Martin Bojowald, professore di fisica alla Penn State University, ha introdotto un nuovo modello matematico-quantistico che al posto del Big Bang prevede un “Big Bounce”, secondo cui la nascita del nostro universo corrisponderebbe al collasso di un universo precedente, avvalorando la teoria dell'universo ciclico. La ricerca di Bojowald, che è stata annunciata sull'edizione on line di Nature Physics e sarà pubblicata sulla versione cartacea nel mese di agosto, suggerisce anche che alcune proprietà dell'universo primigenio sono impossibili da calcolare a causa delle estreme forze quantistiche che caratterizzano il Big Bounce.

Come descritto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein, l'origine del Big Bang è uno stato di non-senso matematico, una singolarità di volume zero che tuttavia conteneva una densità e un'energia infinite. Bojowald e altri fisici della Penn State University stanno dunque esplorando un territorio sconosciuto perfino ad Einstein, il tempo prima del Big Bang, usando una macchina del tempo matematica chiamata “Loop Quantum Gravity” (“Gravità Quantistica a Loop”). La loro teoria, che combina quella einsteniana della Relatività Generale con equazioni della fisica quantistica che non esistevano all'epoca di Einstein, è la prima descrizione matematica per stabilire sistematicamente l'esistenza del Big Bounce e dedurre le proprietà dell'universo primigenio. “Le equazioni quantistiche, non incluse nella Relatività Generale, sono necessarie per descivere le energie estreme che dominavano il nostro universo nelle sue prime fasi di evoluzione”, ha spiegato Bojowald.

La Loop Quantum Gravity, sviluppata all'Institute for Gravitational Physics and Geometry della Penn State University, è considerata oggi come lo strumento principale per raggiungere l'obiettivo ambizioso di unificare la relatività generale con la fisica quantistica. Finora, gli scienziati che stanno conducendo le indagini hanno scoperto che il punto di inizio del nostro universo aveva un volume minimo diverso da zero e un'energia massima non infinita. Proprio grazie a questi limiti, le equazioni della teoria continuano a produrre risultati matematici validi che stanno fornendo una finestra retroattiva per osservare il tempo prima del Big Bounce.

La teoria della gravità quantistica indica che la struttura dello spazio-tempo ha una geometria atomica intrecciata con una stringa quantistica mono-dimensionale. Una struttura violentemente lacerata dalle energie estreme che caratterizzano il tempo vicino al Big Bounce, che spingono la gravità a diventare talmente repulsiva che, invece di scomparire nell'infinito, come predetto dalla Relatività Generale di Einstein, l'universo si riversa nel Big Bounce da cui nascerà il nostro universo in espansione. La teoria rivela un universo in contrazione prima del Big Bounce, con una geometria spazio-temporale che altrimenti sarebbe stata simile all'universo attuale.

La teoria della Loop Quantum Gravity necessitava di un modello più preciso. Per questo Bojowald ha sviluppato un modello matematico per produrre delle soluzioni analitiche più esatte, risolvendo una serie di equazioni. Per essere ancora più preciso, Bojowald ha poi sviluppato un secondo modello, riformulando le descrizioni matematiche quantistiche, in modo da rendere il tutto più semplice e più esplicito. Le equazioni differenziali della gravità quantistica richiedono molti calcoli di numerose e consecutive sottili variazioni temporali; Bojowald le ha incorporate in un sistema integrato in cui una quantità cumulativa di tempo può essere specificata per aggiungere tutte le piccole variazioni.

Si tratta di equazioni che cercano di descrivere lo stato del nostro universo attuale in modo estremamente accurato, per poi viaggiare matematicamente nel tempo, fino agli stadi primigeni. Per fare questo, le equazioni contengono anche alcuni parametri “liberi”, non conosciuti con esattezza. Bojowald ne ha scoperti due complementari: uno è relativo quasi esclusivamente al tempo dopo il Big Bounce, l'altro al tempo prima del Big Bounce. Questi due parametri rappresentano l' “incertezza quantistica” del volume totale dell'universo prima e dopo il Big Bang. “Queste incertezze sono parametri addizionali che applichiamo in contesti quantistici come la teoria della gravità quantistica”, ha detto Bojowald, “per via dell'incertezza tipica della fisica quantistica, dove esiste una complementarietà tra la posizione di un oggetto e la sua velocità che impedisce misurazioni precise. Giungere a calcolare con precisione questi fattori di incertezza è praticamente impossibile”.

Bojowald è giunto alla conclusione che almeno uno dei parametri relativo all'universo precedente non sopravviverà al viaggio verso il Grande Salto, e che l'universo successivo, il nostro, non costituisce una perfetta replica del suo predecessore. “La ricorrenza eterna di universi assolutamente identici al momento è oscurata da una intrinseca dimenticanza cosmica”, ha concluso Bojowald.

Un nuovo modello cosmologico, in contrasto con le teorie relative al Big Bang, propone l'idea che l'universo può espandersi e contrarsi all'infinito.

Il modello ciclico proposto dai fisici Paul Frampton e Louis J. Rubin Jr., professori di fisica al College of Arts and Sciences della University of North Carolina, insieme al loro studente Lauris Baum, si divide in 4 parti essenziali: espansione, turnaround (inversione di tendenza), contrazione e rimbalzo. Durante l'espansione, l'energia oscura spinge tutti i frammenti di materia in parti così distanti che niente può fare da ponte tra i gaps. Tutto, dai buchi neri agli atomi, si disintegra. Questo punto, solo una frazione di secondo prima della fine del tempo, costituisce il turnaround, in cui ogni parte frammentata collassa e si contrae singolarmente, invece di riunirsi in una sorta di Big Bang rovesciato. Le varie parti diventano così un numero infinito di universi indipendenti che si contraggono e poi balzano di nuovo all'esterno rigonfiandosi in maniera simile al Big Bang. Solo uno di questi è il nostro universo. “Questo ciclo, che accade un numero di volte infinito, elimina ogni inizio e fine del tempo”, dice Frampton, “non c'è alcun Big Bang”. Come a dire: “Nulla si crea e nulla si distrugge”.

Il primo modello alternativo al Big Bang - relativo ad un universo oscillante, senza inizio e senza fine, secondo cui l'Universo si espanderà fino ad un certo punto, e poi si ritrarrà in uno stato simile a quello del Big Bang, quindi ripetendo il processo per l'eternità, attraverso il meccanismo del “Grande Balzo” (Big Bounce) - fu proposto nel 1930. Ma l'idea fu presto abbandonata, poiché le oscillazioni non potevano essere riconciliate con le regole della fisica, inclusa la seconda legge della termodinamica, secondo cui l'entropia non può essere distrutta. Ma se l'entropia aumenta tra un'oscillazione e l'altra, l'universo si espanderebbe ad ogni ciclo, “come una palla di neve rotolante”, dice Frampton. Frampton e Baum hanno aggirato l'ipotesi del Big Bang postulando che, al turnaround, ogni rimanente entropia sia in porzioni troppo distanti per poter interagire: divenendo ogni porzione un universo separato, si può supporre che ogni universo si contragga in assenza di materia e entropia. “La presenza di materia causerebbe difficoltà insuperabili alla contrazione”, dice Frampton.

Un'altra chiave fondamentale della teoria di Frampton e Baum è l'assunzione riguardo l'equazione matematica che descrive pressione e densità dell'energia oscura: secondo Frampton e Baum lo stato dell'energia oscura è sempre meno di -1, mentre il precedente modello ciclico proposto nel 2002 dai fisici Paul Steinhardt e Neil Turok aveva stabilito che il valore non era mai meno di -1. Questo valore negativo assunto dall'equazione di Frampton e Baum implica che la densità dell'energia oscura divenga uguale alla densità dell'universo e che ad un certo punto l'espansione si fermi, poco prima del “Big Rip”.

Data articolo: luglio 2007
Fonte: Space Daily