[...] non ci sono dati osservativi ed argomenti teorici inoppugnabili per credere che il big bang rappresenti l’istante iniziale dell’universo, e che prima di questa esplosione non ci fosse nulla. Al contrario, ci sono seri motivi basati sui recenti sviluppi della fisica teorica per pensare diversamente, nonché validi strumenti scientifici che ci permettono di investigare e di ricostruire, in linea di principio, la storia dell’universo in epoche precedenti al big bang, e che ci permettono di sottoporre questa ricostruzione ad una efficace verifica sperimentale [...] I dettagli, cinematici e dinamici, di questa fase cosmologica iniziale precedente al big bang sono al momento ancora piuttosto incerti. Ci sono vari modelli, varie ipotesi, e molte possibilità restano ancora inesplorate. Ciò che sembra chiaro fin da ora, però, è che il big bang potrebbe perdere il suo ruolo quasi mistico di "istante iniziale del tutto" per assumere quello meno altisonante di "istante iniziale della fase attuale dell’universo", ovvero dell’universo nella forma in cui lo conosciamo, fatto di radiazione, materia, atomi, galassie e uomini. Resterebbe comunque un momento molto importante della storia dell’universo, senza il quale non avrebbe fatto la sua comparsa la vita nella forma quale noi conosciamo [...].

(Maurizio Gasperini, "L'Universo prima del Big Bang Cosmologia e Teoria delle Stringhe", Muzzio, Roma, 2002)

Usando calcoli di gravitazione quantistica, ricercatori della Penn State University stanno tentando di risalire all'universo pre-big bang, più di 13,7 miliardi di anni fa. "La relatività generale può essere usata per descrivere il punto in cui la materia era così densa che le equazioni non sono più valide", spiega Abhay Ashtekar, a capo della ricerca, "oltre quel punto bisogna applicare strumenti di calcolo qantistico di cui Einstein non ha potuto usufruire".

Secondo la Teoria della Relatività Generale di Einstein, il Big Bang rappresenta la nascita non solo della materia, ma dello spazio-tempo stesso. Combinando la fisica quantistica con la relatività generale, Ashtekar e colleghi hanno sviluppato un modello che descrive una transizione da un precedente universo al Big Bang e all'universo in espansione con caratteristiche simili a quello esistente.

Secondo i loro calcoli, prima del Big-Bang c'era un universo in contrazione con una geometria spazio-temporale non dissimile da quella dell'universo attuale. L'azione delle forze gravitazionali avrebbe spinto questo universo precedente fino a raggiungere un punto in cui le proprietà quantistiche dello spazio-tempo hanno trasformato la gravità in forza repulsiva piuttosto che attrattiva. "Usando modificazioni quantistiche delle equazioni cosmologiche di Einstein, mostriamo come al posto di un classico Big Bang ci sia stato in effetti un balzo quantistico", ha detto Ashtekar. "Abbiamo ripetutto la simulazione con differenti paramentri, ed ogni volta ci si è presentato lo stesso scenario: un Big Bounce, un Grande Balzo".

E' la prima volta che viene sviluppata una descrizione matematica che sistematicamente stabilisce l'esistenza di un universo pre-Big Bang deducendone anche la geometria spazio-temporale (è un punto a favore della teoria dell'universo ciclico, ndr).

Il team ha usato per il suo modello la gravità quantistica a loop, uno degli approcci più in voga per tentare una unificazione della relatività generale con la fisica quantistica, secondo cui lo spazio-tempo è formato da entità discrete (o quantizzate) che hanno forma di loop, ovvero di anellini che si intersecano e si annodano. Gli insiemi di loop annodati e intersecati sono chiamati "spin networks", o "reti di spin". Rispetto alle stringhe, cordicelle che rappresentano la materia e si muovono nello spaziotempo, i loop costituiscono essi stessi lo spaziotempo, come i fili di una maglietta costituiscono la maglietta. la teoria delle stringhe richiede l'esistenza di particelle supersimmetriche e di altre dimensioni spaziali (entrambe non osservate), mentre la teoria dei loop è compatibile con le quattro dimensioni e la mancanza di supersimmetria che sono osservate sperimentalmente. In sostanza la principale differenza tra le teorie risiede nel concetto di spazio-tempo: per la teoria delle stringhe, esso è un continuo a 10 o 11 dimensioni, per la gravitazione quantistica a loop è invece quantizzato e intrinsecamente privo di una dimensione ben definita (wikipedia).

La teoria della gravitazione quantistica a loop è stata proposta per la prima volta proprio alla Penn State University, in particolare dall'Institute of Gravitational Physics and Geometry, guidato da Ashtekar. Secondo questa ipotesi, dunque, la geometria dello spazio-tempo ha una struttura atomica discreta e il continuum spazio-temporale è solo una approssimazione: la fabbrica dello spazio è letteralmente tessuta da una "filettatura" quantistica unidimensionale. Vicino al Big Bang, questa tessitura è violentemente lacerata e la natura quantistica della geometria diventa rilevante, trasformando la forza di gravità in fortemente repulsiva, e dando inizio al Big Bounce. "Dobbiamo ora lavorare per rifinire il nostro modello", conclude Ashtekar, "in modo da integrare le forze di gravità quantistica con quelle dell'universo che conosciamo".

Istituzione scientifica citata nell'articolo:

PSU Institute Of Gravitational Physics And Geometry