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Big Bounce, un’ipotesi alternativa sull’origine dell’Universo

In uno studio recente pubblicato su Physical Review Letters Steffen Gielen dell’Imperial College di Londra e Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada, mostrano come l’ipotesi del Big Bounce possa rappresentare una via per spiegare l’origine del nostro Universo.

Sappiamo che l’Universo è in espansione, una conseguenza dovuta alla grande “esplosione iniziale”, il Big Bang, che ha dato origine allo spazio e al tempo a partire da un punto singolare caratterizzato da densità e temperatura infinitamente elevate. Ad ogni modo, i fisici hanno a lungo dibattuto questa idea in quanto essa implica che l’Universo abbia avuto origine da uno stato in cui le leggi della fisica, almeno come noi le conosciamo, vengono meno. Alcuni scienziati, però, hanno introdotto una nuova ipotesi secondo cui l’Universo avrebbe attraversato, alternativamente, periodi di espansione e contrazione, per cui l’attuale espansione sarebbe proprio una di queste fasi. L’idea del cosiddetto “Big Bounce” risale al 1922 ma non è stata propriamente sviluppata a causa dell’impossibilità di spiegare come le transizioni attraverso le quali l’Universo sia passato da uno stato di contrazione a uno di espansione, e viceversa, non portino a un punto singolare. Le osservazioni cosmologiche suggeriscono che durante le sue fasi primordiali l’Universo è apparso uguale su tutte le scale, il che vuol dire che le leggi della fisica che hanno funzionato per l’intera struttura dell’Universo siano state valide anche sulle piccole scale, ancora più piccole dei singoli atomi. Questo fenomeno è noto come simmetria conforme. Questa situazione non è più valida oggi nell’Universo, in quanto le particelle più piccole degli atomi si comportano in modo decisamente differente rispetto alla materia distribuita su larga scala, perciò la simmetria viene meno. Il comportamento delle particelle subatomiche è governato dalla meccanica quantistica, che determina regole ben diverse nel mondo microscopico. Di fatto, senza la meccanica quantistica gli atomi non esisterebbero: ad esempio, gli elettroni, mentre “orbitano” attorno al nucleo atomico, perderebbero la loro energia e collasserebbero verso il centro distruggendo così la struttura atomica. Tuttavia, la meccanica quantistica non permette tutto ciò per cui l’atomo può esistere. Dunque, lo stato fisico dell’Universo primordiale, dato che qualsiasi cosa era incredibilmente piccola, doveva essere governato dalle leggi della meccanica quantistica, rispetto alle leggi della fisica che sono valide oggi su larga scala.

La figura illustra il concetto del Big Bounce secondo cui il nostro Universo emerse dal collasso di un universo precedente. Secondo il modello, il precedente universo collassò sotto l’immensa influenza della propria gravità. Non appena il volume e la densità raggiunsero il limite di Planck, la gravità divenne repulsiva, il che portò alla nascita del nostro Universo che si espanse rapidamente passando dalla fase inflazionaria.

Nel presente studio, i ricercatori suggeriscono che sono proprio gli effetti della meccanica quantistica a prevenire possibilmente il collasso e la distruzione stessa dell’Universo alla fine di un’epoca di contrazione, nota come Big Crunch. Secondo questa ipotesi, l’Universo sarebbe passato da uno stato di contrazione ad uno di espansione senza collassare completamente. “La meccanica quantistica ci viene in aiuto quando le cose si complicano”, afferma Gielen. “Essa non permette agli elettroni di cadere verso il nucleo e di distruggere gli atomi, perciò potrebbe aver salvato l’Universo primordiale dalle violente fasi di inizio e fine note, rispettivamente, come Big Bang e Big Crunch”. Quindi, partendo dall’idea che l’Universo sia stato caratterizzato da una situazione di simmetria conforme nel suo stato iniziale, e che tale stato sia stato governato dalle leggi della meccanica quantistica, Gielen e Turok hanno costruito un modello matematico che descrive come sarebbe evoluto il nostro Universo. Il modello contiene pochi, semplici ingredienti che con ogni probabilità hanno formato l’Universo primordiale, come il fatto che lo spazio fu riempito di radiazione con quasi nessun contenuto di materia ordinaria. Dati questi ingredienti, il modello predice che gli effetti della meccanica quantistica avrebbero permesso all’Universo di “balzare” da uno stato fisico in cui lo spazio stava contraendo, piuttosto che emergere da un punto singolare dove le leggi della fisica vengono meno. “La grande sorpresa che emerge nel nostro lavoro è che potremmo descrivere le fasi iniziali della storia cosmica con le leggi della meccanica quantistica, tenendo conto di assunzioni ragionevoli e semplicistiche sul contenuto di materia presente nell’Universo”, dice Turok. “Partendo da queste assunzioni, possiamo dire che il Big Bang è stato una sorta di ‘rimbalzo’ in cui la contrazione dello spazio si è trasformata in una espansione”. Il passo successivo sarà ora quello di capire come questo modello possa essere esteso per spiegare l’origine delle perturbazioni che hanno portato alla formazione delle strutture cosmiche, come le galassie. “La capacità del nostro modello di trovare una possibile soluzione al problema del Big Bang apre la strada a nuove idee sulla formazione dell’Universo”, conclude Gielen.

Imperial College London: The Big Bang might have been just a Big Bounce
Physical Review Letters: Perfect Quantum Cosmological Bounce
arXiv: Perfect Quantum Cosmological Bounce