Universo oscillante

La teoria dell'universo oscillante o modello ciclico è una teoria, proposta la prima volta da Aleksandr Aleksandrovič Fridman basandosi sulla relatività generale di Albert Einstein, secondo la quale l'universo si espanderà fino ad un certo punto, e poi si ritrarrà in uno stato simile a quello del Big Bang, quindi si verificherà una nuova nascita con la ripetizione del processo per l'eternità. Al momento non si conoscono metodi per verificare o meno la fondatezza di questa teoria.

Questo tipo di modello e i suoi derivati si contrappongono solitamente, nella cosmologia standard, ad alcuni modelli modelli inflazionari come l'inflazione caotica eterna o teoria delle bolle (con l'eccezione del modello di Baum-Frampton che non nega la possibilità dell'inflazione eterna), spesso parte delle teorie sul multiverso. La difficoltà nel rintracciare la reale esistenza delle onde gravitazionali e nel definire l'energia oscura negli esperimenti del 2014-15, unite alle sviluppo della teoria della gravità quantistica a loop, hanno riportato in vigore la teoria classica ciclica, che pareva superata dal modello dell'inflazione.

L'universo oscillante presenta alcune analogie con i concetti filosofici antichi di ecpirosi, apocatastasi ed eterno ritorno.

Il modello classico e il "grande rimbalzo"

La teoria inizia in modo simile a quella del Big Bang, che sostiene che l'universo iniziò da uno stato in cui tutta la materia ed energia erano compresse a densità infinite, e si espansero a formare l'Universo attuale. La teoria segue poi il percorso di quella del Big Crunch, secondo cui l'Universo in futuro si contrarrà di nuovo in uno stadio di temperatura e densità infinite, se la forza di gravità complessiva dell'Universo è sufficiente.

Un'altra variante è quella di Fred Hoyle, la teoria dello stato quasi-stazionario.

C'è chi ipotizza che lo spazio stia subendo un'oscillazione smorzata a seguito dell'espansione dovuta all'inflazione. Durante la sua vita, lo spazio dell'Universo si sarebbe espanso e contratto varie volte, diminuendo sempre più la sua ampiezza fino quasi a scomparire. Il cosmo è descritto come uno spazio a fisarmonica e la conclusione è che l'accelerazione dell'espansione attuale possa essere legata a una fase di espansione a cui seguirà una fase di contrazione.

La teoria più moderna dell'Universo oscillante, basata sulla cosmologia quantistica, sostiene che questo processo si ripeterà, attraverso il meccanismo del Grande Rimbalzo (Big Bounce), ma solo se la forza di gravità supererà l'energia oscura (o se l'energia oscura non esistesse). Molti esperti di gravità quantistica concordano col Big Bounce. Lo spostamento verso il rosso cosmologico è caratteristico dell'espansione, mentre lo spostamento verso il blu della contrazione. La teoria del Big Bounce potrebbe verificarsi facilmente se l'energia oscura non fosse la soluzione all'universo in accelerazione (in uno scenario simile al modello classico di Edwin Hubble), al di là delle implicazioni della gravità quantistica, come nella teoria proposta da fisici esperti nella teoria delle superstringhe, il cosiddetto modello del tempo che rallenta che non fa uso dell'energia oscura ma si basa sulla relatività.

Il modello di Steinhardt-Turok

Previsto dalla teoria delle stringhe, spiega ogni Big Bang come una collisione tra un mondo-brana (universo piatto a forma di foglio o membrana) del multiverso e un altro (Big Splat o modello ekpirotico), collisioni che avverrebbero in modo ciclico. Questo modello, ideato da Neil Turok e Paul J. Steinhardt, secondo le affermazioni di Michio Kaku, mostra come il Big Bang ha avuto origine, ma non esclude che l'inflazione caotica (che secondo alcuni dati osservativi sarebbe plausibile) ne sia una delle conseguenze, avendo quindi alcuni universi per ogni membrana, e molti universi di bolle, per un ampio multiverso. Difatti spiega il prima dell'universo e non quello che avvenne dopo la sua apparente "nascita" 13,7 miliardi circa di anni fa.

Altri modelli

La cosmologia ciclica conforme

Proposto da Roger Penrose, prevede la divisione dell'universo in infiniti eoni spaziotemporali, che si evolvono dalla fine di ogni universo, in cui sono presenti solo fotoni e onde gravitazionali, in un nuovo Big Bang. La differenza con il modello originale è che l'universo non si ritrae, per effetto dell'energia oscura, identificata però in una radiazione gravitazionale supplementare che sopravvive all'evaporazione dei buchi neri del processo di Hawking. Il modello non prevede l'inflazione.

Il modello di Baum-Frampton

Lauris Baum e Paul H. Frampton hanno proposto un ulteriore modello di universo ciclico, strettamente collegato al Big Rip, che tuttavia non sarebbe mai completo: infatti essi suggeriscono che un piccolissimo istante prima della conclusione del Big Rip – implicante la totale distruzione del tessuto cosmico dello spaziotempo – dell'ordine di 10⁻²⁷ secondi, lo spazio si dividerebbe in un gran numero di volumi indipendenti. Questi volumi di spazio sono correlati a “universi osservabili”, che vengono contratti ad una dimensione estremamente piccola, dell'ordine della lunghezza di Planck. Ognuno di tali volumi di spazio non conterrebbe materia o energia per la presenza del Big Rip, quindi - come nel modello di Penrose - l'entropia in ogni singolo volume si ridurrebbe praticamente a zero, rimanendo sostanzialmente inalterata durante questa contrazione. Successivamente il modello seguirebbe lo scenario del “Big Bang”, con entropia nuovamente crescente a causa dell'inflazione cosmica nella creazione dell'universo. Questo accadrebbe in ogni “volume” di spazio derivato dall'universo originale, traducendosi in un numero straordinariamente grande, ma finito, di nuovi universi.

Il modello ciclico, proposto inizialmente dai fisici da 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. 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 (…) non c'è alcun Big Bang”. Se l'entropia aumenta tra un'oscillazione e l'altra, l'universo si espanderebbe ad ogni ciclo. 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.

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”.

Tuttavia non nega uno scenario simile al Big Bang, e non costituisce quindi una cosmologia non standard.

Cultura di massa

• L'episodio Fry il ritardatario della serie animata Futurama di Matt Groening, scritto da Lewis Morton e diretto da Peter Avanzino, presenta uno scenario di universo ciclico.

Note

Controllo di autorità	LCCN (EN) sh2006005675 · J9U (EN, HE) 987007530527005171