del nostro universo, si trasformano immediatamente in molti" castelli di sabbia "già pronti, formati in modo poco chiaro e senza un aiuto esterno", afferma Stephen Countryman, dottorando alla Columbia University.
Il risultato del Big Bang potrebbe (e forse avrebbe dovuto) essere l'emergere di un alto livello di entropia della massa sotto forma di materia distribuita in modo non uniforme. Invece, tuttavia, vediamo sistemi stellari, galassie e interi ammassi di galassie interconnessi. Vediamo l'ordine.
Inoltre, è importante capire che l'entropia, o disordine, può solo aumentare nel tempo: lo stesso castello di sabbia prima o poi e senza un aiuto esterno si disintegrerà di nuovo in molti granelli di sabbia. Inoltre, come sottolinea Carroll, la nostra osservazione del tempo è direttamente correlata al livello di entropia dall'inizio dell'universo. Allo stesso tempo, l'entropia stessa può essere considerata come una sorta di proprietà fisica dipendente dal tempo con una sola direzione di movimento: verso il futuro.
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Quindi, l'entropia, secondo le leggi della fisica, può solo aumentare, ma il suo livello attuale nell'Universo è molto basso. Secondo Carroll, questo può significare solo una cosa: l'Universo primordiale ne aveva un livello ancora più basso, cioè l'Universo avrebbe dovuto essere ancora più organizzato e ordinato. E questo, a sua volta, potrebbe far nascere l'idea di cosa sia successo al nostro Universo prima del Big Bang.
“Ci sono molte persone che credono che l'universo primordiale fosse un sistema molto semplice, poco interessante e inespressivo. Tuttavia, non appena colleghi l'entropia a questa domanda, la prospettiva cambia immediatamente e ti rendi conto che in questo caso ci sono cose che devono essere spiegate”, continua Carroll.
Anche se lasciamo da parte l'entropia, avremo altri aspetti altrettanto importanti che devono essere in qualche modo adattati al nostro attuale universo in cui viviamo. Inoltre, in alcuni casi, un basso livello di entropia sembra meno significativo che in altri. Pertanto, proveremo a considerare le tre ipotesi più popolari su ciò che sarebbe potuto accadere all'Universo prima del Big Bang.
Il modello Big Rebound
Secondo una delle ipotesi, il basso livello di entropia del nostro Universo è dovuto al fatto che il suo aspetto stesso era il risultato della disintegrazione di alcuni "precedenti" Universi. Questa ipotesi afferma che il nostro universo potrebbe essersi formato a seguito di una rapida compressione ("rimbalzo"), guidata da effetti complessi della gravità quantistica (singolarità), che a sua volta ha dato origine al Big Bang. A sua volta, questo può indicare che possiamo vivere con uguale successo sia in qualsiasi punto della sequenza infinita di Universi emergenti, sia, al contrario, nella "prima iterazione" dell'Universo.
Questo modello ipotetico dell'aspetto dell'Universo è talvolta chiamato modello "Big Bounce". La prima menzione di questo termine risale agli anni '60, ma questo modello si è trasformato in un'ipotesi più o meno formata solo negli anni '80 - primi anni '90.
Tra i punti controversi meno significativi, il modello Big Bounce ha anche evidenti difetti. Ad esempio, l'idea di collasso in una singolarità contraddice la teoria della relatività generale di Einstein - le regole con cui funziona la gravità. I fisici credono che l'effetto di singolarità possa esistere all'interno dei buchi neri, ma le leggi fisiche che conosciamo non possono fornirci un meccanismo per spiegare perché “un altro universo”, raggiunta la singolarità, dovrebbe dare origine al Big Bang.
"Non c'è nulla nella relatività generale che indichi un" rimbalzo "del nuovo universo come risultato di una singolarità", afferma Sean Carroll.
Tuttavia, questo non è l'unico grande punto controverso. Il fatto è che il modello Big Bounce implica la presenza di un andamento rettilineo del tempo con entropia decrescente, tuttavia, come detto sopra, l'entropia aumenta solo con il tempo. In altre parole, secondo le leggi della fisica che conosciamo, l'apparenza di un universo che rimbalza è impossibile.
L'ulteriore sviluppo del modello ha portato all'emergere di un'ipotesi che il tempo nell'Universo possa essere ciclico. Ma allo stesso tempo, il modello non è ancora in grado di spiegare come l'attuale espansione dell'Universo verrà sostituita dalla sua contrazione. Eppure questo non significa necessariamente che il modello Big Bounce sia completamente sbagliato. È possibile che le nostre attuali teorie al riguardo siano semplicemente imperfette e non completamente pensate. Dopotutto, le leggi della fisica che abbiamo ora derivano dal limite in base al quale siamo in grado di osservare l'universo.
Il modello dell'universo dormiente
"Forse prima del Big Bang, l'universo era uno spazio statico molto compatto, in lenta evoluzione", teorizzano fisici come Kurt Hinterbichler, Austin Joyce e Justin Khoury.
Questo Universo "pre-esplosivo" doveva avere uno stato metastabile, cioè essere stabile finché non apparisse uno stato ancora più stabile. Per analogia, immagina una scogliera, sul bordo della quale un masso è in uno stato di vibrazione. Qualsiasi contatto con il masso porterà al fatto che cade nell'abisso o - che è più vicino al nostro caso - un Big Bang. Secondo alcune teorie, l'universo "pre-esplosivo" potrebbe esistere in una forma diversa, ad esempio sotto forma di uno spazio appiattito e molto denso. Di conseguenza, questo periodo metastabile si è concluso: si è espanso notevolmente e ha acquisito la forma e lo stato di ciò che vediamo ora.
"Il modello dell'universo dormiente, tuttavia, ha anche i suoi problemi", afferma Carroll.
"Presume anche che il nostro universo abbia un basso livello di entropia e non spiega perché sia così".
Tuttavia, Hinterbichler, un fisico teorico presso la Case Western Reserve University, non vede l'emergere della bassa entropia come un problema.
“Stiamo solo cercando una spiegazione delle dinamiche che hanno avuto luogo prima del Big Bang, il che spiega perché vediamo ciò che vediamo ora. Finora, questa è l'unica cosa rimasta per noi , afferma Hinterbichler.
Carroll, tuttavia, crede che ci sia un'altra teoria di un universo "pre-esplosivo" che può spiegare il basso livello di entropia trovato nel nostro universo.
Il modello multiverso
L'emergere di nuovi universi dall '"universo genitore"
L'ipotetico modello multiverso evita la reticenza di diminuzione dell'entropia del modello Big Bounce e fornisce una spiegazione per il suo basso livello oggi, afferma Carroll. Nasce dall'idea di "inflazione" - un modello dell'universo ben accettato ma incompleto. Il termine "inflazione" e la prima spiegazione per questo modello è stato proposto nel 1981 dal fisico Alan Guth, attualmente al Massachusetts Institute of Technology. Secondo questo modello, lo spazio dopo il Big Bang si è notevolmente ampliato. Così drammaticamente che la velocità di questa espansione era superiore alla velocità della luce. Secondo la meccanica quantistica, nello spazio si verificano costantemente fluttuazioni casuali e sottili di energia. Ad un certo punto del periodo inflazionistico, i picchi di queste fluttuazioni hanno raggiunto il loro massimo e hanno causato la comparsa di galassie,vuoti e strutture a bassa entropia su larga scala che osserviamo oggi nell'Universo.
Il modello inflazionistico stesso è stato sviluppato sulla base di osservazioni della radiazione di fondo cosmica a microonde, il tipo più antico di radiazione apparso solo poche centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang. Gli scienziati ritengono che il modello inflazionistico preveda perfettamente la sua esistenza.
Un'ipotesi è che il multiverso potrebbe essere il risultato dell'inflazione. L'assunto dice che ci sia un universo molto, molto grande, che di tanto in tanto dà origine a universi più compatti. Inoltre, nessuna forma di comunicazione tra questi universi è possibile. Markus Wu di PBS Nova spiega:
“All'inizio degli anni '80, i fisici giunsero alla conclusione che l'inflazione può avere la natura dell'infinito, fermandosi solo in alcune regioni dello spazio, creando una sorta di“sacche”chiuse. Tuttavia, tra queste "sacche" l'inflazione continua e scorre più veloce della velocità della luce. A loro volta, isolate l'una dall'altra, le "tasche" alla fine diventano universi.
Carroll è molto colpito da questo modello, sebbene il suo modello proposto sia in qualche modo diverso da quanto descritto sopra:
"Questa è solo una versione della teoria del multiverso, ma la differenza principale qui è che l '" universo genitore "può avere un alto livello di entropia e genera universi con un basso livello di entropia", dice Carroll.
Secondo questo modello, prima del Big Bang, c'era una sorta di grande spazio in espansione da cui nacquero il nostro e un numero infinito di altri universi. Altri universi sono oltre la nostra capacità di rilevarli e potrebbero essersi formati sia prima che dopo il nostro universo.
Va notato che al momento questo è uno dei modelli più popolari. Tuttavia, gli scienziati, ovviamente, lo percepiscono in modo diverso. Alcuni supportano questa idea, altri, al contrario, sono completamente in disaccordo con essa. Ma se prendiamo come esempio Peter Voight della Columbia University, la teoria del Multiverso, sebbene sembri molto attraente dal punto di vista della scienza popolare, può rendere pigri i fisici e farli smettere di cercare risposte alle domande più basilari, ad esempio, perché sono costanti fisiche nel nostro Universo? esattamente come sono - cancellando tutta la variabilità.
"I teorici ipotizzano la possibilità di un numero infinito di universi e alla fine possiamo trovare modelli chiari che possono spiegare perché i valori (come le proprietà fondamentali delle particelle che osserviamo) possono differire l'uno dall'altro in ogni singolo universo", afferma Voight …
Voight teme che un giorno la domanda principale per la scienza in quest'area sarà il ragionamento sull'argomento "quanto siamo fortunati ad essere in questo universo casuale, dove tutto accade in questo modo e non in un altro modo, nonostante l'infinita varietà di possibilità, quindi lasciamo perdere questa avventura con le teorie ".
Cosa si può riassumere? Molti fisici vengono pagati per discutere e scrivere libri in cui cercano di descrivere come il Big Bang e il modello dell'universo "pre-esplosivo" possano spiegare ciò che vediamo oggi, sebbene loro stessi non lo sappiano e non lo sappiano davvero. perché è così. Il fatto è che, anche se ci sono serie semplificazioni sia nei modelli matematici che nelle spiegazioni, non ci siamo avvicinati alla risposta corretta e abbiamo ancora molti ragionamenti su questo argomento fino a quando non arriviamo al risultato desiderato.
“È importante non solo avanzare teorie e ipotesi. È molto più importante far capire alle persone che in realtà noi stessi non capiamo ancora di cosa stiamo parlando. Tutto questo è solo a livello di ipotesi, ma spero che prima o poi saremo in grado di trovare la risposta giusta che vada bene a tutti”, afferma Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK
