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Big Crunch, un modello ciclico dell’universo

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Negli angoli del mondo cosmologico di Paul Steinhardt, dire che la storia si ripete sarebbe un eufemismo ridicolo. Questo perché secondo lui e una manciata di coetanei, la forma dell’universo potrebbe vivere un nuovo ciclo ogni tot trilioni di anni circa.

Cento milioni di anni sembrano tanti, ma, dal punto di vista cosmico, è come domani“, dice Steinhardt.

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Il professore di fisica e direttore del Princeton Center for Theoretical Science è stato coautore di un articolo su questo argomento, A Cyclic Model of the Universe, con Neil TurokIl modello ciclico dell’universo che ha aiutato a sviluppare è proprio questo: una teoria secondo cui l’universo ha un’esistenza basata su una ripetuta e nuovi inizi.

I fautori di questo modello ritengono sia necessario ripensare al Big Bang e alla rapida inflazione dell’universo. Sostengono che farlo potrebbe colmare alcune delle più grandi lacune nella nostra comune comprensione del modo in cui lo spazio e il tempo funzionano.

Il Big Bang e il modello dell’inflazione

Il modello generalmente accettato dell’universo è definito modello standard e funziona all’incirca così: circa 14 miliardi di anni fa, avvenne il Big Bang. Nei suoi primi secondi, le leggi della fisica come le conosciamo oggi non si applicavano o funzionavano in modo diverso.

Tutto ciò che alla fine sarebbe diventato materia comparve in pochi secondi: le prime particelle, come elettroni e fotoni, e infine neutroni e protoni, i mattoni dei nostri atomi. I primi semi di stelle, pianeti e galassie si sono espansi da quel momento cruciale nel tempo e nello spazio. Si è diffuso in modo tale che l’universo è diventato molto liscio e uniforme.

L’uniformità, su vasta scala, significa semplicemente che le cose all’interno dell’universo sono distribuite in modo relativamente uniforme. Cioè, se dovessi mettere un cubo attorno a una sezione dell’universo, non sarebbe molto più denso di un altro cubo posizionato casualmente. Su scala più piccola, come tra le galassie o all’interno di un sistema solare, la materia è “grumosa” e piena di ammassi.

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I fisici teorizzano che poco dopo il Big Bang si sia verificata una cosa chiamata “inflazione“.

In sostanza, quello che una volta era un minuscolo universo compresso in un piccolissimo punto chiamato singolarità, nell’arco di una brevissima frazione di secondo, si è espanso e continua ad espandersi ancora oggi.

L’inflazione fa parte dell’attuale modello standard dell’universo, chiamato modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM). In LCDM, la forma della traiettoria dell’universo sembra, in alcune rappresentazioni, come un imbuto, la cui ampia sommità cresce e si espande ulteriormente nel tempo.

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Andrea Danti/Shutterstock
Questa è un’interpretazione. Ma ce ne sono altre che sono emerse dalle stesse informazioni che gli scienziati possono effettivamente osservare e misurare nella vita reale, ovvero l’astronomia osservativa. Le informazioni sulla vita reale sono fondamentali se gli scienziati devono utilizzare i modelli per fare previsioni realistiche sul futuro del cosmo.

La cosmologia è una specie di lavoro di squadra, hai bisogno di persone che si concentrino su cose veramente pragmatiche e di osservazione e hai bisogno di persone che si occupino di fantascienza“, afferma Leonardo Giani, ricercatore post-dottorato presso l’Università del Queensland in Australia, i cui studi si concentrano su modelli alternativi dell’universo oltre al modello standard.

Quello che sappiamo per certo

L’astrofisica teorica è tutto un insieme di ipotesi plausibili che vengono modellate sulla base delle poche cose che sappiamo per certo.

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Qualcosa chiamato Cosmic Microwave Background (CMB) contribuisce a gran parte di queste informazioni osservabili. Il CMB è costituito dalle tracce di radiazioni lasciate dalla prima fase dell’universo. I radiotelescopi possono rilevarlo e quindi tradurre le onde in una sorta di mappa di calore.

Questa immagine ci mostra in realtà come i contenuti dell’universo erano distribuiti circa 400.000 anni dopo il Big Bang, la prima istantanea osservabile di un universo privo di stelle, sistemi solari e galassie. Tutto era più ravvicinato e quasi uniforme, tranne che per piccole fluttuazioni che stavano per diventare la materia che formerà stelle e galassie.

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Questa immagine serve come prova che l’universo ha iniziato a impacchettarsi e si è espanso fino a dove è oggi.

Sappiamo anche che l’universo continua ad espandersi e possiamo anche misurare, in una certa misura, quanto velocemente lo fa. Il CMB serve anche a confermare che un’epoca precedente dell’universo era molto calda e la nostra era è molto più fredda.

Problemi con il nostro modello attuale

Steinhardt afferma che sorgono una serie di problemi con il modello basato sull’inflazione, che a sua volta ha ampliato e corretto i modelli precedenti derivanti dalla teoria del Big Bang.

Il modello dell’inflazione avrebbe dovuto spiegare perché, ad esempio, l’universo appare così omogeneo su vasta scala senza le stesse condizioni iniziali. Ma, dice Steinhardt, ci sono così tante possibilità che derivano da un modello inflazionistico che rende il modello stesso meno utile.

I modelli precedenti, secondo Steinhardt, non escludono previsioni sul cosmo che sono sbagliate. “È come se fossi venuto a spiegarti perché il cielo è blu, ma poi quando guardi più da vicino la mia teoria, ti rendi conto che ‘Oh! La teoria avrebbe anche potuto prevedere il rosso, il verde, i pois, le strisce, i [colori] casuali’”, afferma Steinhardt. “E poi dici ‘Okay, a che serve questa teoria?’

Poi c’è il problema della singolarità. Anche la teoria dell’inflazione, sostiene Steinhardt, si blocca al punto “prima” del Big Bang, perché secondo essa non c’è nulla prima di essa. “Il problema filosofico fondamentale con il Big Bang è che c’è un dopo ma non c’è un prima“.

Matematicamente, il Big Bang sembra provenire da uno stato indefinito, qualcosa che non è spiegato dalle leggi della fisica sotto la teoria della relatività generale di Einstein. Questo è chiamato “singolarità”.

Per Steinhardt, ma non per tutti, questo è l’equivalente matematico di una bandiera rossa. “Come abbiamo imparato a scuola, quando ottieni uno su zero, sei nei guai, perché hai una risposta senza senso. Hai fatto un errore“.

In un problema correlato, c’è anche qualche difficoltà nel conciliare la teoria dell’inflazione con la teoria delle stringhe e la meccanica quantistica, dice Steinhardt.

Se il modello descrivesse correttamente l’universo, altre strutture fisiche accettate sarebbero d’accordo con esso. Invece, secondo Steinhardt, sono in disaccordo.

Quando si pensa alla cosmologia, si arriva spesso a campi di pensiero che sono piuttosto distanti, sia dal lato dell’astronomia che dal lato della fisica fondamentale e non sembra che si adattino insieme?

Il modello ciclico aiuta a farlo.

Il modello ciclico e le sue ricadute

Il modello ciclico dell’universo è progettato per risolvere alcuni dei problemi apparentemente irrisolvibili del Big Bang e dei modelli basati sull’inflazione.

Ci consente di andare oltre il Big Bang, ma senza alcun tipo di problema filosofico magico“, afferma Stephon Alexander, professore di fisica alla Brown University e co-inventore di un modello di inflazione dell’universo basato sulla teoria delle stringhe. “Perché il tempo è sempre esistito nel passato”.

Gli scienziati hanno proposto un modello ciclico che potrebbe funzionare matematicamente in alcuni modi. Il modello di Steinhardt e Turok di un universo ciclico è uno di questi.

I suoi principi fondamentali sono questi: il Big Bang non è stato l’inizio del tempo; vi è stata una fase precedente, con cicli multipli di contrazione ed espansione che si ripetono all’infinito; e il periodo chiave che definisce la forma del nostro universo è stato proprio prima del cosiddetto bang. Un periodo di lenta contrazione chiamato Big Crunch.

Quindi, invece di un inizio del tempo che nasce dal nulla, il modello ciclico consente un lungo periodo di tempo nella fase di preparazione. Sostiene di risolvere gli stessi problemi della teoria inflazionistica, ma costruisce ancora di più.

Per prima cosa, l’esistenza del tempo prima del Big Crunch rimuove il problema della singolarità, quel concetto indefinito. Utilizza anche la teoria delle stringhe e le fluttuazioni quantistiche.

Come l’LCDM, anche un modello ciclico spiegherebbe l’energia oscura, una forza non osservabile che gli scienziati ritengono sia alla base dell’accelerazione dell’espansione dell’universo.

Nel modello di Stenhardt e Turok, però, le cose diventano un po’ più simili alla fantascienza: due piani identici, o “brane”, (nella teoria delle stringhe, un oggetto che può avere un numero qualsiasi di dimensioni) si uniscono e si espandono.

Possiamo osservare le tre dimensioni del nostro piano, ma non le dimensioni extra dell’altro. L’energia oscura è sia la forza che porta le brane in collisione, con la separazione tra loro. Segue l’espansione delle brane stesse, e l’energia oscura le unisce di nuovo.

Giani, il ricercatore, non è così sicuro, a causa di alcuni dei presupposti che questo modello deriva dalla teoria delle stringhe. Gli piace un altro modello ciclico, quello teorizzato da Roger Penrose, un fisico teorico di Oxford che ha inventato quella che Penrose stesso ha definito “una nuova prospettiva oltraggiosa” sull’universo.

Ne sono rimasto completamente stupito“, ha detto Giani.

Fa girare la testa: in un lontano, lontano futuro, il nostro sistema solare e la nostra galassia saranno inghiottiti dai buchi neri e poi, dopo un tempo inimmaginabile, esisteranno solo buchi neri. Alla fine, esisteranno solo fotoni, che non hanno massa e quindi non hanno energia o frequenza, secondo le leggi fisiche accettate.

Le misure di scala, spiega Penrose, non valgono più in questa fase, ma la forma dell’universo rimane. Al momento del Big Bang, sostiene, quando le particelle sono così calde e vicine tra loro da muoversi quasi alla velocità della luce, perdono anche la loro massa. Questo già al momento del Big Bang crea le stesse condizioni per il freddo e lontano universo futuro.

La loro scala non è più rilevante e l’una può generare l’altra. Il futuro remoto e il Big Bang diventano la stessa cosa.

Smentire i modelli

In definitiva, ciò che noi umani possiamo osservare del nostro universo è limitato. Ecco perché le teorie sull’universo non sono mai complete. Equilibrano il piccolo frammento di universo che possiamo osservare con modelli matematici e teorie per riempire il resto. Quindi, in cosmologia, gli scienziati cercano fenomeni osservabili che confutano i loro modelli e rimodellano le loro teorie per adattarle al problema.

Ma poiché la nostra tecnologia avanza rapidamente, le osservazioni che supportano o sminuiscono un modello o un altro arrivano sempre più spesso. “Vale assolutamente la pena fare tutte queste speculazioni in questo lavoro, perché stiamo arrivando al punto in cui arriveranno i dati necessari per confermarle o smentirle”, dice Giani.

Una di queste osservazioni potrebbe fornire un supporto convincente per un modello ciclico per smentire o confermare la teoria inflazionistica più accettata.

A causa di come la materia è distribuita nella nostra visione della parte più antica dell’universo (vista nel CMB), le onde gravitazionali che ci raggiungono possono essere polarizzate, come la luce, ad una particolare frequenza.

Presto, entro pochi anni, in effetti, gli scienziati potrebbero essere in grado di determinare se questa polarizzazione esiste. Se esiste, sosterrà il modello inflazionistico. Se questa polarizzazione non esiste, minerà la “contrazione lenta“, un segno distintivo del modello ciclico.

Saremo un passo più vicini a dare un senso al tempo e allo spazio, ma ancora in un viaggio all’interno del cosmo bel lontano dalla sua fine.

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