Simulazioni Big Bounce Sfida il Big Bang
La storia standard della nascita del cosmo è qualcosa del genere: quasi 14 miliardi di anni fa, un'enorme quantità di energia si materializzò come se dal nulla.
In un breve momento di rapida espansione, quell'esplosione di energia ha gonfiato il cosmo come un pallone. L'espansione raddrizzò ogni curvatura su larga scala, portando a una geometria che ora descriviamo come piatta . Anche la materia è stata accuratamente mescolata, così che ora il cosmo appare in gran parte (anche se non perfettamente) privo di caratteristiche. Qua e là, ciuffi di particelle hanno creato galassie e stelle, ma questi sono solo minuscoli granelli su una tela cosmica altrimenti incontaminata.
Questa teoria, che i libri di testo chiamano inflazione, corrisponde a tutte le osservazioni finora ed è preferita dalla maggior parte dei cosmologi. Ma ha implicazioni concettuali che alcuni trovano inquietanti . Nella maggior parte delle regioni dello spazio-tempo, la rapida espansione non si fermerebbe mai. Di conseguenza, l'inflazione non può fare a meno di produrre un multiverso – un'esistenza technicolor con un'infinita varietà di universi tascabili, uno dei quali chiamiamo casa. Per i critici, l'inflazione prevede tutto, il che significa che alla fine non predice nulla. "L'inflazione non funziona come doveva funzionare", ha affermato Paul Steinhardt , un architetto dell'inflazione che è diventato uno dei suoi più importanti critici.
Negli ultimi anni, Steinhardt e altri hanno sviluppato una storia diversa su come è nato il nostro universo. Hanno ravvivato l'idea di un universo ciclico: uno che cresce e si contrae periodicamente . Sperano di replicare l'universo che vediamo – piatto e liscio – senza il bagaglio che viene fornito con il botto.
A tal fine, Steinhardt e i suoi collaboratori hanno recentemente collaborato con ricercatori specializzati in modelli di gravità computazionali. Hanno analizzato come un universo in collasso cambierebbe la propria struttura e alla fine hanno scoperto che la contrazione può battere l'inflazione al suo stesso gioco. Non importa quanto bizzarro e contorto sembrasse l'universo prima di contrarsi, il collasso avrebbe cancellato efficacemente una vasta gamma di rughe primordiali.
"È molto importante ciò che sostengono di aver fatto", ha detto Leonardo Senatore , un cosmologo dell'Università di Stanford che ha analizzato l'inflazione utilizzando un approccio simile. Ci sono aspetti del lavoro che non ha ancora avuto la possibilità di indagare, ha detto, ma a prima vista "sembra che l'abbiano fatto."
Spremere la vista
Nell'ultimo anno e mezzo, una nuova visione dell'universo ciclico o "ekpyrotic" è emersa da una collaborazione tra Steinhardt, Anna Ijjas , una cosmologa del Max Planck Institute for Gravitational Physics in Germania, e altri – uno che raggiunge il rinnovo senza collasso.
Quando si tratta di visualizzare l'espansione e la contrazione, le persone spesso si concentrano su un universo palloncino il cui cambiamento di dimensioni è descritto da un "fattore di scala". Ma una seconda misura – il raggio di Hubble, che è la massima distanza che possiamo vedere – ottiene una deriva breve. Le equazioni della relatività generale consentono loro di evolversi indipendentemente e, soprattutto, puoi appiattire l'universo cambiando entrambi.
Immagina una formica su un pallone. L'inflazione è come far esplodere il pallone. Mette l'onere di levigare e appiattire principalmente sul cosmo gonfiore. Nell'universo ciclico, tuttavia, il livellamento avviene durante un periodo di contrazione. Durante questa epoca, il palloncino si sgonfia modestamente, ma il vero lavoro viene svolto da un orizzonte drasticamente restringente. È come se la formica guardasse tutto attraverso una lente d'ingrandimento sempre più potente. La distanza che vede si restringe, e quindi il suo mondo diventa sempre più privo di caratteristiche.
Steinhardt e la compagnia immaginano un universo che si espande forse per un trilione di anni, guidato dall'energia di un campo onnipresente (e ipotetico), il cui comportamento attualmente attribuiamo all'energia oscura. Quando questo campo di energia alla fine si riduce, il cosmo inizia a sgonfiarsi delicatamente. Per miliardi di anni un fattore di scala contrattuale avvicina un po 'tutto, ma non fino a un certo punto. Il drammatico cambiamento proviene dal raggio di Hubble, che si precipita dentro e alla fine diventa microscopico. La contrazione dell'universo ricarica il campo di energia, che riscalda il cosmo e ne vaporizza gli atomi. Segue un rimbalzo e il ciclo ricomincia.
Nel modello di rimbalzo, il raggio microscopico di Hubble assicura scorrevolezza e planarità. E mentre l'inflazione fa esplodere molte imperfezioni iniziali in trame gigantesche di immobili multiverso, la lenta contrazione li spinge essenzialmente fuori dall'esistenza. Ci rimane un cosmo che non ha né inizio né fine, né singolarità al Big Bang, né multiverso.
Da qualsiasi cosmo ai nostri
Una sfida sia per l'inflazione che per le cosmologie di rimbalzo è quella di mostrare che i rispettivi campi energetici creano l'universo giusto, indipendentemente da come iniziano. "La nostra filosofia è che non ci dovrebbe essere filosofia", ha detto Ijjas. "Sai che funziona quando non devi chiedere in quali condizioni funziona."
Lei e Steinhardt criticano l'inflazione per aver fatto il suo lavoro solo in casi speciali, come quando il suo campo energetico si forma senza caratteristiche notevoli e con poco movimento. I teorici hanno esplorato queste situazioni nel modo più completo, in parte perché sono gli unici esempi trattabili con la matematica della lavagna. Nelle recenti simulazioni al computer, che Ijjas e Steinhardt descrivono in una coppia di prestampe pubblicate online a giugno, il team ha sottoposto a stress il loro modello di contrazione lenta con una gamma di universi per bambini troppo selvaggi per l'analisi di carta e penna.
Adattamento del codice sviluppato da Frans Pretorius , un fisico teorico dell'Università di Princeton specializzato in modelli computazionali di relatività generale, la collaborazione ha esplorato campi contorti e scomodi, campi che si muovono nella direzione sbagliata, persino campi nati con metà che corrono in direzioni opposte. In quasi tutti i casi, la contrazione ha prodotto rapidamente un universo noioso come il nostro.
“Lascialo andare e – bam! In alcuni momenti cosmici di lenta contrazione sembra liscia come la seta ", ha detto Steinhardt.
Katy Clough , una cosmologa dell'Università di Oxford, specializzata anche in soluzioni numeriche di relatività generale, ha definito le nuove simulazioni "molto complete". Ma ha anche osservato che solo recentemente i progressi computazionali hanno reso possibile questo tipo di analisi, quindi l'intera gamma di condizioni che l'inflazione può gestire rimane inesplorata.
"È stato semi-coperto, ma ha bisogno di molto più lavoro", ha detto.
Mentre l'interesse per il modello di Ijjas e Steinhardt varia, la maggior parte dei cosmologi concorda sul fatto che l'inflazione rimane il paradigma da battere. "A questo punto non è un contendente uguale", ha detto Gregory Gabadadze , un cosmologo della New York University.
La collaborazione completerà il rimbalzo stesso – una fase più complessa che richiede nuove interazioni per separare di nuovo tutto. Ijjas ha già una teoria del rimbalzo che aggiorna la relatività generale con una nuova interazione tra materia e spazio-tempo e sospetta che esistano anche altri meccanismi. Ha in programma di mettere presto la sua modella sul computer per capirne dettagliatamente il comportamento.
Il gruppo spera che dopo aver incollato insieme le fasi di contrazione ed espansione, identificheranno le caratteristiche uniche di un universo che rimbalza che gli astronomi potrebbero individuare.
La collaborazione non ha elaborato tutti i dettagli di un cosmo ciclico senza botto e senza scricchiolio, tanto meno dimostrato che viviamo in uno. Ma Steinhardt ora si sente ottimista sul fatto che il modello offrirà presto una valida alternativa al multiverso. "I blocchi stradali di cui ero più preoccupato sono stati superati", ha detto. "Non sono più svegliato di notte."
Nota dell'editore: alcune di queste ricerche sono state finanziate in parte dalla Fondazione Simons, che finanzia anche questa rivista indipendente dal punto di vista editoriale. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non svolgono alcun ruolo nella nostra copertura. Maggiori dettagli sono disponibili qui .
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/big-bounce-simulations-challenge-the-big-bang-20200804/ in data Tue, 04 Aug 2020 14:00:26 +0000.