Modello ciclico dell'Universo: la degenerazione della materia avviene all'infinito

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

All'inizio degli anni 2000, due fisici dell'Università di Princeton hanno proposto un modello cosmologico, secondo il quale il Big Bang non è un evento unico, ma lo spaziotempo esisteva molto prima che nascesse l'universo.

Nel modello ciclico, l'universo attraversa un ciclo infinito autosufficiente. Negli anni '30, Albert Einstein avanzò l'idea che l'universo potesse sperimentare un ciclo infinito di big bang e grandi compressioni. L'espansione del nostro universo può essere il risultato del crollo dell'universo antecedente. Nell'ambito di questo modello, possiamo dire che l'Universo è rinato dalla morte del suo predecessore. Se è così, allora il Big Bang non è stato qualcosa di unico, è solo una piccola esplosione tra un numero infinito di altre. La teoria ciclica non sostituisce necessariamente la teoria del Big Bang, piuttosto cerca di rispondere ad altre domande: ad esempio, cosa è successo prima del Big Bang e perché il Big Bang ha portato a un periodo di rapida espansione?

Uno dei nuovi modelli ciclici dell'Universo è stato proposto da Paul Steinhardt e Neil Turok nel 2001. Steinhardt ha descritto questo modello nel suo articolo, intitolato The Cyclic Model of the Univers. Nella teoria delle stringhe, una membrana, o "brana", è un oggetto che esiste in un certo numero di dimensioni. Secondo Steinhardt e Turok, le tre dimensioni spaziali che vediamo corrispondono a queste brane. Due brane 3D possono esistere in parallelo, separate da una dimensione aggiuntiva nascosta. Queste brane - si possono pensare come placche metalliche - possono muoversi lungo questa dimensione extra e scontrarsi tra loro, creando il Big Bang, e quindi universi (come il nostro). Quando si scontrano, gli eventi si svolgono secondo il modello standard del Big Bang: vengono create materia calda e radiazioni, si verifica una rapida inflazione e quindi tutto si raffredda e si formano strutture come galassie, stelle e pianeti. Tuttavia, Steinhardt e Turok sostengono che c'è sempre una qualche interazione tra queste brane, che chiamano inter-brane: le unisce, facendole scontrare di nuovo e producendo il prossimo Big Bang.

Il modello di Steinhardt e Turok sfida tuttavia alcune delle ipotesi del modello del Big Bang. Ad esempio, secondo loro, il Big Bang non è stato l'inizio dello spazio e del tempo, ma piuttosto una transizione da una fase precedente dell'evoluzione. Se parliamo del modello del Big Bang, allora si dice che questo evento ha segnato l'inizio immediato dello spazio e del tempo in quanto tale. Inoltre, in questo ciclo di brane in collisione, la struttura su larga scala dell'Universo deve essere determinata dalla fase di compressione: ciò avviene prima che si scontrino e si verifichi il prossimo Big Bang. Secondo la teoria del Big Bang, la struttura su larga scala dell'universo è determinata da un periodo di rapida espansione (inflazione), avvenuto poco dopo l'esplosione. Inoltre, il modello del Big Bang non prevede per quanto tempo esisterà l'universo e nel modello di Steinhardt la durata di ogni ciclo è di circa un trilione di anni.

La cosa buona del modello ciclico dell'Universo è che, a differenza del modello del Big Bang, può spiegare la cosiddetta costante cosmologica. L'entità di questa costante è direttamente correlata all'espansione accelerata dell'Universo: spiega perché lo spazio si sta espandendo così rapidamente. Secondo le osservazioni, il valore della costante cosmologica è molto piccolo. Fino a poco tempo, si credeva che il suo valore fosse di 120 ordini di grandezza inferiore a quanto previsto dalla teoria standard del Big Bang. Questa differenza tra osservazione e teoria è stata a lungo uno dei maggiori problemi della moderna cosmologia. Tuttavia, non molto tempo fa, sono stati ottenuti nuovi dati sull'espansione dell'Universo, secondo i quali si sta espandendo più velocemente di quanto si pensasse in precedenza. Resta da attendere nuove osservazioni e conferme (o smentite) dei dati già ottenuti.

Steven Weinberg, premio Nobel 1979, cerca di spiegare la differenza tra osservare e prevedere un modello utilizzando il cosiddetto principio antropico. Secondo lui, il valore della costante cosmologica è casuale e differisce nelle diverse parti dell'Universo. Non dobbiamo stupirci che viviamo in un'area così rara in cui osserviamo un piccolo valore di questa costante, poiché solo con questo valore possono svilupparsi stelle, pianeti e vita. Alcuni fisici, tuttavia, non sono soddisfatti di questa spiegazione a causa della mancanza di prove che questo valore sia diverso in altre regioni dell'Universo osservabile.

Un modello simile è stato sviluppato dal fisico americano Larry Abbott negli anni '80. Tuttavia, nel suo modello, la diminuzione della costante cosmologica a valori bassi era così lunga che tutta la materia nell'Universo in un tale periodo si sarebbe dispersa nello spazio, lasciandolo, di fatto, vuoto. Secondo il modello ciclico dell'Universo di Steinhardt e Turok, il motivo per cui il valore della costante cosmologica è così piccolo è che inizialmente era molto grande, ma nel tempo, ad ogni nuovo ciclo, è diminuito. In altre parole, ad ogni grande esplosione, la quantità di materia e radiazione nell'Universo viene "azzerata", ma non la costante cosmologica. Nel corso di molti cicli, il suo valore è diminuito e oggi osserviamo esattamente questo valore (5, 98 x 10-10 J / m3).

In un'intervista, Neil Turok ha parlato del modello dell'universo ciclico suo e di Steinhardt come segue:

“Abbiamo proposto un meccanismo in cui la teoria delle superstringhe e la teoria M (le nostre migliori teorie combinate sulla gravità quantistica) consentono all'universo di attraversare il Big Bang. Ma per capire se la nostra ipotesi è pienamente coerente, è necessario un ulteriore lavoro teorico.

Gli scienziati sperano che con lo sviluppo della tecnologia ci sarà l'opportunità di testare questa teoria insieme ad altre. Quindi, secondo il modello cosmologico standard (ΛCDM), un periodo noto come inflazione seguì poco dopo il Big Bang, che riempì l'universo di onde gravitazionali. Nel 2015 è stato registrato un segnale di onda gravitazionale, la cui forma coincideva con la previsione della Relatività Generale per la fusione di due buchi neri (GW150914). Nel 2017, i fisici Kip Thorne, Rainer Weiss e Barry Barish hanno ricevuto il Premio Nobel per questa scoperta. Anche successivamente sono state registrate onde gravitazionali emanate dall'evento della fusione di due stelle di neutroni (GW170817). Tuttavia, le onde gravitazionali dell'inflazione cosmica non sono state ancora registrate. Inoltre, Steinhardt e Turok notano che se il loro modello è corretto, tali onde gravitazionali saranno troppo piccole per essere "rilevate".