Il mito dell’inizio del tempo

Il big bang è stato davvero l’inizio del tempo? O l’universo esisteva prima di allora? Una domanda del genere sembrava quasi blasfema solo un decennio fa. La maggior parte dei cosmologi ha insistito sul fatto che semplicemente non aveva senso contempl che contemplare un momento prima del big bang era come chiedere indicazioni per un luogo a nord del Polo Nord. Ma gli sviluppi della fisica teorica, in particolare l’ascesa della teoria delle stringhe, hanno cambiato la loro prospettiva. L’universo pre-bang è diventato l’ultima frontiera della cosmologia.,

La nuova volontà di considerare ciò che potrebbe essere successo prima del botto è l’ultima oscillazione di un pendolo intellettuale che ha oscillato avanti e indietro per millenni. In una forma o nell’altra, la questione dell’inizio ultimo ha coinvolto filosofi e teologi in quasi tutte le culture. Si intreccia con un grande insieme di preoccupazioni, uno notoriamente incapsulato in un 1897 pittura di Paul Gauguin: D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? Da dove veniamo? Cosa siamo? Dove stiamo andando?, Il pezzo descrive il ciclo di nascita, vita e morte-origine, identità e destino per ogni individuo-e queste preoccupazioni personali si collegano direttamente a quelle cosmiche. Possiamo risalire il nostro lignaggio attraverso le generazioni, attraverso i nostri antenati animali, alle prime forme di vita e protolife, agli elementi sintetizzati nell’universo primordiale, all’energia amorfa depositata nello spazio prima di allora. Il nostro albero genealogico si estende per sempre all’indietro? O le sue radici finiscono? Il cosmo è impermanente come noi?

Gli antichi greci discutevano ferocemente l’origine del tempo., Aristotele, prendendo la parte senza inizio, invocò il principio che dal nulla, nulla viene. Se l’universo non sarebbe mai potuto passare dal nulla a qualcosa, deve essere sempre esistito. Per questo e per altri motivi, il tempo deve estendersi eternamente nel passato e nel futuro. I teologi cristiani tendevano a prendere il punto di vista opposto. Agostino ha sostenuto che Dio esiste al di fuori dello spazio e del tempo, in grado di portare questi costrutti in esistenza come sicuramente come egli potrebbe forgiare altri aspetti del nostro mondo. Alla domanda, cosa stava facendo Dio prima di creare il mondo?, Agostino rispose, il tempo stesso essendo parte della creazione di Dio, non c’era semplicemente prima!

La teoria generale della relatività di Albert Einstein ha portato i cosmologi moderni alla stessa conclusione. La teoria sostiene che lo spazio e il tempo sono entità morbide e malleabili. Sulle scale più grandi, lo spazio è naturalmente dinamico, si espande o si contrae nel tempo, trasportando materia come legni sulla marea. Gli astronomi hanno confermato nel 1920 che il nostro universo è attualmente in espansione: galassie lontane si allontanano l’una dall’altra. Una conseguenza, come i fisici Stephen W., Hawking e Roger Penrose dimostrato nel 1960, è che il tempo non può estendersi all’infinito. Mentre giochi la storia cosmica a ritroso nel tempo, le galassie si uniscono in un unico punto infinitesimale, noto come singolarità almost quasi come se stessero scendendo in un buco nero. Ogni galassia o il suo precursore è spremuto fino a zero dimensioni. Quantità come densità, temperatura e curvatura dello spaziotempo diventano infinite. La singolarità è l’ultimo cataclisma, oltre il quale la nostra ascendenza cosmica non può estendersi.

L’inevitabile singolarità pone seri problemi ai cosmologi., In particolare, si trova a disagio con l’alto grado di omogeneità e isotropia che l’universo mostra su grandi scale. Perché il cosmo sembrasse sostanzialmente lo stesso ovunque, una sorta di comunicazione doveva passare tra regioni lontane dello spazio, coordinando le loro proprietà. Ma l’idea di tale comunicazione contraddice il vecchio paradigma cosmologico.

Per essere precisi, si consideri ciò che è accaduto nel corso dei 13,7 miliardi di anni dal rilascio della radiazione cosmica di fondo a microonde., La distanza tra le galassie è cresciuta di un fattore di circa 1.000 (a causa dell’espansione), mentre il raggio dell’universo osservabile è cresciuto del fattore molto più grande di circa 100.000 (perché la luce supera l’espansione). Oggi vediamo parti dell’universo che non avremmo potuto vedere 13,7 miliardi di anni fa. In effetti, questa è la prima volta nella storia cosmica che la luce proveniente dalle galassie più lontane ha raggiunto la Via Lattea.

Strana coincidenza

TUTTAVIA, le proprietà della Via Lattea sono fondamentalmente le stesse di quelle delle galassie lontane., È come se ti presentassi a una festa solo per scoprire che indossavi esattamente gli stessi vestiti di una dozzina dei tuoi amici più cari. Se solo due di voi erano vestiti allo stesso modo, potrebbe essere spiegato come una coincidenza, ma una dozzina suggerisce che i partecipanti alla festa avevano coordinato il loro abbigliamento in anticipo. In cosmologia, il numero non è una dozzina ma decine di migliaia – il numero di macchie di cielo indipendenti ma statisticamente identiche nello sfondo del microonde.,

Una possibilità è che tutte quelle regioni dello spazio siano state dotate alla nascita di proprietà identiche-in altre parole, che l’omogeneità sia una semplice coincidenza. I fisici, tuttavia, hanno pensato a due modi più naturali per uscire dall’impasse: l’universo primordiale era molto più piccolo o molto più vecchio rispetto alla cosmologia standard. O (o entrambi, agendo insieme) avrebbe reso possibile l’intercomunicazione.

La scelta più popolare segue la prima alternativa. Postula che l’universo abbia attraversato un periodo di espansione accelerata, noto come inflazione, all’inizio della sua storia., Prima di questa fase, le galassie oi loro precursori erano così strettamente imballati che potevano facilmente coordinare le loro proprietà. Durante l’inflazione, caddero fuori contatto perché la luce non era in grado di tenere il passo con l’espansione frenetica. Dopo che l’inflazione si è conclusa, l’espansione ha iniziato a decelerare, quindi le galassie sono tornate gradualmente l’una nell’altra vista.

I fisici attribuiscono lo scatto inflazionistico all’energia potenziale immagazzinata in un nuovo campo quantistico, l’inflaton, circa 1035 secondi dopo il big bang. L’energia potenziale, al contrario della massa a riposo o dell’energia cinetica, porta alla repulsione gravitazionale., Invece di rallentare l’espansione, come farebbe la gravitazione della materia ordinaria, l’inflazione l’ha accelerata. Proposta nel 1981, l’inflazione ha spiegato con precisione un’ampia varietà di osservazioni . Un certo numero di possibili problemi teorici rimangono, però, a cominciare dalle domande su cosa fosse esattamente l’inflaton e cosa gli abbia dato un’enorme energia potenziale iniziale.

Un modo meno noto per risolvere il puzzle segue la seconda alternativa eliminando la singolarità., Se il tempo non è iniziato al botto, se una lunga era ha preceduto l’inizio dell’attuale espansione cosmica, la materia avrebbe potuto avere tutto il tempo per organizzarsi senza problemi. Pertanto, i ricercatori hanno riesaminato il ragionamento che li ha portati a dedurre una singolarità.

Una delle ipotesi-che la teoria della relatività sia sempre valida-è discutibile. Vicino alla singolarità putativa, gli effetti quantistici devono essere stati importanti, persino dominanti. La relatività standard non tiene conto di tali effetti, quindi accettare l’inevitabilità della singolarità equivale a fidarsi della teoria oltre la ragione., Per sapere cosa è realmente successo, i fisici hanno bisogno di sussumere la relatività in una teoria quantistica della gravità. Il compito ha occupato teorici da Einstein in poi, ma il progresso è stato quasi zero fino alla metà degli anni 1980.

Evoluzione di una rivoluzione

OGGI spiccano DUE APPROCCI. Uno, che va sotto il nome di gravità quantistica a loop, mantiene la teoria di Einstein sostanzialmente intatta, ma cambia la procedura per implementarla nella meccanica quantistica . I praticanti di gravità quantistica ad anello hanno fatto grandi passi avanti e raggiunto profonde intuizioni negli ultimi anni., Tuttavia, il loro approccio potrebbe non essere abbastanza rivoluzionario da risolvere i problemi fondamentali della quantizzazione della gravità. Un problema simile affrontato teorici delle particelle dopo Enrico Fermi ha introdotto la sua teoria efficace della forza nucleare debole nel 1934. Tutti gli sforzi per costruire una versione quantistica della teoria di Fermi fallirono miseramente. Ciò che era necessario non era una nuova tecnica, ma le profonde modifiche apportate dalla teoria elettrodebole di Sheldon L. Glashow, Steven Wein-berg e Abdus Salam alla fine del 1960.,

Il secondo approccio, che considero più promettente, è la teoria delle stringhe-una modifica veramente rivoluzionaria della teoria di Einstein. Questo articolo si concentrerà su di esso, anche se i fautori della gravità quantistica loop pretendono di raggiungere molte delle stesse conclusioni.

La teoria delle stringhe è nata da un modello che ho scritto nel 1968 per descrivere il mondo delle particelle nucleari (come protoni e neutroni) e le loro interazioni. Nonostante molta eccitazione iniziale, il modello fallì., Fu abbandonato diversi anni dopo a favore della cromodinamica quantistica, che descrive le particelle nucleari in termini di costituenti più elementari, i quark. I quark sono confinati all’interno di un protone o di un neutrone, come se fossero legati insieme da corde elastiche. In retrospettiva, la teoria delle stringhe originale aveva catturato quegli aspetti filanti del mondo nucleare. Solo più tardi è stato rianimato come candidato per combinare la relatività generale e la teoria quantistica.

L’idea di base è che le particelle elementari non sono puntiformi ma piuttosto oggetti unidimensionali infinitamente sottili, le stringhe., Il grande zoo di particelle elementari, ognuna con le proprie proprietà caratteristiche, riflette i molti possibili modelli di vibrazione di una stringa. Come può una teoria così semplice descrivere il complicato mondo delle particelle e le loro interazioni? La risposta può essere trovata in quello che possiamo chiamare magia stringa quantistica. Una volta che le regole della meccanica quantistica vengono applicate a una corda vibrante-proprio come una corda di violino in miniatura, tranne che le vibrazioni si propagano lungo di essa alla velocità della luce-appaiono nuove proprietà. Tutti hanno profonde implicazioni per la fisica delle particelle e la cosmologia.,

Innanzitutto, le stringhe quantistiche hanno una dimensione finita. Se non fosse per effetti quantistici, una corda di violino potrebbe essere tagliata a metà, tagliata a metà di nuovo e così via fino in fondo, diventando finalmente una particella puntiforme senza massa. Ma il principio di indeterminazione di Heisenberg alla fine si intromette e impedisce alle corde più leggere di essere tagliate più piccole di circa 1034 metri. Questo quanto irriducibile di lunghezza, denotato ls, è una nuova costante della natura introdotta dalla teoria delle stringhe fianco a fianco con la velocità della luce, c, e la costante di Planck, h., Svolge un ruolo cruciale in quasi ogni aspetto della teoria delle stringhe, ponendo un limite finito su quantità che altrimenti potrebbero diventare zero o infinite.

In secondo luogo, le stringhe quantistiche possono avere momento angolare anche se mancano di massa. Nella fisica classica, il momento angolare è una proprietà di un oggetto che ruota rispetto a un asse. La formula per il momento angolare moltiplica insieme velocità, massa e distanza dall’asse; quindi, un oggetto senza massa non può avere momento angolare. Ma le fluttuazioni quantistiche cambiano la situazione., Una piccola stringa può acquisire fino a due unità di h di momento angolare senza ottenere alcuna massa. Questa caratteristica è molto gradita perché corrisponde esattamente alle proprietà dei portatori di tutte le forze fondamentali conosciute, come il fotone (per l’elettromagnetismo) e il gravitone (per la gravità). Storicamente, il momento angolare è ciò che clued nei fisici alle implicazioni quantum-gravitazionali della teoria delle stringhe.

In terzo luogo, le stringhe quantistiche richiedono l’esistenza di dimensioni extra dello spazio, oltre alle solite tre., Mentre una corda di violino classica vibrerà indipendentemente dalle proprietà dello spazio e del tempo, una corda quantistica è più schizzinosa. Le equazioni che descrivono la vibrazione diventano incoerenti a meno che lo spaziotempo non sia altamente curvo (in contraddizione con le osservazioni) o contenga sei dimensioni spaziali extra.

In quarto luogo, le costanti fisiche-come le costanti di Newton e Coulomb, che appaiono nelle equazioni della fisica e determinano le proprietà della natura-non hanno più valori arbitrari e fissi., Si verificano nella teoria delle stringhe come campi, piuttosto come il campo elettromagnetico, che possono regolare dinamicamente i loro valori. Questi campi possono aver assunto valori diversi in diverse epoche cosmologiche o in regioni remote dello spazio, e ancora oggi le costanti fisiche possono variare di una piccola quantità. Osservare qualsiasi variazione fornirebbe un enorme impulso alla teoria delle stringhe.

Uno di questi campi, chiamato dilatone, è la chiave principale della teoria delle stringhe; determina la forza complessiva di tutte le interazioni., Il dilatone affascina i teorici delle stringhe perché il suo valore può essere reinterpretato come la dimensione di una dimensione extra dello spazio, dando un totale di 11 dimensioni spaziotempo.INFINE, le stringhe QUANTISTICHE hanno introdotto i fisici ad alcune sorprendenti nuove simmetrie della natura note come dualità, che alterano la nostra intuizione per ciò che accade quando gli oggetti diventano estremamente piccoli., Ho già accennato a una forma di dualità: normalmente, una corda corta è più leggera di una lunga, ma se tentiamo di spremere le sue dimensioni al di sotto della lunghezza fondamentale ls, la corda diventa di nuovo più pesante.

Un’altra forma della simmetria, la T-dualità, sostiene che le dimensioni extra piccole e grandi sono equivalenti. Questa simmetria sorge perché le stringhe possono muoversi in modi più complicati di quanto possano fare le particelle puntiformi. Si consideri una stringa chiusa (un ciclo) situata su uno spazio di forma cilindrica, la cui sezione trasversale circolare rappresenta una dimensione extra finita., Oltre a vibrare, la corda può girare nel suo complesso attorno al cilindro o avvolgerlo, una o più volte, come un elastico avvolto attorno a un poster arrotolato .

Il costo energetico di questi due stati della stringa dipende dalla dimensione del cilindro. L’energia dell’avvolgimento è direttamente proporzionale al raggio del cilindro: i cilindri più grandi richiedono che la corda si allunghi di più mentre si avvolge, quindi gli avvolgimenti contengono più energia di quanto farebbero su un cilindro più piccolo., L’energia associata al movimento attorno al cerchio, d’altra parte, è inversamente proporzionale al raggio: i cilindri più grandi consentono lunghezze d’onda più lunghe (frequenze più piccole), che rappresentano meno energia rispetto alle lunghezze d’onda più corte. Se un cilindro grande viene sostituito da uno piccolo, i due stati di movimento possono scambiare i ruoli. Le energie che erano state prodotte dal movimento circolare sono invece prodotte dall’avvolgimento e viceversa. Un osservatore esterno nota solo i livelli di energia, non l’origine di tali livelli. A quell’osservatore, i raggi grandi e piccoli sono fisicamente equivalenti.,

Sebbene la T-dualità sia solitamente descritta in termini di spazi cilindrici, in cui una dimensione (la circonferenza) è finita, una variante di essa si applica alle nostre tre dimensioni ordinarie, che sembrano allungarsi indefinitamente. Bisogna stare attenti quando si parla dell’espansione di uno spazio infinito. La sua dimensione complessiva non può cambiare; rimane infinita. Ma può ancora espandersi nel senso che i corpi incorporati al suo interno, come le galassie, si allontanano l’uno dall’altro., La variabile cruciale non è la dimensione dello spazio nel suo insieme, ma il suo fattore di scala-il fattore con cui la distanza tra le galassie cambia, manifestandosi come il redshift galattico che gli astronomi osservano. Secondo la T-dualità, gli universi con fattori su piccola scala sono equivalenti a quelli con fattori su larga scala. Nessuna tale simmetria è presente nelle equazioni di Einstein; emerge dall’unificazione che la teoria delle stringhe incarna, con il dilatone che gioca un ruolo centrale.,

Per anni, i teorici delle stringhe hanno pensato che la T-dualità si applicasse solo alle stringhe chiuse, al contrario delle stringhe aperte, che hanno estremità libere e quindi non possono avvolgere. Nel 1995 Joseph Polchinski dell’Università della California, Santa Barbara, si rese conto che la T-dualità si applicava alle corde aperte, a condizione che il passaggio tra raggi grandi e piccoli fosse accompagnato da un cambiamento delle condizioni nei punti finali della corda. Fino ad allora, i fisici avevano postulato condizioni al contorno in cui nessuna forza agiva sulle estremità delle corde, lasciandole libere di muoversi., Sotto la T-dualità, queste condizioni diventano le cosiddette condizioni al contorno di Dirichlet, per cui le estremità rimangono ferme.

Qualsiasi stringa può mescolare entrambi i tipi di condizioni al contorno. Ad esempio, gli elettroni possono essere stringhe le cui estremità possono muoversi liberamente in tre delle 10 dimensioni spaziali ma sono bloccate all’interno delle altre sette. Queste tre dimensioni formano un sottospazio noto come membrana di Dirichlet, o D-brane. Nel 1996 Petr Horava dell’Università della California, Berkeley, e Edward Witten dell’Institute for Advanced Study di Princeton, N. J., proposero che il nostro universo risiede su tale brana., La mobilità parziale di elettroni e altre particelle spiega perché non siamo in grado di percepire la piena gloria 10-dimensionale dello spazio.

Tutte le proprietà magiche delle stringhe quantistiche puntano in una direzione: le stringhe aborriscono l’infinito. Non possono collassare in un punto infinitesimale, quindi evitano i paradossi che il collasso comporta. Le loro dimensioni diverse da zero e le nuove simmetrie stabiliscono limiti superiori a quantità fisiche che aumentano senza limiti nelle teorie convenzionali, e stabiliscono limiti inferiori a quantità che diminuiscono., I teorici delle stringhe si aspettano che quando si gioca la storia dell’universo all’indietro nel tempo, la curvatura dello spaziotempo inizia ad aumentare. Ma invece di andare fino all’infinito (alla tradizionale singolarità del big bang), alla fine raggiunge un massimo e si restringe ancora una volta. Prima della teoria delle stringhe, i fisici avevano difficoltà a immaginare qualsiasi meccanismo che potesse eliminare in modo così pulito la singolarità.

Domare le CONDIZIONI Infinite

VICINO al tempo zero del big bang erano così estreme che nessuno sa ancora come risolvere le equazioni., Tuttavia, i teorici delle stringhe hanno ipotesi azzardate sull’universo pre-bang. Due modelli popolari sono galleggianti intorno.

Il primo, noto come scenario prebig bang, che io e i miei colleghi abbiamo iniziato a sviluppare nel 1991, combina la T-dualità con la più nota simmetria dell’inversione temporale, per cui le equazioni della fisica funzionano altrettanto bene se applicate all’indietro e in avanti nel tempo. La combinazione dà origine a nuove possibili cosmologie in cui l’universo, ad esempio, cinque secondi prima del big bang si è espanso allo stesso ritmo di cinque secondi dopo il bang., Ma il tasso di variazione dell’espansione era opposto ai due istanti: se stava decelerando dopo il botto, stava accelerando prima. In breve, il big bang potrebbe non essere stata l’origine dell’universo, ma semplicemente una transizione violenta dall’accelerazione alla decelerazione.

La bellezza di questa immagine è che incorpora automaticamente la grande intuizione della teoria inflazionistica standard-vale a dire, che l’universo ha dovuto subire un periodo di accelerazione per diventare così omogeneo e isotropico., Nella teoria standard, l’accelerazione si verifica dopo il big bang a causa di un campo di gonfiaggio ad hoc. Nello scenario del botto prebig, si verifica prima del botto come risultato naturale delle nuove simmetrie della teoria delle stringhe.

Secondo lo scenario, l’universo pre-bang era quasi una perfetta immagine speculare di quello post-bang . Se l’universo è eterno nel futuro, il suo contenuto si assottiglia in una magra pappa, è anche eterno nel passato. Infinitamente tempo fa era quasi vuoto, pieno solo di un gas tenue, ampiamente disperso, caotico di radiazioni e materia., Le forze della natura, controllate dal campo del dilatone, erano così deboli che le particelle in questo gas interagivano a malapena.

Col passare del tempo, le forze hanno guadagnato forza e tirato insieme la materia. Casualmente, alcune regioni hanno accumulato materia a spese dell’ambiente circostante. Alla fine la densità in queste regioni divenne così alta che i buchi neri iniziarono a formarsi. La materia all’interno di quelle regioni è stata poi tagliata fuori dall’esterno, rompendo l’universo in pezzi disconnessi.

All’interno di un buco nero, spazio e tempo scambiano i ruoli., Il centro del buco nero non è un punto nello spazio, ma un istante nel tempo. Man mano che la materia infallibile si avvicinava al centro, raggiungeva densità sempre più elevate. Ma quando la densità, la temperatura e la curvatura hanno raggiunto i valori massimi consentiti dalla teoria delle stringhe, queste quantità sono rimbalzate e hanno iniziato a diminuire. Il momento di quell’inversione è quello che chiamiamo un big bang. L’interno di uno di quei buchi neri è diventato il nostro universo.

Non sorprende che uno scenario così non convenzionale abbia provocato polemiche., Andrei Linde della Stanford University ha sostenuto che perché questo scenario corrisponda alle osservazioni, il buco nero che ha dato origine al nostro universo avrebbe dovuto formarsi con una dimensione insolitamente grande-molto più grande della scala di lunghezza della teoria delle stringhe. Una risposta a questa obiezione è che le equazioni prevedono buchi neri di tutte le dimensioni possibili. Il nostro universo si è appena formato all’interno di uno sufficientemente grande.,

Un’obiezione più seria, sollevata da Thibault Damour dell’Institut des Hautes tudes Scientifiques di Bures-sur-Yvette, Francia, e Marc Henneaux della Libera Università di Bruxelles, è che la materia e lo spaziotempo si sarebbero comportati caoticamente vicino al momento del botto, in possibile contraddizione con la regolarità osservata dell’universo primordiale. Recentemente ho proposto che uno stato caotico produrrebbe un gas denso di buchi di corde in miniatura-stringhe che erano così piccole e massicce che erano sul punto di diventare buchi neri., Il comportamento di questi fori potrebbe risolvere il problema identificato da Damour e Henneaux. Una proposta simile è stata avanzata da Thomas Banks della Rutgers University e Willy Fischler dell’Università del Texas ad Austin. Esistono anche altre critiche, e se hanno scoperto un difetto fatale nello scenario resta da determinare.

L’altro modello principale per l’universo prima del botto è lo scenario ekpyrotic (conflagrazione). Sviluppato cinque anni fa da un team di cosmologi e teorici delle stringhe Justin Justin Khoury della Columbia University, Paul J., Steinhardt dell’Università di Princeton, Burt A. Ovrut dell’Università della Pennsylvania, Nathan Seiberg dell’Istituto per gli Studi Avanzati e Neil Turok (Università di Cambridge)–il ekpyrotic scenario si basa su menzionati in precedenza Horava-Witten idea che il nostro universo si trova all’estremità di un maggiore spazio dimensionale e nascosto brane si trova all’estremità opposta. Le due brane esercitano una forza attrattiva l’una sull’altra e occasionalmente si scontrano, rendendo la dimensione extra ridursi a zero prima di crescere di nuovo. Il big bang corrisponderebbe al momento della collisione .,

In una variante di questo scenario, le collisioni si verificano ciclicamente. Due brane potrebbero colpire, rimbalzare l’un l’altro, spostarsi, tirare l’un l’altro, colpire di nuovo e così via. Tra le collisioni, le brane si comportano come Mastice sciocco, espandendosi mentre si ritirano e si contraggono un po ‘ mentre tornano insieme. Durante l’inversione di tendenza, la velocità di espansione accelera; in effetti, l’attuale espansione accelerata dell’universo può presagire un’altra collisione.

Gli scenari prebig bang ed ekpyrotic condividono alcune caratteristiche comuni., Entrambi iniziano con un universo grande, freddo, quasi vuoto, ed entrambi condividono il difficile (e irrisolto) problema di fare la transizione tra la fase pre – e quella post-bang. Matematicamente, la principale differenza tra gli scenari è il comportamento del campo dilaton. Nel botto prebig, il dilatone inizia con un valore basso so in modo che le forze della natura siano deboli.e acquisiscano costantemente forza. Il contrario è vero per lo scenario ekpyrotic, in cui la collisione si verifica quando le forze sono al loro più debole.,

Gli sviluppatori della teoria ekpyrotic inizialmente speravano che la debolezza delle forze avrebbe permesso il rimbalzo per essere analizzato più facilmente, ma erano ancora di fronte a una difficile situazione ad alta curvatura, così la giuria è fuori su se lo scenario evita veramente una singolarità. Inoltre, lo scenario ekpyrotic deve comportare condizioni molto speciali per risolvere i soliti enigmi cosmologici. Ad esempio, le brane in procinto di scontrarsi dovevano essere quasi esattamente parallele l’una all’altra, altrimenti la collisione non avrebbe potuto dare origine a un botto sufficientemente omogeneo., La versione ciclica potrebbe essere in grado di occuparsi di questo problema, perché collisioni successive consentirebbero alle brane di raddrizzarsi.

Lasciando da parte il difficile compito di giustificare pienamente questi due scenari matematicamente, i fisici devono chiedersi se hanno conseguenze fisiche osservabili. A prima vista, entrambi gli scenari potrebbero sembrare un esercizio non in fisica ma in metafisica ideas idee interessanti che gli osservatori non potrebbero mai dimostrare giuste o sbagliate. Questo atteggiamento è troppo pessimista., Come i dettagli della fase inflazionistica, quelli di una possibile epoca pre-bangiana potrebbero avere conseguenze osservabili, specialmente per le piccole variazioni osservate nella temperatura di fondo delle microonde cosmiche.

In primo luogo, le osservazioni mostrano che le fluttuazioni di temperatura sono state modellate da onde acustiche per diverse centinaia di migliaia di anni. La regolarità delle fluttuazioni indica che le onde erano sincronizzate. I cosmologi hanno scartato molti modelli cosmologici nel corso degli anni perché non sono riusciti a spiegare questa sincronia., Gli scenari inflazionistici, prebig bang ed ekpyrotic superano tutti questo primo test. In questi tre modelli, le onde sono state innescate da processi quantistici amplificati durante il periodo di accelerazione dell’espansione cosmica. Le fasi delle onde erano allineate.

In secondo luogo, ogni modello prevede una diversa distribuzione delle fluttuazioni di temperatura rispetto alla dimensione angolare. Gli osservatori hanno scoperto che le fluttuazioni di tutte le dimensioni hanno approssimativamente la stessa ampiezza. (Le deviazioni distinguibili si verificano solo su scale molto piccole, per le quali le fluttuazioni primordiali sono state alterate da processi successivi.,) I modelli inflazionistici riproducono ordinatamente questa distribuzione. Durante l’inflazione, la curvatura dello spazio è cambiata relativamente lentamente, quindi fluttuazioni di dimensioni diverse sono state generate più o meno nelle stesse condizioni. In entrambi i modelli filanti, la curvatura si è evoluta rapidamente, aumentando l’ampiezza delle fluttuazioni su piccola scala, ma altri processi hanno potenziato quelli su larga scala, lasciando tutte le fluttuazioni con la stessa forza. Per lo scenario ekpyrotic, questi altri processi hanno coinvolto la dimensione extra dello spazio, quella che separava le brane in collisione., Per lo scenario prebig bang, hanno coinvolto un campo quantistico, l’assione, correlato al dilatone. In breve, tutti e tre i modelli corrispondono ai dati.

In terzo luogo, le variazioni di temperatura possono derivare da due processi distinti nell’universo primordiale: le fluttuazioni nella densità della materia e le increspature causate dalle onde gravitazionali. L’inflazione coinvolge entrambi i processi, mentre gli scenari prebig bang ed ekpyrotic coinvolgono principalmente variazioni di densità. Le onde gravitazionali di determinate dimensioni lascerebbero una firma distintiva nella polarizzazione dello sfondo a microonde ., I futuri osservatori, come il satellite Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, dovrebbero essere in grado di vedere quella firma, se esiste providing fornendo un test quasi definitivo.

Un quarto test riguarda le statistiche delle fluttuazioni. Nell’inflazione le fluttuazioni seguono una curva a forma di campana, che è nota ai fisici come gaussiana. Lo stesso può essere vero nel caso ekpyrotic, mentre lo scenario prebig bang consente una deviazione considerevole dalla Gaussianità.

L’analisi dello sfondo a microonde non è l’unico modo per verificare queste teorie., Lo scenario prebig bang dovrebbe anche produrre uno sfondo casuale di onde gravitazionali in una gamma di frequenze che, sebbene irrilevanti per lo sfondo a microonde, dovrebbero essere rilevabili dai futuri osservatori di onde gravitazionali. Inoltre, poiché gli scenari prebig bang ed ekpyrotic comportano cambiamenti nel campo del dilatone, che è accoppiato al campo elettromagnetico, entrambi porterebbero a fluttuazioni del campo magnetico su larga scala. Vestigia di queste fluttuazioni potrebbero presentarsi nei campi magnetici galattici e intergalattici.

Quindi, quando è iniziato il tempo?, La scienza non ha ancora una risposta definitiva, ma almeno due teorie potenzialmente verificabili sostengono plausibilmente che l’universo-e quindi il tempo-esisteva ben prima del big bang. Se uno scenario è giusto, il cosmo è sempre stato in esistenza e, anche se si ricorda un giorno, non finirà mai.

L’AUTORE

GABRIELE VENEZIANO, un fisico teorico al CERN, è stato il padre della teoria delle stringhe alla fine degli anni ‘ 60–un risultato per il quale ha ricevuto il Premio Heineman 2004 dell’American Physical Society e dell’American Institute of Physics., Al momento, la teoria è stata considerata come un fallimento; non ha raggiunto il suo obiettivo di spiegare il nucleo atomico, e Veneziano presto spostato la sua attenzione alla cromodinamica quantistica, a cui ha dato importanti contributi. Dopo che la teoria delle stringhe fece il suo ritorno come teoria della gravità negli anni ‘ 80, Veneziano divenne uno dei primi fisici ad applicarla ai buchi neri e alla cosmologia.