Cosmologia ciclica conforme

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Immagine di cerchi concentrici, in questo caso rappresentanti gli "eoni" (o le onde gravitazionali), simile a quella riportata sulla copertina italiana del libro di Roger Penrose Dal Big Bang all'eternità (Cycles of Time), dove la teoria della cosmologia ciclica conforme venne espressa per la prima volta in forma completa

La cosmologia ciclica conforme (in inglese Conformal Cyclic Cosmology, abbreviato CCC)[1] è un modello cosmologico che è stato proposto dal 2001 in poi dal matematico e fisico teorico Roger Penrose[2] e dal collega Vahe Gurzadyan, e facente parte del gruppo di teorie strettamente collegate con la relatività generale di Albert Einstein; questa teoria accetta l'espansione dell'universo fino al decadimento completo della materia e all'assorbimento dell'energia della luce da parte dei buchi neri, postulando a questo punto che ciò che rimane sia del tutto simile all'universo primordiale durante l'iniziale singolarità gravitazionale, in quanto privo delle grandezze fisiche di spazio e di tempo, generando così un nuovo Big Bang in un universo ciclico e infinito nel tempo ma non nello spazio.[3]

Questa teoria tenta di conciliare le leggi di Einstein con la meccanica quantistica, senza però scardinare i fondamenti minimi del modello standard della fisica e del modello standard della cosmologia (principalmente il Big Bang e l'espansione).[3][4][5]

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Nella CCC, l'universo attraversa cicli infiniti (chiamati "eoni"), con ogni futuro infinito intervallo di spaziotempo che si presenta come ripetizione di ogni precedente iterazione, ed è identificato con la singolarità gravitazionale del Big Bang. Questo modello è una variante e un superamento dell'universo ciclico classico, ma anche della teoria dello stato stazionario[6]; la teoria si pone quindi come un'alternativa alle più diffuse teorie cosmologiche, specialmente all'inflazione caotica e alla teoria delle stringhe, ma anche, per alcuni, al classico modello standard del Big Bang, che domina la cosmologia moderna dagli anni '60.[7]

Penrose afferma che la prova sarebbe contenuta nella radiazione di fondo, e nelle onde concentriche gravitazionali scoperte in essa, che sarebbero i residui materiali degli universi precedenti.[8][9] Questo modello si propone di risolvere i numerosi problemi lasciati aperti dalle ipotesi precedenti - multiverso, nascita di nuovi universi dai buchi neri, modelli oscillanti tra espansione e collasso, inflazione cosmica caotica, il ruolo della costante cosmologica - senza sovvertire la fisica teorica del quadro generale della fisica standard (finendo completamente in interpretazioni non ortodosse), ed è basato, secondo i sostenitori e i proponenti, su teorie fisiche e matematiche accettate, come la rielaborazione delle fondamentali equazioni di Einstein.[10]

Molti fisici considerano comunque questa teoria, in quanto nega il Big Bang classico e le sue implicazioni nel modello standard dell'astrofisica, come parte della cosmologia non standard.[11]

Presentazione[modifica | modifica wikitesto]

Sir Roger Penrose, l'ideatore di questa teoria, al Festival della Scienza nel 2011

Secondo Penrose, un tempo sostenitore della teoria del "nulla prima del Big Bang" - che sostituì quella sostenuta dal suo maestro, Dennis Sciama, la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e altri -, afferma nel libro Dal Big Bang all'eternità che l'infinitamente piccolo, ad ogni fine dell'universo, forse equivarrà all'infinitamente grande, e l'universo apparentemente freddo e morto potrebbe così dare origine, per effetto dell'annullamento delle leggi fisiche precedenti, ad un nuovo Big Bang (la bassa entropia sarebbe la stessa della nascita del primo universo), anche se diverso da quello della teoria del Big Bounce. L'attuale universo sarebbe uno degli infiniti "eoni" (ognuno della durata di 10100, ovvero 1 seguito da 100 zeri, un numero chiamato Googol) che costituiscono l'eterno universo. Non vennero esclusi a priori né l'inflazione (criticata da Penrose) né il multiverso, anche se i calcoli teorici non confermarono questi argomenti.[12]

Le onde gravitazionali distorcono la trama dello spaziotempo e, secondo Penrose e il suo collega Vahe Gurzadyan, lasciano traccia del loro passaggio in forma di questi anelli concentrici. Inoltre si afferma che non ci può essere un inizio (singolarità), se prima non c'è qualcosa.[1]

L'assenza del Big Bang[modifica | modifica wikitesto]

La radiazione di fondo è anisotropa, ovvero la sua temperatura subisce fluttuazioni di circa una su 100.000, e queste fluttuazioni (principale sostegno della teoria del Big Bang) dovrebbero essere casuali, e risalenti al periodo dell'inflazione. Penrose e Gurzadyan hanno scoperto però la presenza di una serie di cerchi concentrici all'interno della radiazione, all'interno dei quali la variazione di temperatura è molto inferiore all'atteso, un fatto che mostra come l'anisotropia non sia del tutto casuale. I due scienziati ritengono che questi cerchi derivino da collisioni fra buchi neri supermassicci che avrebbero rilasciato enormi "lampi di energia". L'aspetto più singolare di questi cerchi è che, secondo i calcoli dei ricercatori, alcuni dei cerchi più grandi dovrebbero essersi formati prima del Big Bang; ciò non implica che non ci sia stato un Big Bang, piuttosto fornisce un indizio della possibilità di trovarci in una sorta di universo ciclico, nel quale alla fine di un "eone" o di un universo, si innescherebbe appunto il nuovo Big Bang che segna l'inizio di un nuovo universo, in un processo si ripeterebbe all'infinito. Secondo Penrose e Gurzadyan lo scontro dei due buchi neri, che ha determinato i cerchi, sarebbe avvenuto proprio al termine dell'eone precedente a quello del nostro universo.[13]

Penrose sostiene con convinzione che, se rimangono solo i fotoni e la materia rimane inerte allo stato di subparticelle, si fermerà il tempo, poiché i fotoni non hanno massa sufficiente. Se si ferma il tempo e lo spazio, lo spaziotempo cessa di esistere, le sue leggi anche e l'universo enorme e dilatato, diverrà equivalente a un universo microscopico, e, per effetto delle leggi di conservazione della materia e della massa, produrrà un nuovo universo. Questo accadrà non in seguito ad una contrazione gravitazionale come nel Big Bounce e nel Big Crunch, ma grazie alla dissoluzione dell'universo precedente causata dall'espansione in un Big Freeze e dall'azione dei buchi neri, che assorbiranno tutta la materia ed evaporeranno nella radiazione di Hawking (portando con sé anche l'entropia o "disordine" cosmico, che dovrebbe essere al massimo), producendo così un cosmo simile a quello pre-Big Bang, a livello strettamente fisico.[14]

Spiegazione dell'accelerazione dell'universo[modifica | modifica wikitesto]

Penrose si spinge ad affermare che l'universo in accelerazione è la spinta di un futuro Big Bang o comunque una rinascita dell'universo. L'energia oscura, forza disgregante poco conosciuta ma contemplata dall'attuale modello cosmologico standard del Big Bang (talvolta identificata con la costante cosmologica dell'energia del vuoto), sarebbe una forza complementare alla gravità e alla materia oscura, che in alcuni modelli quantistici, da attrattiva diventa anch'essa respingente, e viceversa potrebbe accadere all'energia oscura, senza che vi sia la contrazione dell'universo come nel Big Crunch.[15] Penrose sostiene che la sua teoria sia l'unica che possa far coincidere tutti i dati raccolti e le formulazioni teoriche come la radiazione di Hawking, a differenza delle altre, come il Big Freeze classico, il Big Bounce, l'inflazione eterna, e i vari modelli degli universi infiniti, che giudica teorie incomplete e con forzature fisiche e matematiche, nonché incongruenze legate alla geometria dello spaziotempo (da cui il termine "conforme") - un esempio di questa "geometria perfetta" (Penrose cita, come padre della "geometria conforme", Eugenio Beltrami) è la cosiddetta tassellatura di Penrose - e all'entropia dell'Universo.[15] Questa teoria è proposta come un primo embrione di una teoria del tutto.[15]

Accoglienza[modifica | modifica wikitesto]

Rilevazioni di onde gravitazionali

Molti astrofisici però non condividono queste affermazioni, sostenendo che si debba provare come abbiano fatto le presunte onde gravitazionali del precedente universo, che sarebe esistito quasi 14 miliardi di anni fa (dove si fermano le conoscenze attuali), a sopravvivere al Big Bang. Affermano che la CCC è solo una teoria fisica che non regge all'osservazione e manca di falsificabilità (questa mancanza di falsificabilità è rilevata però anche nello stesso modello inflazionario[16]). Il problema fondamentale dei modelli ciclici riguarda la seconda legge della termodinamica, che, in sostanza, afferma che l’entropia aumenta sempre, implicando cicli sempre più lunghi ogni volta che l’universo rinasce. Andando quindi indietro nel tempo, i cicli diventano sempre più brevi, il che implica che ci deve essere stato un inizio, cosa che i modelli ciclici cercano di evitare, mentre il modello di Steinhart-Turok utilizza la materia oscura e le brane che collidono tra loro per evitare il problema. Un altro approccio è il modello di Baum-Frampton; tutti i sostenitori di queste teorie giudicano la CCC come una spiegazione insufficiente.[17] La teoria rimane per ora minoritaria e sostenuta, nella sua versione integrale, solo da Penrose e Gurzadyan, anche se presenta qualche leggera analogia con le teorie di Lee Smolin sugli universi in evoluzione (selezione naturale cosmologica).[18]

Risposte dei proponenti ai critici[modifica | modifica wikitesto]

Penrose afferma che l'entropia si blocca e si abbassa drasticamente in presenza solo di fotoni, così come si ferma il tempo stesso, in quanto non c'è più massa ma solo energia. Quindi non deve essere esistito per forza un inizio, che comunque sarebbe un problema risolvibile con il modello dello stato di Hartle-Hawking (ossia un inizio senza "confini iniziali"). Di fronte ai propri risultati teorici e alle osservazioni successive del marzo 2014 (che invece, secondo molti, confermerebbero l'inflazione) Roger Penrose ha affermato poco dopo che le teorie maggioritarie tra i fisici non sono secondo lui verificate: in particolare la teoria inflazionistica (compresa la più accreditata di questo tipo di teorie, l'inflazione caotica) - da lui sempre criticata - è definita una «fantasia», mentre la teoria delle stringhe, in particolare il mondo-brana e il Big Splat più che l'ipotesi di multiverso e di stringa in sé, è liquidata come un fenomeno di «moda» e una «fede»[19], su cui i fisici insisterebbero erroneamente come scorciatoie che vanno contro la relatività generale, come già fecero con la supersimmetria o le molte interpretazioni iniziali della relatività, finché Einstein sistemò la teoria con i suoi calcoli, dove tutti gli altri fallirono.[20] Inoltre, secondo alcune interpretazioni dei dati del Planck Surveyor dell'aprile 2014, i risultati di BICEP2 potrebbero contenere errori.[21]

Altri dicono che non è ben risolto il problema dell'orizzonte: non si potrebbe vedere un lampo di luce del presunto Big Bang, se la velocità della luce non fosse in ogni caso superiore a quella delle galassie in allontanamento, mentre l'inflazione sostiene che l'espansione fu più veloce della luce, ma allo stesso tempo noi vedremmo le tracce di quella luce primordiale; nella CCC non ci sarebbero queste contraddizioni.[22][20][23] La cosmologia ciclica conforme non sarebbe invalidata, quindi, mentre i dati di BICEP2 annullerebbero le teorie quali l'universo oscillante (il cosiddetto "modello ciclico" classico) e il suo derivato, il Big Bounce.[24]

Gurzadyan e Penrose hanno pubblicato ulteriori sviluppi della teoria nel 2013.[25][26]

Già nel 2011, Penrose ha affermato pubblicamente che questa teoria avrebbe prove "schiaccianti" a favore, perlomeno dal suo punto di vista.[6]

Una tassellatura di Penrose, struttura geometrica ispirata alle incisioni di Escher

Ispirazioni culturali[modifica | modifica wikitesto]

Questa teoria è inoltre una variante, anche se diversa in molti punti, dell'universo oscillante proposto anche da Albert Einstein, e sminuisce l'importanza del Big Bang, che tuttavia non viene eliminato. Penrose ha tratto ispirazione per la teoria, confermandola poi dalle sue osservazioni e calcoli, anche da concezioni filosofiche (egli è anche un filosofo, autore di controverse teorie, la più nota è la "coscienza quantica") come quella di Nietzsche (eterno ritorno) o artistiche (Maurits Cornelis Escher, amico di famiglia dello scienziato inglese). Anche Gurzadyan ha un retroterra culturale artistico, essendo figlio di un pittore e astrofisico, Grigor Gurzadyan.[1]

Teoria fisica nei dettagli[modifica | modifica wikitesto]

Costruzione matematica di base[modifica | modifica wikitesto]

La costruzione base ideata da Penrose è collegata ad un insieme di sequenza numerabile di un certo numero di sequenze di spaziotempo, aperte e basate sulla metrica di Friedmann - Lemaître - Robertson - Walker (FLRW). Ognuna rappresenta un Big Bang seguito da un'infinita futura espansione.[4] Il fisico ha notato che i "confini conformi", previsti dai calcoli del suo diagramma di Penrose (estensione dei calcoli teorici di Minkowski e della mappa conforme), nel passato, hanno una copia di spaziotempo di FLWR, la quale può essere "fissa" e diventare il futuro "confine conforme" di un altro spaziotempo, dopo un adeguato ridimensionamento conforme. In particolare, ogni singolo g_{ab} FLRW viene moltiplicato per il quadrato di un fattore conforme \Omega che si avvicina all'infinito verso lo zero; questo provoca un sostanziale "schiacciamento verso il basso" del futuro confine conforme, verso un'ipersuperficie conforme normale (che è anch'essa spaziotempo, se c'è una costante cosmologica positiva, come noi oggi crediamo, che sia essa l'energia oscura, l'energia del vuoto, la quintessenza o altro). Il risultato di questi complessi calcoli è una nuova soluzione delle equazioni di Einstein, che Penrose ha utilizzato per rappresentare l'intero universo, il quale risulta composto da una sequenza di settori spaziotemporali che Penrose chiama "eoni".[4]

Implicazioni fisiche[modifica | modifica wikitesto]

Modello standard della nascita e dello sviluppo dell'universo, da cui Penrose esclude però l'inflazione

La caratteristica e conseguenza importante di questa costruzione, per la fisica delle particelle e la meccanica quantistica, è che, dato che i bosoni obbediscono alle leggi della teoria di campo conforme, si comporteranno nello stesso modo negli eoni come nelle controparti FLRW originali (questo corrisponde, classicamente, al fatto che la struttura di un cono di luce è conservata da un riscalamento conforme). Per tali particelle, il confine tra eoni non è un limite al tutto, ma solo una superficie simile allo spazio, che può essere attraversata come qualsiasi altra cosa. I fermioni, invece, restano confinati in un dato eone.[4] Ciò fornisce una soluzione conveniente per il paradosso dell'informazione del buco nero, che fa sì che i dati informativi vadano quasi tutte persi, secondo la teoria della radiazione di Hawking; secondo Penrose, i fermioni devono essere irreversibilmente convertiti in radiazioni durante l'evaporazione del buco nero, per conservare la cosiddetta morbidezza dei confini conformi, durante il passaggio da un eone all'altro. Questi eoni non sarebbero perfettamente identici, in modo da evitare ogni paradosso temporale.[4]

Le proprietà della curvatura nella cosmologia di Penrose sono auspicabili. In primo luogo, il confine tra eoni soddisfa l'ipotesi di curvatura di Weyle, delineneando così un quadro di bassa entropia nel passato, come richiesto dalla meccanica statistica e dall'osservazione.[4]

In secondo luogo, Penrose ha calcolato che una certa quantità di radiazione gravitazionale deve essere preservata attraverso il confine tra eoni. Penrose suggerisce che questa radiazione gravitazionale supplementare può essere sufficiente a spiegare l'accelerazione cosmica osservata, senza fare ricorso al campo di materia derivato dall'ipotetica enorme quantità di energia oscura, e senza prevedere l'inflazione per spiegare l'omogeneità dell'universo.[4]

Test empirici[modifica | modifica wikitesto]

Mappa delle anisotropie calcolate dopo un anno di osservazione (dati WMAP)

Nel 2010, Penrose e Vahe Gurzadyan hanno pubblicato una prestampa di un documento sostenendo che le osservazioni della radiazione cosmica di fondo. fatta dal Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) e l'esperimento BOOMERanG hanno mostrato anomalie concentriche che erano coerenti con l'ipotesi CCC, con una bassa probabilità di ipotesi nulla sul fatto che l'osservazione in questione sia avvenuta per caso e non sia ripetibile.[27] Tuttavia , la significatività statistica della rilevazione, rivendicato da allora, è stata messa in discussione. Tre gruppi hanno indipendentemente tentato di riprodurre questi risultati, ma hanno trovato che la rilevazione delle anomalie concentriche non era statisticamente significativa, nel senso che tali cerchi apparirebbero in una corretta simulazione gaussiana della anisotropia nei dati CMB.[28][29][30]

Il motivo del disaccordo consiste nella questione di come costruire le simulazioni che vengono utilizzati per determinare la significatività: i tre tentativi indipendenti di ripetere l'analisi tutte le simulazioni utilizzate basati sullo standard del modello Lambda-CDM, mentre Penrose e Gurzadyan hanno usato un approccio, ritenuto da molti (come rilevano gli stessi autori), non-standard e non documentato.[11]

Queste onde gravitazionali sarebbero quindi, per Penrose, visibili nelle mappe della radiazione fossile del satellite WMAP e sarebbero state confermate dal satellite Planck e dall'esperimento BICEP2, che secondo alcuni fisici avrebbe fornito una prima prova dell'esistenza di universo precedente; però esso avrebbe fornito anche la prova che probabilmente la teoria dell'inflazione eterna di Alan Guth e Andrej Linde, sostanzialmente respinta da Penrose, sarebbe invece attendibile, anche se non manca chi cerca di conciliare i dati o correggerli, come già detto, alla luce dell'ultima osservazione del Planck.[31]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c Sono infiniti i Big Bang che hanno fatto il mondo
  2. ^ già proponente con Stephen Hawking - che oggi però propende più per l'inflazione cosmica e il multiverso rispetto alle teorie cicliche preferite da Penrose - di numerosi modelli fisici, teorie astrofisiche e studi sui buchi neri, oggi accettati dalla comunità scientifica
  3. ^ a b Jason Palmer, Cosmos may show echoes of events before Big Bang, BBC News, 27 novembre 2010. URL consultato il 27 novembre 2010.
  4. ^ a b c d e f g Roger Penrose, Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics in Proceedings of the EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 2759–2762.
  5. ^ Gurzadyan VG, Penrose R, "On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky", Eur.Phys.J. Plus 128 (2013) 22; http://arxiv.org/abs/1302.5162
  6. ^ a b Prima del Big Bang? Un altro universo identico: la teoria di Roger Penrose divide i cosmologi
  7. ^ Edwin Cartlidge, Penrose claims to have glimpsed universe before Big Bang, physicsworld.com, 19 novembre 2010. URL consultato il 27 novembre 2010.
  8. ^ Prima del Big Bang? Un altro universo identico: la teoria di Roger Penrose divide i cosmologi
  9. ^ L'universo prima del Big Bang
  10. ^ Introduzione e risvolto di copertina del libro di Penrose Dal Big Bang all'eternità
  11. ^ a b Gurzadyan VG e Penrose R, More on the low variance circles in CMB sky, 7 dicembre 2010, p. 1012.1486.
  12. ^ Ritorno al futuro. Intervista a Roger Penrose
  13. ^ L'universo prima del big bang
  14. ^ L'universo rinascerà identico
  15. ^ a b c Recensione di Dal Big Bang all'eternità
  16. ^ Altro che inflazione! Le obiezioni di uno scettico
  17. ^ Paolo Di Sia, Multiverso e “teorie cicliche”: il modello di Baum-Frampton
  18. ^ L'universo prima del Big Bang
  19. ^ Sir Roger Penrose: Cosmic Inflation is "fantasy"
  20. ^ a b Cercando un altro Einstein
  21. ^ Risultati BICEP2 Sull'Inflazione e Onde Gravitazionali Potrebbero Essere Errati?
  22. ^ Damiano Anselmi, L'involuzione del pensiero scientifico
  23. ^ Cosmic inflation has its flaws, but so do its critics
  24. ^ La cosmologia dopo la scoperta di BICEP2
  25. ^ Paolo Di Sia, Multiverso e teorie cicliche: la cosmologia ciclica conforme
  26. ^ V. G. Gurzadyan, R. Penrose, More on the low variance circles in CMB sky, arXiv:1012.1486v1 [astro-ph.CO]
  27. ^ Gurzadyan VG e Penrose R, Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity, 16 novembre 2010, p. 1011.3706.
  28. ^ Wehus IK e Eriksen HK, A search for concentric circles in the 7-year WMAP temperature sky maps, 7 dicembre 2010, p. 1012.1268.
  29. ^ Moss A, Scott D e Zibin JP, No evidence for anomalously low variance circles on the sky, 7 dicembre 2010, p. 1012.1305.
  30. ^ Hajian A, Are There Echoes From The Pre-Big Bang Universe? A Search for Low Variance Circles in the CMB Sky, 8 dicembre 2010, p. 1012.1656.
  31. ^ Planck’s Cosmic Map Reveals Universe Older, Expanding More Slowly

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Roger Penrose, Dal Big Bang all'eternità. I cicli temporali che danno forma all'universo, 2011, 357 p., ill., rilegato, traduzione Didero D., Rizzoli

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]