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Un’equazione getta dubbi sull’inizio dell’universo

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L’universo potrebbe essere esistito da sempre, secondo un nuovo modello che applica termini di correzione quantistica per completare la teoria della relatività generale di Einstein. Il modello può anche spiegare la materia oscura e lenergia oscura, risolvendo più problemi contemporaneamente.

L’età ampiamente accertata dell’universo, come stimato dalla relatività generale, è di 13,8 miliardi di anni. All’inizio, si pensa, tutto ciò che esiste occupava un singolo punto infinitamente denso, o singolarità. Solo dopo che questo punto ha cominciato ad espandersi in un “Big Bang” l’universo ha avuto ufficialmente inizio.

Sebbene la singolarità del Big Bang derivi direttamente e inevitabilmente dalla matematica della relatività generale, alcuni scienziati la considerano problematica perché la matematica può spiegare solo ciò che è accaduto immediatamente dopo, non durante o prima, della singolarità.

“La singolarità del Big Bang è il problema più serio della relatività generale perché le leggi della fisica sembrano infrangersi lì“, ha affermato Ahmed Farag Ali della Benha University e della Zewail City of Science and Technology, entrambe in Egitto.

Ali e il coautore Saurya Das dell’Università di Lethbridge in Alberta, Canada, hanno dimostrato in un articolo pubblicato su Science Direct che la singolarità del Big Bang può essere risolta secondo il loro nuovo modello in cui l’universo non ha né inizio né fine.

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Universo: vecchie idee rivisitate

I fisici sottolineano che i loro termini di correzione quantistica non vengono applicati ad hoc nel tentativo di eliminare specificamente la singolarità del Big Bang. Il loro lavoro si basa sulle idee del fisico teorico David Bohm, noto anche per i suoi contributi alla filosofia della fisica. A partire dagli anni ’50, Bohm esplorò la sostituzione delle geodetiche classiche (il percorso più breve tra due punti su una superficie curva) con traiettorie quantistiche.

Nel loro articolo, Ali e Das hanno applicato queste traiettorie bohmiane a un’equazione sviluppata negli anni ’50 dal fisico Amal Kumar Raychaudhuri presso la Presidency University di Calcutta, in India. Raychaudhuri era anche l’insegnante di Das quando era uno studente universitario di quell’istituto negli anni ’90.

Usando l’equazione di Raychaudhuri corretta per i quanti, Ali e Das hanno derivato le equazioni di Friedmann corrette per i quanti, che descrivono l’espansione e l’evoluzione dell’universo (compreso il Big Bang) nel contesto della relatività generale. Sebbene non sia una vera teoria della gravità quantistica, il modello contiene elementi sia della teoria quantistica che della relatività generale. Ali e Das si aspettano anche che i loro risultati dureranno anche se in futuro verrà formulata una teoria completa della gravità quantistica.

Nessuna singolarità né cose oscure

Oltre a non prevedere una singolarità del Big Bang, il nuovo modello non prevede nemmeno una singolarità “big crunch“. Nella relatività generale, un possibile destino dell’universo è che cominci a rimpicciolirsi fino a collassare su se stesso in un grande scricchiolio e a diventare un punto infinitamente denso.

Ali e Das spiegano nel loro articolo che il loro modello evita le singolarità a causa di una differenza fondamentale tra le geodetiche classiche e le traiettorie bohmiane. Le geodetiche classiche alla fine si incrociano e i punti in cui convergono sono singolarità. Al contrario, le traiettorie bohmiane non si incrociano mai, quindi le singolarità non compaiono nelle equazioni.

In termini cosmologici, gli scienziati spiegano che le correzioni quantistiche possono essere pensate come un termine di costante cosmologica (senza bisogno di energia oscura) e un termine di radiazione. Questi termini mantengono l’universo a una dimensione finita, e quindi gli danno un’età infinita. I termini fanno anche previsioni che concordano strettamente con le attuali osservazioni della costante cosmologica e della densità dell’universo.

Nuova particella gravitazionale

In termini fisici, il modello descrive l’universo come riempito da un fluido quantistico. Gli scienziati propongono che questo fluido potrebbe essere composto da gravitoni, ipotetiche particelle prive di massa che mediano la forza di gravità. Si pensa che i gravitoni svolgano un ruolo chiave in una teoria della gravità quantistica.

In un documento correlato, Das e un altro collaboratore, Rajat Bhaduri della McMaster University, Canada, hanno dato ulteriore credito a questo modello mostrando che i gravitoni possono formare un condensato di Bose-Einstein (dal nome di Einstein e di un fisico indiano, Satyendranath Bose), a temperature che erano presenti nell’universo in tutte le epoche.

Motivati ​​dal potenziale del modello per risolvere la singolarità del Big Bang e spiegare la materia oscura e l’energia oscura, i fisici hanno in programma di analizzare il loro modello in modo più rigoroso in futuro. Il loro lavoro futuro include la ripetizione del loro studio tenendo conto di piccole perturbazioni disomogenee e anisotrope, ma non si aspettano che piccole perturbazioni influiscano significativamente sui risultati.

“È soddisfacente notare che tali correzioni dirette possono potenzialmente risolvere così tanti problemi contemporaneamente”, ha affermato Das.

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