Big Bounce

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Big Bounce (in inglese "Grande Rimbalzo"), è una teoria cosmologica elaborata dal fisico tedesco Martin Bojowald, esperto di gravità e cosmologia quantistiche, e dal suo team della Pennsylvania State University, e pubblicata nel luglio 2007 su Nature Phisics online.

La teoria si occupa dell'origine e della fine dell'Universo visibile e di cosa ci fosse "prima" dell'Universo. Si tratta di una variante della teoria dell'universo oscillante - 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 (sostituito appunto dal Big Bounce), quindi si verificherà una nuova nascita con la ripetizione del processo per l'eternità, in universo chiuso - che tiene però conto delle scoperte sull'universo in accelerazione e della meccanica quantistica (anziché della sola relatività generale come nel modello classico), tentando di conciliarle grazie alla gravità quantistica a loop. Lo spostamento verso il rosso cosmologico è quindi, come nel modello ciclico originale, caratteristico dell'espansione mentre lo spostamento verso il blu della contrazione. Altri sostengono che a causa delle dimensioni del cosmo vediamo "il passato", ossia l'universo che si stava allontanando dopo il Big Bang, ma in realtà abbia già cominciato a contrarsi.

Teorie molto simili sono inoltre sostenute e appoggiate anche da altri fisici che si occupano di gravità quantistica, come Leonardo Fernández-Jambrina, Ruth Lazkoz, Peter Lynds, Nikodem Popławski e Parampreet Singh.[1]

Premessa: il Big Bang e il Big Crunch[modifica | modifica wikitesto]

Il problema della singolarità[modifica | modifica wikitesto]

La teoria classica del Big Bang, pur rispettando la relatività generale di Einstein ed altre importanti evidenze sperimentali (redshift e radiazione cosmica di fondo a 3K), ipotizza che l'origine dell'Universo (stimata attualmente in 13,7 miliardi di anni) sarebbe stata causata da una "singolarità iniziale puntiforme" avente un volume pari a zero ma dotata di energia e densità infinite. Secondo molti scienziati tale singolarità risulta inverosimile sulla base di tutte le leggi fisiche note ("a mathematically nonsensical state"[2]), poiché in particolare violerebbe il principio di conservazione dell'energia totale; inoltre, si pone in contraddizione con le leggi della meccanica quantistica, tanto che l'adozione dogmatica della teoria del Big Bang viene da molti (tra cui Bojowald) considerata come una barriera per il tentativo di unificare le leggi della fisica. La singolarità iniziale del Big Bang, sorta praticamente dal nulla, esplodendo avrebbe creato non solo l'energia e la materia ma anche lo spazio e il tempo. Da notare che il vuoto-nulla nella realtà fisica non esiste; c'è sempre, perlomeno, una quantità minima di energia denominata energia di punto zero.

Rapporto con l'energia oscura[modifica | modifica wikitesto]

Per superare i limiti della teoria classica del Big Bang diversi scienziati hanno ipotizzato che l'Universo abbia un movimento ciclico ed eterno (Universo oscillante o pulsante), ossia una sequenza infinita di Big Bang e successivi Big Crunch (Grande Collasso). La ciclicità dell'Universo dipende, evidentemente, dalla quantità di materia-energia esistente (densità critica, solitamente denominata Ω), quindi anche dalla materia oscura e dalla energia oscura. Perché l'Universo arresti l'espansione e inizi la fase di contrazione (in un futuro molto lontano), il fattore Ω dovrebbe essere almeno di tre protoni al metro cubo o energia equivalente, essendo la materia una forma di energia, com'è noto da Einstein (la massa di un protone è di 1,673x10−27kg, equivalente a 938 MeV). Le più recenti osservazioni hanno rilevato che la densità media dell'Universo visibile ha un valore pressoché coincidente con Ω. Se Ω>1, a meno che non vi sia una quantità enorme di energia oscura, energia fantasma o energia del vuoto, allora si verificherà il Big Bounce o il Big Crunch, quando finirà la forza di espansione e la gravità di materia e materia oscura avrà la meglio. Le osservazioni indicano che la densità dell'Universo è da 5 a 100 volte più piccola di quella critica, e dunque l'Universo sarebbe aperto e non chiuso come nel modello ciclico. La teoria più efficace per spiegare la fase iniziale dell'Universo (l'inflazione cosmica, che tuttavia non è stata verificata) richiede una densità esattamente pari a quella critica (universo piatto). Per ottenere una densità pari a quella critica occorre ipotizzare, a meno di applicare misure alternative come le teorie MOND, che esista una notevole quantità di materia oscura, da 5 a 100 volte la materia osservabile, quindi il problema risulta aperto, poiché tale materia può bilanciare l'espansione.[3]

Tuttavia alcuni modelli di gravità quantistica, tra cui la stessa gravitazione quantistica a loop, possono spiegare le proprietà cosmologiche senza avvalersi dell'energia oscura, ma utilizzando altri concetti come il vuoto quantistico, ad esempio[4] o la gravità che diviene occasionalmente repulsiva[5]; quindi la teoria del Big Bounce potrebbe reggere anche senza tenere conto di essa.

La teoria del Big Bounce potrebbe verificarsi anche se l'energia oscura non fosse la soluzione all'universo in accelerazione, e anche 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. In questo caso lo scenario è simile al modello classico di Big Bang seguito alle scoperte di Edwin Hubble, che ha dato origine alla teoria dell'universo oscillante tradizionale (senza energia oscura e accelerazione), riproponendo la vecchia teoria.

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 ciclica, che pareva superata dal modello dell'inflazione.[6]

Se l'energia oscura o lo stesso universo in accelerazione non fossero le spiegazioni corrette dei dati osservativi (ad esempio se la Via Lattea si trovasse in una zona di vuoto cosmico o bolla cosmica), il Big Bounce diverrebbe lo scenario più probabile.

Teoria di Bojowald[modifica | modifica wikitesto]

Contrazione ed espansione

Secondo la gravità quantistica a loop l'universo sarebbe costituito da anelli (in inglese loop) di dimensioni infinitesime, di 10−35 metri, ossia dieci miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di nanometri. Questi anelli infinitamente piccoli possono contenere una certa quantità di energia, che, pur aumentando durante il collasso gravitazionale, non può mai diventare infinita.[7] Su questo filone cosmologico si innesta la teoria del Big Bounce, che concettualmente prende il posto del Big Bang e del Big Crunch, fondendoli in una nuova formulazione scientifica.

Come primo atto, il team di Bojowald ha rivisto e riformulato la teoria della relatività generale avvicinandola a quella classica dell'elettromagnetismo, riproponendo, seppur con denominazione diversificata (loop) le vecchie linee di campo elettrico e magnetico. Poi attraverso la matematica dei nodi, i fisici del team hanno attribuito le leggi quantistiche ai loop. Il modello plasmato, in tal modo, prevede la presenza di atomi dello spazio-tempo e possiede una attitudine finita di contenere materia e energia, riuscendo a rendere superflua, in tal modo, anche la presenza di una singolarità.[7]

Il team di Bojowald, per evitare il paradosso della singolarità iniziale e nel tentativo di conciliare la relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica (che a sua volta si fonda sul principio di indeterminazione di Heisenberg), ha elaborato una nuova teoria quantistica-gravitazionale a cicli (Loop Quantum Gravity – LQG). Attraverso i dati estrapolati con il modello Loop Quantum Gravity, la nuova teoria che combina la relatività generale con equazioni della fisica quantistica non ancora conosciute ai tempi di Einstein.[7]

Mandando a ritroso nel tempo le equazioni della LQG il team di Bojowald ha ricavato che l'Universo si contrae su se stesso ma non fino ad arrivare alla singolarità iniziale puntiforme, quindi non realizzando il Big Crunch.

Ad un certo punto della contrazione, a causa del costante aumento dei valori della massa-energia (densità e temperatura), il tessuto spazio-temporale si lacera e la gravità da attrattiva diventerebbe repulsiva, facendo rimbalzare l'Universo in un nuovo Big Bang.[7] Ciò causa l'espansione; in seguito ritorna attrattiva, anche se in grandi scale viene vinta dalla forza espansiva per molto tempo.[7] I calcoli non sono tuttavia riusciti a dire come erano le caratteristiche dell'universo precedente.

Da sottolineare che la teoria del Big Bounce è coerente con il principio di conservazione della materia e dell'energia, per il quale in natura nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma. La teoria del Big Bounce e in generale la teoria dell'Universo oscillante o pulsante (come sequenza infinita di esplosioni e di successivi collassi gravitazionali) implica l'ipotesi che l'Universo sia del tutto autosufficiente: un eterno divenire della realtà fisica (energia-materia) che non ha mai avuto origine e non avrà mai fine.[8]

Altre formulazioni collegate[modifica | modifica wikitesto]

Altri fisici come Parampreet Singh, unendo, in una nuova matematica, la fisica quantistica e la relatività generale, hanno verificato che al momento del Big Bang la gravità si comportava in maniera repulsiva, come attualmente farebbe l'energia oscura.[1] Tale processo si ripeterebbe in un ciclo perpetuo. Ma il nuovo universo perde ogni ricordo visto che subisce fluttuazioni diverse da quello successivo e quindi questi dettagli di memoria storica non sopravvivono ed il nuovo è sempre diverso rispetto al precedente (amnesia cosmica). Questo concetto si scontra con la termodinamica classica che prevede che il disordine tenda ad aumentare ad ogni riproposizione dell'universo, fino a renderlo completamente caotico; secondo il gruppo di Bojowald, la smemoratezza cosmica potrebbe sopperire a questa grave incongruenza.[7] Per Singh, invece, una minima memoria cosmica rimarrebbe e sarebbe individuabile studiando la radiazione di fondo.[1]

Ispirazioni culturali[modifica | modifica wikitesto]

Martin Bojowald è un ammiratore di Friedrich Nietzsche e cita spesso i suoi aforismi e concetti (come l'eterno ritorno) nei suoi testi.[9]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c What Happened Before the Big Bang
  2. ^ What Happened Before the Big Bang?, science.psu.edu. URL consultato il 01-04-2011.
  3. ^ In che cosa consiste la densità critica dell'universo?
  4. ^ Il vuoto quantistico per spiegare l’energia oscura
  5. ^ Gravità solo attrattiva? Non è detto
  6. ^ New model of the cosmos: a Universe that begins again, Cosmos Magazine, 14 settembre 2015
  7. ^ a b c d e f "L'universo che rimbalza", di Martin Bojowald pubbl. su "Le Scienze (Scientific American)", num.484, dic.2008, pag.57
  8. ^ Stephen Hawking, Dal Big Bang ai buchi neri, pagg. 160 e 165
  9. ^ Scienza e letteratura. Intervista a Martin Bojowald

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Ugo Amaldi, Fisica: idee ed esperimenti, vol. 1, 2 e 3, Zanichelli, 2001.
  • Maurizio Gasperini, L'Universo prima del Big Bang - Cosmologia e teoria delle Stringhe, Franco Muzzio Editore, 2002.
  • Margherita Hack, Pippo Battaglia, Walter Ferrari, Origine e fine dell'Universo, UTET libreria, 2002.
  • Margherita Hack, L'Universo alle soglie del duemila, Rizzoli BUR supersaggi, 1997.
  • Stephen Hawking, Dal Big Bang ai buchi neri, Rizzoli, 1988.
  • Stephen Hawking, Buchi neri e universi neonati, Rizzoli BUR supersaggi, 1997.
  • L'Astronomia, n. 288 agosto/settembre 2007 (periodico mensile).
  • Newton, n. 9 settembre 2007 (periodico mensile).
  • Martin Bojowald, What happened before the Big Bang?, 2007. Nature Physics 3 (8): 523–525
  • Martin Bojowald, L'Universo che rimbalza, Le Scienze n. 484, dicembre 2008, pagg. 56-61.
  • Martin Bojowald, Prima del Big Bang. Storia completa dell'Universo, Bompiani, 2011 ISBN 978-88-452-6784-0
  • Martin Bojowald, Quantum Cosmology. A Fundamental Description of the Universe. (= Lecture Notes in Physics. Vol. 835). Springer, 2011
  • Abhay Ashtekar, Parampreet Singh, Loop Quantum Cosmology: A Status Report, 2011
  • Parampreet Singh, Transcending Big Bang in Loop Quantum Cosmology: Recent Advances, Based on Plenary talk at the Sixth International Conference on Gravitation and Cosmology at IUCAA, Pune (2007)

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]