Simulazioni di Big Bounce Sfidano il Big Bang
La storia standard della nascita del cosmo è più o meno questa: quasi 14 miliardi di anni fa, un'enorme quantità di energia si è materializzata come dal nulla.
In un breve momento di rapida espansione, quella scarica di energia ha gonfiato il cosmo come un pallone. L'espansione ha raddrizzato qualsiasi curvatura su larga scala, portando a una geometria che ora descriviamo come piatta . Anche la materia si è mescolata completamente insieme, così che ora il cosmo appare in gran parte (anche se non perfettamente) senza caratteristiche. Qua e là, gruppi di particelle hanno creato galassie e stelle, ma questi sono solo minuscoli punti su una tela cosmica altrimenti senza macchia.
Quella teoria, che i libri di testo chiamano inflazione, corrisponde a tutte le osservazioni fino ad oggi 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 una varietà infinita di universi tascabili, uno dei quali chiamiamo casa. Per i critici, l'inflazione predice tutto, il che significa che alla fine non prevede nulla. "L'inflazione non funziona come avrebbe dovuto funzionare", ha detto Paul Steinhardt , un architetto dell'inflazione che è diventato uno dei suoi critici più eminenti.
Negli ultimi anni, Steinhardt e altri hanno sviluppato una storia diversa su come è nato il nostro universo. Hanno fatto rivivere l'idea di un universo ciclico: uno che periodicamente cresce e si contrae . Sperano di replicare l'universo che vediamo – piatto e liscio – senza il bagaglio che arriva con il botto.
A tal fine, Steinhardt ei suoi collaboratori hanno recentemente collaborato con ricercatori specializzati in modelli computazionali della gravità. 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 fosse bizzarro e contorto l'universo prima di contrarsi, il collasso cancellerebbe efficacemente un'ampia gamma di rughe primordiali.
"È molto importante quello che dicono di aver fatto", ha detto Leonardo Senatore , un cosmologo della Stanford University 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 "ekpirotico", è emersa da una collaborazione tra Steinhardt, Anna Ijjas , un cosmologo presso l'Istituto Max Planck per la fisica gravitazionale in Germania, e altri – uno che realizza il rinnovamento senza crollare.
Quando si tratta di visualizzare l'espansione e la contrazione, le persone spesso si concentrano su un universo simile a un palloncino il cui cambiamento di dimensioni è descritto da un "fattore di scala". Ma una seconda misura – il raggio di Hubble, che è la distanza più grande che possiamo vedere – ottiene un piccolo scarto. Le equazioni della relatività generale consentono loro di evolversi in modo indipendente e, soprattutto, puoi appiattire l'universo cambiando entrambi.
Immagina una formica su un palloncino. L'inflazione è come far saltare in aria il palloncino. Mette l'onere di levigare e appiattire principalmente sul cosmo che si gonfia. Nell'universo ciclico, invece, il livellamento avviene durante un periodo di contrazione. Durante quest'epoca, il palloncino si sgonfia modestamente, ma il vero lavoro è svolto da un orizzonte che si restringe drasticamente. È come se la formica vedesse tutto attraverso una lente d'ingrandimento sempre più potente. La distanza che può vedere si restringe, e così il suo mondo diventa sempre più informe.
Steinhardt e compagnia immaginano un universo che si espande per forse un trilione di anni, guidato dall'energia di un campo onnipresente (e ipotetico), il cui comportamento attualmente attribuiamo all'energia oscura. Quando questo campo energetico alla fine si spegne, il cosmo inizia a sgonfiarsi delicatamente. Nel corso di miliardi di anni un fattore di scala che si contrae porta tutto un po 'più vicino, 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 energetico, che riscalda il cosmo e vaporizza i suoi atomi. Segue un rimbalzo e il ciclo ricomincia.
Nel modello di rimbalzo, il raggio microscopico di Hubble garantisce levigatezza e planarità. E mentre l'inflazione fa esplodere molte imperfezioni iniziali in giganteschi appezzamenti di proprietà immobiliari multiverse, una lenta contrazione le spinge sostanzialmente fuori dall'esistenza. Siamo rimasti con un cosmo che non ha inizio, né fine, né singolarità al Big Bang, né multiverso.
Da qualsiasi cosmo al nostro
Una sfida per le cosmologie dell'inflazione e del rimbalzo è mostrare che i rispettivi campi energetici creano l'universo giusto, indipendentemente da come iniziano. "La nostra filosofia è che non dovrebbe esserci filosofia", ha detto Ijjas. "Sai che funziona quando non devi chiedere in quali condizioni funziona."
Lei e Steinhardt criticano l'inflazione per aver svolto 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 in modo più approfondito, in parte perché sono gli unici esempi trattabili con la matematica alla lavagna. In recenti simulazioni al computer, che Ijjas e Steinhardt descrivono in un paio di preprint pubblicati online a giugno, il team ha sottoposto a test di stress il loro modello a contrazione lenta con una gamma di universi infantili troppo selvaggi per l'analisi con carta e penna.
Adattando il codice sviluppato da Frans Pretorius , un fisico teorico alla Princeton University specializzato in modelli computazionali della relatività generale, la collaborazione ha esplorato campi contorti e bitorzoluti, 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 pochi istanti cosmici di lenta contrazione sembra liscia come la seta ", ha detto Steinhardt.
Katy Clough , cosmologa dell'Università di Oxford, specializzata anche in soluzioni numeriche della relatività generale, ha definito le nuove simulazioni "molto complete". Ma ha anche notato che i progressi computazionali hanno reso possibile questo tipo di analisi solo di recente, 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. "Non è un concorrente alla pari a questo punto", ha detto Gregory Gabadadze , un cosmologo alla New York University.
La collaborazione andrà poi ad arricchire il rimbalzo stesso, una fase più complessa che richiede nuove interazioni per spingere di nuovo tutto a parte. 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 intenzione di mettere presto il suo modello sul computer per comprenderne il comportamento in dettaglio.
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 ogni dettaglio di un cosmo ciclico senza botto e senza scricchiolio, tanto meno ha dimostrato che viviamo in uno solo. Ma Steinhardt si sente ora 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 tenuto sveglio la notte."
Nota del redattore: alcune di queste ricerche sono state finanziate in parte dalla Simons Foundation, che finanzia anche questa rivista editoriale indipendente. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non giocano 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.