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Vincolare il multiverso: la teoria finale di Stephen Hawking sul Big Bang

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La teoria finale del professor Stephen Hawking sull’origine dell’universo, su cui ha lavorato in collaborazione con il professor Thomas Hertog del KU Leuven, è stata pubblicata sul Journal of High Energy Physics.

La teoria avanzata da Hawking si basa sulla teoria delle stringhe

La teoria, che è stata presentata per la pubblicazione prima della morte di Hawking all’inizio del 2018, si basa sulla teoria delle stringhe e prevede che l’universo sia finito ed è molto più semplice di quanto affermano molte teorie attuali sul big bang.

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Il professor Hertog, il cui lavoro è stato sostenuto dall’European Research Council, ha annunciato per la prima volta la nuova teoria in una conferenza all’Università di Cambridge nel luglio del 2017, organizzata in occasione del 75° compleanno del professor Hawking.

Le moderne teorie del big bang prevedono che il nostro universo locale sia nato da una breve esplosione di inflazione, in altre parole, in una minuscola frazione di secondo l’universo si è espanso a una velocità esponenziale. È opinione diffusa, tuttavia, che una volta iniziata l’inflazione, ci siano regioni in cui non si ferma mai. Si pensa che gli effetti quantistici possano mantenere l’inflazione in corso per sempre in alcune regioni dell’universo in modo che a livello globale, l’inflazione sia eterna. La parte osservabile del nostro universo sarebbe quindi solo un ospitale universo tascabile, una regione in cui l’inflazione è finita e si sono formate stelle e galassie.

“La teoria dell’inflazione eterna prevede che globalmente il nostro universo è come un frattale infinito, con un mosaico di diversi universi tascabili, separati da un oceano in espansione”, ha detto Hawking in un’intervista nel 2017.

“Le leggi locali della fisica e della chimica differiscono da un universo tascabile all’altro, che insieme formerebbero un multiverso. Ma non sono mai stato un fan del multiverso. Se la scala dei diversi universi nel multiverso è grande o infinita, la teoria non può essere verificata”.

Nel loro articolo, Hawking e Hertog affermano che questo resoconto dell’inflazione eterna come teoria del big bang è sbagliato. “Il problema con l’idea dell’inflazione eterna è che presuppone un universo di fondo esistente che si evolve secondo la teoria della relatività generale di Einstein e tratta gli effetti quantistici come piccole fluttuazioni attorno a questo”, ha detto Hertog. “Tuttavia, la dinamica dell’inflazione eterna spazza via la separazione tra la fisica classica e quella quantistica. Di conseguenza, la teoria di Einstein non funziona con un’inflazione eterna”.

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“Prevediamo che il nostro universo, su scala più ampia, sia ragionevolmente liscio e globalmente finito. Quindi non è una struttura frattale”, ha detto Hawking.

La teoria dell’inflazione eterna avanzata da Hawking e Hertog si basa sulla teoria delle stringhe: una branca della fisica teorica che tenta di conciliare gravità e relatività generale con la fisica quantistica, in parte descrivendo i costituenti fondamentali dell’universo come minuscole stringhe vibranti. Il loro approccio utilizza il concetto di olografia della teoria delle stringhe, che postula che l’universo sia rappresentabile come un ologramma grande e complesso: la realtà fisica in determinati spazi 3D può essere matematicamente ridotta a proiezioni 2D su una superficie.

Hawking e Hertog hanno sviluppato una variazione di questo concetto di olografia per proiettare la dimensione del tempo nell’inflazione eterna. Ciò ha permesso loro di descrivere l’inflazione eterna senza dover fare affidamento sulla teoria di Einstein. Nella nuova teoria, l’inflazione eterna è ridotta a uno stato senza tempo definito su una superficie spaziale all’inizio del tempo.

“Quando ripercorriamo l’evoluzione del nostro universo a ritroso nel tempo, a un certo punto arriviamo alla soglia dell’inflazione eterna, dove la nostra nozione familiare di tempo cessa di avere alcun significato”, ha detto Hertog.

La precedente “teoria senza confini” di Hawking prevedeva che se si tornasse indietro nel tempo all’inizio dell’universo, l’universo apparirebbe ristretto e chiuso come una sfera, ma questa nuova teoria rappresenta un passo indietro rispetto al lavoro precedente. “Ora stiamo dicendo che c’è un confine nel nostro passato”, ha detto Hertog.

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Hertog e Hawking hanno utilizzato la loro nuova teoria per ricavare previsioni più affidabili sulla struttura globale dell’universo. Hanno predetto che l’universo che emerge dall’inflazione eterna sul confine passato è finito ed è molto più semplice della struttura frattale infinita prevista dalla vecchia teoria dell’inflazione eterna.

I loro risultati, se confermati da un ulteriore lavoro, avrebbero implicazioni di vasta portata per il paradigma del multiverso. “Non siamo ridotti a un singolo universo ma le nostre scoperte implicano una significativa riduzione del multiverso, a una gamma molto più piccola di universi possibili”, ha affermato Hawking.

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Questo rende la teoria più predittiva e verificabile.

Hertog ora intende studiare le implicazioni della nuova teoria su scale più piccole che sono alla portata dei nostri telescopi spaziali. Secondo lui, le onde gravitazionali primordiali – increspature nello spaziotempo – generate all’uscita dall’inflazione eterna, potrebbero costituire la “pistola fumante” più promettente per testare il modello.

L’espansione del nostro universo sin dall’inizio significa che tali onde gravitazionali avrebbero lunghezze d’onda molto lunghe, al di fuori della gamma degli attuali rivelatori LIGO. Ma potrebbero essere rilevate dal previsto osservatorio spaziale europeo delle onde gravitazionali, LISA, o in futuri esperimenti di misurazione del fondo cosmico a microonde.

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