Big Bounce

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Big Bounce

Big Bounce (in italiano Grande Rimbalzo) è una teoria cosmologica che tenta di descrivere in modo completo l'origine e l'evoluzione dell'Universo, evitando in particolare i limiti del Big Bang.

È una variante della teoria dell'universo oscillante, secondo la quale l'universo si espanderà fino a un certo punto per poi contrarsi fino a uno stato simile a quello del Big Bang, ma senza arrivare a una singolarità gravitazionale, e quindi "rimbalzare" dando origine a una nuova espansione, con la ripetizione del processo per l'eternità. La teoria cerca di includere la relatività generale, la meccanica quantistica e l'universo in accelerazione basandosi sulla gravità quantistica a loop.

È stata elaborata dal fisico tedesco Martin Bojowald, esperto di gravità quantistica e cosmologia quantistica, con il suo team della Pennsylvania State University e pubblicata nel luglio 2007 su Nature Physics online. Teorie molto simili sono sostenute da altri fisici che si occupano di gravità quantistica, come Leonardo Fernández-Jambrina, Ruth Lazkoz, Peter Lynds, Nikodem Popławski e Parampreet Singh.[1] Neil Turok (già teorico delle stringhe e del modello ciclico "ecpirotico") e Steffen Gielen hanno invece sviluppato un modello di Big Bounce matematicamente diverso da quello di Bojowald.[2]

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 (che si stima sia avvenuta circa 13,7 miliardi di anni fa) 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"[3]), 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.[4]

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[5] o la gravità che diviene occasionalmente repulsiva[6]; 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.[7]

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 o ci fossero stati errori di misurazione e valutazione), o ancora se la gravità supererà l'accelerazione, il Big Bounce diverrebbe lo scenario più probabile per l'universo conosciuto, anche se non si sa quando inizierà la contrazione e finirà l'espansione.

Teoria di Bojowald[modifica | modifica wikitesto]

Contrazione ed espansione

Secondo la gravità quantistica a loop l'universo è costituito da anelli (in inglese loop) delle 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.[8] Da queste premesse origina 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 in un certo qual modo con denominazione diversificata (loop) le vecchie linee di campo elettrico e magnetico. Poi, attraverso la matematica dei nodi, i fisici del team hanno applicato le leggi quantistiche ai loop, elaborando di fatto una nuova teoria quantistica-gravitazionale a cicli (Loop Quantum Gravity – LQG) che combina la relatività generale con equazioni della fisica quantistica sconosciute ai tempi di Einstein[8]. Il modello che ne è derivato prevede la presenza di "atomi" di spazio-tempo e possiede un livello massimo finito di materia ed energia, riuscendo ad evitare la presenza di una singolarità.[8]

Estrapolando a ritroso nel tempo le equazioni della LQG il team di Bojowald ha ricavato che l'Universo si contrae su se stesso ma non arriva alla singolarità iniziale puntiforme, non realizzando il Big Crunch. A 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[8].

La teoria è coerente con il principio di conservazione massa-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 implica l'ipotesi che l'Universo sia del tutto autosufficiente, in un eterno divenire della realtà fisica che non ha mai avuto origine e non avrà mai fine.[9]

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 sarebbe comportata in maniera repulsiva, come attualmente farebbe l'energia oscura.[1] Tale processo si ripeterebbe in un ciclo perpetuo, ma questo concetto si scontra con la termodinamica classica che prevede che il disordine tenda ad aumentare a ogni riproposizione dell'universo, fino a renderlo completamente caotico[non chiaro]; secondo il gruppo di Bojowald, il nuovo universo perderebbe ogni volta il ricordo del precedente subendo fluttuazioni diverse (amnesia cosmica) e ciò potrebbe sopperire a questa grave incongruenza.[8] Per Singh, invece, una minima memoria cosmica rimarrebbe e sarebbe individuabile studiando la radiazione di fondo.[1] Altri sostenitori sono Peter Lynds e Nikodem Popławski.

La teoria di Turok e Gielen è simile, ma è ancora in fase di sviluppo per spiegare la formazione delle galassie e le varie caratteristiche del modello standard della cosmologia.

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.[10]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c What Happened Before the Big Bang
  2. ^ Big Bounce: una ipotesi sull’Universo, su focus.it. URL consultato il 19 settembre 2019.
  3. ^ What Happened Before the Big Bang?, su science.psu.edu. URL consultato il 1º aprile 2011.
  4. ^ In che cosa consiste la densità critica dell'universo?
  5. ^ Il vuoto quantistico per spiegare l'energia oscura
  6. ^ Gravità solo attrattiva? Non è detto
  7. ^ New model of the cosmos: a Universe that begins again, Cosmos Magazine, 14 settembre 2015
  8. ^ a b c d e "L'universo che rimbalza", di Martin Bojowald pubbl. su "Le Scienze (Scientific American)", num.484, dic.2008, pag.57
  9. ^ Stephen Hawking, Dal Big Bang ai buchi neri, pagg. 160 e 165
  10. ^ 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]