Il titolo di questo articolo potrebbe non sembrare uno scherzo intelligente. Secondo il concetto cosmologico generalmente accettato, la teoria del Big Bang, il nostro Universo è nato da uno stato estremo di vuoto fisico generato da una fluttuazione quantistica. In questo stato, né il tempo né lo spazio esistevano (o erano impigliati nella schiuma spazio-temporale) e tutte le interazioni fisiche fondamentali erano fuse insieme. Successivamente si separarono e acquisirono un'esistenza indipendente: prima gravità, poi forte interazione e solo allora debole ed elettromagnetica.
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La teoria del Big Bang è considerata attendibile dalla maggioranza assoluta degli scienziati che studiano la storia primordiale del nostro universo. Spiega davvero molto e non contraddice in alcun modo i dati sperimentali. Recentemente, tuttavia, ha un rivale di fronte a una nuova teoria ciclica, le cui basi sono state sviluppate da due fisici extra-class: il direttore dell'Istituto di scienze teoriche dell'Università di Princeton Paul Steinhardt e il vincitore della Maxwell Medal e del prestigioso premio internazionale TED Neil Turok, direttore del Canadian Institute for Advanced Study in Theoretical. Fisica (Istituto perimetrale di fisica teorica). Con l'aiuto del professor Steinhardt, Popular Mechanics ha cercato di parlare della teoria ciclica e delle ragioni della sua comparsa.
Il momento che precede gli eventi, quando "prima gravità, poi forte interazione, e solo allora - debole ed elettromagnetico". Apparentemente è consuetudine designare come tempo zero, t = 0, ma questa è pura convenzione, un tributo al formalismo matematico. Secondo la teoria standard, il flusso continuo del tempo è iniziato solo dopo che la forza di gravità è diventata indipendente. Questo momento è solitamente attribuito al valore t = 10-43 s (più precisamente, 5,4x10-44 s), che è chiamato tempo di Planck. Le moderne teorie fisiche semplicemente non sono in grado di lavorare in modo significativo con periodi di tempo più brevi (si ritiene che ciò richieda una teoria quantistica della gravità, che non è stata ancora creata). Nel contesto della cosmologia tradizionale, non ha senso parlare di ciò che è accaduto prima del momento iniziale,perché il tempo nella nostra comprensione semplicemente non esisteva allora.
Il concetto di inflazione è una parte essenziale della teoria cosmologica standard (vedi barra laterale). Dopo la fine dell'inflazione, la gravità ha preso il sopravvento e l'Universo ha continuato ad espandersi, ma a un ritmo decrescente. Questa evoluzione è durata 9 miliardi di anni, dopodiché è entrato in azione un altro campo antigravitazionale di natura ancora sconosciuta, chiamato energia oscura. Di nuovo ha portato l'Universo in una modalità di espansione esponenziale, che, a quanto pare, dovrebbe rimanere nei tempi futuri. Va notato che queste conclusioni si basano su scoperte astrofisiche fatte alla fine del secolo scorso, quasi 20 anni dopo la comparsa della cosmologia inflazionistica.
L'interpretazione inflazionistica del Big Bang è stata proposta per la prima volta circa 30 anni fa e da allora è stata più volte perfezionata. Questa teoria ha permesso di risolvere diversi problemi fondamentali che la precedente cosmologia non era riuscita a far fronte. Ad esempio, ha spiegato perché viviamo in un universo con geometria euclidea piatta: secondo le equazioni classiche di Friedmann, questo è esattamente ciò che dovrebbe fare con l'espansione esponenziale. La teoria inflazionistica ha spiegato perché la materia cosmica ha una granularità su una scala non superiore a centinaia di milioni di anni luce ed è distribuita uniformemente su lunghe distanze. Ha anche fornito un'interpretazione del fallimento di qualsiasi tentativo di rilevare monopoli magnetici, particelle molto massicce con un unico polo magnetico, che si ritiene sianosono nati in abbondanza prima dell'inizio dell'inflazione (l'inflazione ha allungato lo spazio così che l'alta densità iniziale di monopoli è stata ridotta quasi a zero, e quindi i nostri strumenti non sono in grado di rilevarli).
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Subito dopo la comparsa del modello inflazionistico, diversi teorici si resero conto che la sua logica interna non contraddiceva l'idea della nascita multipla permanente di universi sempre più nuovi. In effetti, le fluttuazioni quantistiche, come quelle che dobbiamo all'esistenza del nostro mondo, possono verificarsi in qualsiasi quantità, purché le condizioni siano giuste. Non è escluso che il nostro universo abbia lasciato la zona di fluttuazione formata nel mondo predecessore. Allo stesso modo, si può presumere che qualche volta e da qualche parte nel nostro Universo si formi una fluttuazione che "spegne" un universo giovane di tipo completamente diverso, capace anche di "procreazione" cosmologica. Ci sono modelli in cui tali universi infantili emergono continuamente, si dipartono dai loro genitori e trovano il proprio posto. Inoltre, non è affatto necessario che le stesse leggi fisiche siano stabilite in tali mondi. Tutti questi mondi sono "annidati" in un unico continuum spazio-temporale, ma sono così distanziati che non si sentono in alcun modo l'uno la presenza dell'altro. In generale, il concetto di inflazione consente - inoltre obbliga! - di credere che nel gigantesco megacosmo ci siano molti universi isolati con disposizioni differenti.
I fisici teorici amano trovare alternative anche alle teorie più generalmente accettate. Anche il modello inflazionistico del Big Bang ha concorrenti. Non hanno ricevuto ampio sostegno, ma hanno e hanno i propri seguaci. La teoria di Steinhardt e Turok tra loro non è la prima e certamente non l'ultima. Tuttavia, oggi è stato sviluppato in modo più dettagliato rispetto agli altri e spiega meglio le proprietà osservate del nostro mondo. Ha diverse versioni, alcune delle quali si basano sulla teoria quantistica delle stringhe e sugli spazi multidimensionali, mentre altre si basano sulla teoria quantistica dei campi tradizionale. Il primo approccio fornisce immagini più vivide dei processi cosmologici, quindi ci soffermeremo su di esso.
La versione più avanzata della teoria delle stringhe è nota come M-teoria. Afferma che il mondo fisico ha 11 dimensioni: dieci spaziali e una temporale. Vi galleggiano spazi di dimensioni inferiori, le cosiddette brane. Il nostro universo è solo una di queste brane, con tre dimensioni spaziali. È pieno di varie particelle quantistiche (elettroni, quark, fotoni, ecc.), Che in realtà sono stringhe vibranti aperte con una sola dimensione spaziale: la lunghezza. Le estremità di ciascuna corda sono fissate saldamente all'interno di una brana tridimensionale e la corda non può lasciare la brana. Ma ci sono anche stringhe chiuse che possono migrare al di fuori delle brane: questi sono gravitoni, quanti del campo gravitazionale.
In che modo la teoria ciclica spiega il passato e il futuro dell'universo? Cominciamo con l'era attuale. Il primo posto ora appartiene all'energia oscura, che sta facendo sì che il nostro universo si espanda in modo esponenziale, raddoppiando periodicamente le dimensioni. Di conseguenza, la densità della materia e della radiazione diminuisce costantemente, la curvatura gravitazionale dello spazio si indebolisce e la sua geometria diventa sempre più piatta. Nei prossimi trilioni di anni, la dimensione dell'Universo raddoppierà circa cento volte e si trasformerà in un mondo quasi vuoto, completamente privo di strutture materiali. Accanto a noi c'è un'altra brana tridimensionale, separata da noi da una piccolissima distanza nella quarta dimensione, e anch'essa subisce un'analoga espansione esponenziale e appiattimento. Per tutto questo tempo, la distanza tra le brane praticamente non cambia.
E poi queste brane parallele iniziano a convergere. Sono spinti l'uno verso l'altro da un campo di forza, la cui energia dipende dalla distanza tra le brane. Ora la densità di energia di un tale campo è positiva, quindi lo spazio di entrambe le brane si sta espandendo in modo esponenziale - quindi, è questo campo che fornisce l'effetto che è spiegato dalla presenza di energia oscura! Tuttavia, questo parametro sta gradualmente diminuendo e tra un trilione di anni scenderà a zero. Entrambe le brane continueranno comunque ad espandersi, ma non in modo esponenziale, ma a un ritmo molto lento. Di conseguenza, nel nostro mondo, la densità delle particelle e della radiazione rimarrà quasi zero e la geometria rimarrà piatta.
Ma la fine della vecchia storia è solo un preludio al ciclo successivo. Le brane si muovono l'una verso l'altra e alla fine si scontrano. In questa fase, la densità di energia del campo interprofessionale scende sotto lo zero e inizia ad agire come la gravità (lasciate che vi ricordi che l'energia potenziale della gravità è negativa!). Quando le brane sono molto vicine, il campo inter-brane inizia ad amplificare le fluttuazioni quantistiche in ogni punto del nostro mondo e le trasforma in deformazioni macroscopiche della geometria spaziale (ad esempio, in un milionesimo di secondo prima della collisione, la dimensione calcolata di tali deformazioni raggiunge diversi metri). Dopo l'urto, è in queste zone che viene rilasciata la parte del leone dell'energia cinetica rilasciata durante l'impatto. Di conseguenza, è lì che si forma la maggior parte del plasma caldo con una temperatura di circa 1023 gradi. Sono queste regioni che diventano nodi gravitazionali locali e si trasformano negli embrioni di future galassie.
Una tale collisione sostituisce il Big Bang della cosmologia inflazionistica. È molto importante che tutta la materia di nuova formazione con energia positiva appaia a causa dell'energia negativa accumulata del campo interprofessionale, quindi la legge di conservazione dell'energia non viene violata.
Come si comporta un simile campo in questo momento cruciale? Prima della collisione, la densità della sua energia raggiunge un minimo (e negativo), quindi inizia ad aumentare e in caso di collisione diventa zero. Le brane poi si respingono e iniziano a disperdersi. La densità dell'energia ramificata subisce un'evoluzione inversa - di nuovo diventa negativa, zero, positiva. La brana, arricchita di materia e radiazione, dapprima si espande con velocità decrescente sotto l'effetto frenante della propria gravitazione, quindi passa nuovamente all'espansione esponenziale. Il nuovo ciclo finisce come il precedente - e così via all'infinito. I cicli precedenti al nostro si sono verificati anche nel passato: in questo modello il tempo è continuo, quindi il passato esiste oltre i 13,7 miliardi di anni trascorsi dall'ultimo arricchimento della nostra brana con materia e radiazione!Che abbiano avuto un inizio, la teoria è silenziosa.
La teoria ciclica spiega le proprietà del nostro mondo in un modo nuovo. Ha una geometria piatta, poiché alla fine di ogni ciclo si allunga eccessivamente e si deforma solo leggermente prima di iniziare un nuovo ciclo. Le fluttuazioni quantistiche, che diventano i precursori delle galassie, sorgono caoticamente, ma in media in modo uniforme, quindi lo spazio esterno è pieno di ammassi di materia, ma a distanze molto grandi è abbastanza omogeneo. Non possiamo rilevare i monopoli magnetici semplicemente perché la temperatura massima del plasma neonato non ha superato i 1023 K e per la comparsa di tali particelle sono necessarie energie molto più elevate, dell'ordine di 1027 K.
La teoria ciclica esiste in diverse versioni, così come la teoria dell'inflazione. Tuttavia, secondo Paul Steinhardt, le differenze tra loro sono puramente tecniche e interessanti solo per gli specialisti, il concetto generale rimane invariato: “Primo, nella nostra teoria non c'è momento dell'inizio del mondo, nessuna singolarità. Ci sono fasi periodiche di intensa creazione di materia e radiazione, ognuna delle quali, se lo si desidera, può essere chiamata Big Bang. Ma nessuna di queste fasi non segna l'emergere di un nuovo universo, ma solo una transizione da un ciclo all'altro. Sia lo spazio che il tempo esistono sia prima che dopo ognuno di questi cataclismi. Pertanto, è del tutto naturale chiedersi quale fosse lo stato delle cose 10 miliardi di anni prima dell'ultimo Big Bang, da cui si conta la storia dell'universo.
La seconda differenza fondamentale è la natura e il ruolo dell'energia oscura. La cosmologia inflazionistica non prevedeva la transizione da un'espansione rallentata dell'Universo a una accelerata. E quando gli astrofisici scoprirono questo fenomeno osservando le esplosioni di supernove lontane, la cosmologia standard non sapeva nemmeno cosa fare al riguardo. L'ipotesi dell'energia oscura è stata avanzata semplicemente per legare in qualche modo i risultati paradossali di queste osservazioni alla teoria. E il nostro approccio è molto meglio sigillato dalla logica interna, poiché inizialmente abbiamo l'energia oscura ed è questa energia che assicura l'alternanza dei cicli cosmologici ". Tuttavia, come osserva Paul Steinhardt, la teoria ciclica ha anche dei punti deboli: “Non siamo ancora stati in grado di descrivere in modo convincente il processo di collisione e rimbalzo delle brane parallele che si verifica all'inizio di ogni ciclo. Altri aspetti della teoria ciclica sono molto meglio sviluppati, ma ci sono ancora molte ambiguità da chiarire ".
Ma anche i modelli teorici più belli richiedono una verifica sperimentale. La cosmologia ciclica può essere confermata o smentita dalle osservazioni? "Sia le teorie inflazionistiche che quelle cicliche prevedono l'esistenza di onde gravitazionali reliquie", spiega Paul Steinhardt. - Nel primo caso, derivano da fluttuazioni quantistiche primarie, che si imbrattano nello spazio durante l'inflazione e generano oscillazioni periodiche della sua geometria - e queste, secondo la teoria generale della relatività, sono onde gravitazionali. Nel nostro scenario, le fluttuazioni quantistiche sono anche la causa principale di tali onde, le stesse che sono amplificate dalle collisioni di brane. I calcoli hanno dimostrato che ogni meccanismo genera onde con uno spettro specifico e una polarizzazione specifica. Queste onde dovevano lasciare impronte sulla radiazione cosmica a microonde, che è una fonte inestimabile di informazioni sullo spazio primordiale. Finora, tali tracce non sono state trovate, ma, molto probabilmente, ciò avverrà entro il prossimo decennio. Inoltre, i fisici stanno già pensando alla registrazione diretta delle onde gravitazionali reliquie utilizzando veicoli spaziali, che apparirà tra due o tre decenni ".
Un'altra differenza, secondo il professor Steinhardt, è la distribuzione della temperatura della radiazione di fondo a microonde: “Questa radiazione proveniente da diverse parti del cielo non è completamente uniforme in temperatura, ha zone sempre meno riscaldate. A livello di accuratezza di misurazione fornita dalle moderne apparecchiature, il numero di zone calde e fredde è approssimativamente lo stesso, il che coincide con le conclusioni di entrambe le teorie, sia inflazionistiche che cicliche. Tuttavia, queste teorie prevedono differenze più sottili tra le zone. In linea di principio, saranno in grado di identificare l'osservatorio spaziale europeo "Planck" lanciato lo scorso anno e altri veicoli spaziali più recenti. Spero che i risultati di questi esperimenti aiuteranno a fare una scelta tra teorie inflazionistiche e cicliche. Ma può anche succedereche la situazione rimarrà incerta e nessuna delle teorie riceverà un inequivocabile sostegno sperimentale. Bene, allora dovrò inventare qualcosa di nuovo."
Secondo il modello inflazionistico, poco dopo la sua nascita, l'Universo si è espanso in modo esponenziale per un tempo molto breve, raddoppiando molte volte le sue dimensioni lineari. Gli scienziati ritengono che l'inizio di questo processo sia coinciso nel tempo con la separazione della forte interazione e si sia verificato in un intervallo di tempo di 10-36 s. Questa espansione (con la mano leggera del fisico teorico americano Sidney Coleman, fu chiamata inflazione cosmologica) fu di durata estremamente breve (fino a 10-34 s), ma aumentò le dimensioni lineari dell'Universo di almeno 1030-1050 volte, e forse molto di più. Secondo gli scenari più specifici, l'inflazione è stata lanciata da un campo scalare quantistico antigravitazionale, la cui densità di energia è gradualmente diminuita e alla fine ha raggiunto il minimo. Prima che ciò accadesse, il campo iniziò a oscillare rapidamente,generazione di particelle elementari. Di conseguenza, entro la fine della fase inflazionistica, l'Universo era pieno di un plasma superhot costituito da quark liberi, gluoni, leptoni e quanti ad alta energia di radiazione elettromagnetica.
Un'alternativa radicale
Negli anni '80, il professor Steinhardt ha dato un contributo significativo allo sviluppo della teoria standard del Big Bang. Tuttavia, questo non gli ha impedito di cercare un'alternativa radicale alla teoria, in cui tanto lavoro era stato investito. Come ha detto lo stesso Paul Steinhardt a Popular Mechanics, l'ipotesi dell'inflazione rivela molti misteri cosmologici, ma questo non significa che non abbia senso cercare altre spiegazioni: All'inizio, ero solo interessato a cercare di capire le proprietà di base del nostro mondo senza ricorrere all'inflazione. Più tardi, quando ho approfondito questo problema, mi sono convinto che la teoria inflazionistica non è affatto perfetta come affermano i suoi sostenitori. Quando la cosmologia inflazionistica è stata appena creata, speravamo che spiegasse la transizione dallo stato caotico originale della materia all'attuale universo ordinato. Lo ha fatto, ma è andata molto oltre.
La logica interna della teoria richiedeva di riconoscere che l'inflazione crea costantemente un numero infinito di mondi. Ciò andrebbe bene se il loro dispositivo fisico copiasse il nostro, ma semplicemente non funziona. Ad esempio, con l'aiuto dell'ipotesi inflazionistica, è stato possibile spiegare perché viviamo in un mondo euclideo piatto, ma dopotutto la maggior parte degli altri universi non avrà certamente la stessa geometria. In breve, stavamo costruendo una teoria per spiegare il nostro mondo, che è sfuggita di mano e ha generato una varietà infinita di mondi esotici. Questo stato di cose ha cessato di soddisfarmi. Inoltre, la teoria standard non è in grado di spiegare la natura dello stato precedente, che ha preceduto l'espansione esponenziale. In questo senso, è incompleta quanto la cosmologia preinflazionistica. Infine,non è in grado di dire nulla sulla natura dell'energia oscura, che ha guidato l'espansione del nostro universo per 5 miliardi di anni.
