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L’idea del multiverso: quali evidenze?

La storia dell’umanità può essere considerata come una sorta di viaggio verso la conoscenza, nonostante il nostro pianeta sia stato declassato dal centro dell’Universo a un corpo celeste roccioso che orbita attorno ad una stella di classe media che si trova, a sua volta, in una delle tante miliardi di galassie che popolano il cosmo. Tutto questo fa senso anche a molti fisici i quali ritengono oggi più di prima che anche il nostro Universo possa essere considerato come una minuscola porzione di una struttura più grande. L’idea è che ci potrebbero essere tantissimi universi che come “bolle” sono venuti all’esistenza e stanno crescendo esponenzialmente: stiamo parlando di una ipotesi o meglio di un modello noto come multiverso. Continua a leggere L’idea del multiverso: quali evidenze?

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Dall’inflazione cosmica al multiverso

Le osservazioni cosmologiche mostrano che l’Universo è alquanto uniforme su larga scala, almeno quella accessibile dai nostri telescopi. La miglior spiegazione teorica è fornita dalla teoria dell’inflazione cosmica. Continua a leggere Dall’inflazione cosmica al multiverso

Le ‘tracce’ dell’inflazione impresse nella radiazione cosmica di fondo

La notizia annunciata dai ricercatori dell’Harvard CMB Group che lavorano all’esperimento BICEP2 in merito alla “prima evidenza diretta” del processo dovuto all’inflazione cosmica, ossia quel meccanismo fisico che avrebbe dato forma e volume al nostro Universo avvenuto in una piccolissima frazione di secondo subito dopo il Big Bang, ha fatto in queste ultime ore il giro del web e i vari media, sia quelli online che offline, si sono scatenati cercando di riportare il significato di una “scoperta” che, però, dovrà essere confermata. Qui di seguito proverò a fare il punto della situazione mettendo in evidenza l’importanza del risultato scientifico e quali potranno essere le sue implicazioni nell’ambito della cosmologia.

Il modello standard della cosmologia si basa su una serie di parametri che sono legati alla struttura e all’evoluzione dell’Universo. Questi parametri devono essere determinati dalle osservazioni, e non dalla/e teoria/e, e per fare questo occorre studiare ed analizzare la luce più antica che siamo in grado di osservare: la radiazione cosmica di fondo, una sorta di “eco primordiale” residuo della grande esplosione iniziale, il Big Bang. Essa contiene così tante informazioni al punto che rappresenta l’unica fonte da cui possiamo ricavare preziosi indizi sullo stato fisico in cui si trovava l’Universo delle origini circa 400 mila anni dopo il Big Bang. Negli ultimi vent’anni, una serie di esperimenti condotti dallo spazio mediante satelliti dedicati ci hanno fornito mappe del cielo della radiazione cosmica di fondo sempre più dettagliate. Esse vengono rappresentate in termini della distribuzione di minuscole variazioni di temperatura su varie scale angolari  e contengono così tante informazioni che gli scienziati sono stati in grado di misurare con una precisione senza precedenti il contenuto di materia e di energia di cui è composto l’Universo, di determinare la sua età e il tasso di espansione dello spazio. Ora, se da un lato la singolarità iniziale del Big Bang rappresenta il mistero più profondo della moderna cosmologia e rimane, al momento, inaccessibile, dall’altro gli scienziati vogliono capire come hanno avuto origine le strutture cosmiche da cui si sono formate nel corso del tempo le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie. Oggi, i dati osservativi supportano uno scenario, noto come inflazione cosmica, in base al quale l’Universo subì una fase di improvvisa espansione esponenziale con una velocità superiore a quella della luce, in un piccolissimo intervallo di tempo che risulta difficile immaginare, cioè da 10-36 a 10-34 secondi subito dopo il Big Bang, durante il quale lo spazio aumentò il suo volume di almeno un fattore 1050 estendendo quelle minuscole fluttuazioni quantistiche primordiali su scale cosmiche di cui possiamo vedere oggi le ‘tracce’ impresse nella radiazione cosmica di fondo. Comprendere, quindi, l’inflazione cosmica e soprattutto verificare se essa sia effettivamente avvenuta, rappresenta una sfida di fondamentale importanza per capire come si è formato l’Universo e, possibilmente, preservare il modello cosmologico standard al fine di dare una spiegazione quasi naturale all’isotropia della radiazione cosmica di fondo, alla geometria euclidea dello spazio e alle fluttuazioni di densità primordiali da cui hanno avuto origine le strutture cosmiche.

modiE_modiBPer studiare queste “impronte digitali cosmiche”, e quindi verificare ‘indirettamente’ se il processo dell’inflazione sia avvenuto o meno, occorre studiare la luce più antica ed in particolare le sue proprietà di polarizzazione. A differenza delle minuscole variazioni della temperatura presenti nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione polarizzata viene generata dalla diffusione dei fotoni a causa degli elettroni liberi. In generale, la polarizzazione ha due componenti geometriche (per convenzione diremo Nord-Sud e Est-Ovest) che dipendono dalla scelta arbitraria del sistema di coordinate. Esistono due direzioni che sono associate sia all’orientamento che all’ampiezza. Le ampiezze della polarizzazione sono modulate nello spazio dal piano dell’onda nel quale avviene l’oscillazione. Nella figura si vede che il piano nel quale oscilla l’onda è diretto lungo la direzione Nord-Sud. Se la polarizzazione è perpendicolare o parallela a questa direzione, essa viene chiamata modo-E, mentre invece se essa è ruotata di 45° viene chiamata modo-B. Le perturbazioni di densità generano polarizzazione parallela, e perciò modi-E, mentre le onde gravitazionali generano entrambe e perciò hanno una ulteriore componente B di polarizzazione. Dunque, i modi-B rappresentano un segnale dell’inflazione cosmica e sono determinati dalla densità delle onde gravitazionali primordiali. In particolare, la loro misura è estremamente complicata non solo dal fatto che il segnale associato al modo-E è relativamente più forte, ma anche da una serie di altri fattori che generano un grado di confusione.

Le figure illustrano due simulazioni relative ai modi-E (a sinistra) e ai modi-B (a destra) della polarizzazione. I modi-B hanno una proprietà speciale in quanto possiedono una direzione privilegiata.

Ora, nonostante gli eccellenti risultati ottenuti recentemente dal satellite Planck, esistono tutta una serie di programmi scientifici condotti da terra, come ad esempio il South Pole Telescope in Antartide, l’Atacama Cosmology Telescope e lo strumento Q/U Imaging Experiment Telescope in Cile, che hanno lo scopo, tra l’altro, di fornire ulteriori dati che non sono stati ottenuti dai satelliti, in particolare per quanto riguarda le misure della polarizzazione dei modi-B. Dunque, nel caso dello strumento BICEP2, il cui obiettivo è quello di misurare i modi-B della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo con la migliore sensibilità mai raggiunta prima, il gruppo di ricercatori che lavorano all’esperimento hanno annunciato, nei giorni scorsi, di aver rivelato la “prima evidenza ‘diretta’ dell’inflazione cosmica”, misurando cioè un segnale decisamente più forte di quello previsto dai modelli e che certamente segnerà una svolta verso la quale i teorici dovranno dirigersi per affinare la ricerca nell’ambito della cosmologia inflazionistica e della gravità quantistica. Inoltre, il risultato implicherebbe che la scala del processo dell’inflazione cosmica sia circa un fattore 100 al di sotto della scala di Planck, che definisce il limite di validita’ delle leggi fisiche a noi note, cioè meccanica quantistica e relatività.

Naturalmente, prima di dichiarare che si tratti di un grande annuncio o di una grande scoperta, anche da parte dei ricercatori più attenti, bisogna ricordare che i dati dovranno essere confermati e analizzati prima che si possano considerare una prova definitiva ed inconfutabile. Di seguito, le reazioni degli ottimisti e di coloro più cauti che si sono pronunciati sui risultati del gruppo di Harvard.

  • Gli ottimisti:

“This is huge, as big as it gets” —Marc Kamionkowski in The New York Times

“I think that if this stays true, it will go down as one of the greatest discoveries in the history of science.” —Max Tegmark in The New York Times

“The implications for this detection stagger the mind. We are measuring a signal that comes from the dawn of time.” —Jamie Bock in Quanta magazine

“If confirmed, it would be one of the absolute greatest discoveries in cosmology.” —Frank Wilczek in Quanta

“When I got the call, I had to ask if it was real. To me, this is bigger than the Higgs boson.” —Marc Kamionkowski in Time

“If this holds, it’s huge, comparable in magnitude to the discovery of the Higgs boson. Probably even more exciting because of the surprise element.” —Adam Falkowski in his blog “Résonaances”

“If it’s confirmed by other groups, it’s worth a Nobel.” —Avi Loeb in Time

“It’s just amazing. You can see back to the beginning of time.” —Lawrence Krauss to the AP

“In some [models of inflation], the waves are so weak they could never be detected. To see them turn up is beautiful.” —Alan Guth, one of the pioneers of inflation, in Time

“Although I’m trying to be sober, it’s extremely exciting to think that we may be seeing a new relic from 10-37seconds after the Big Bang, and even more so to think that I may have had some sort of role in the advance.” —Kamionkowski in Quanta

“It teaches us something crucial about how our universe began. It’s an amazing achievement that we humans, doing science systematically for just a few hundred years, can extend our understanding that far.” —Sean Carroll to CNN

“We have for the first time a detection for the mythical gravity wave signal that people have been searching for so hard, for so long.” —Clem Pryke, co-author of the new study, to CNN

  •  I più cauti:

My role in this process has been to remain calm at all times. The time to celebrate, I think, will be once we have published our results and presented them to the scientific community. —John Kovac, leader researcher of the BICEP2 group, in Nature

The BICEP result, if correct, is a spectacular and historic discovery… In fact, it all seems far too good to be true. And perhaps it is: check back after another experimental team is able to check the BICEP findings, and then we can really break out the champagne. —Liam McAllister at The Reference Frame

If this is true, this is a moment of understanding of nature of such a magnitude that it just overwhelms and let’s just hope that it’s not a trick. —Andrei Linde, another pioneer of inflation, to CNN

“If this holds” is the central question now. This sort of experiments is difficult and subject to pesky instrumental effects and systematic effects due to foreground emission. It’s not impossible that BICEP screwed up; in fact, experts point out some worrying aspects of the data…So I would say at this point it’s fifty-fifty. —Adam Falkowski in his blog “Résonaances”

“So we will need to wait and see before we jump up and down.” —Lawrence Krauss in The New York Times

“We should be skeptical. Alone this finding is tantalizing, but not definitive.” —Lawrence Krauss in Wired

Insomma, mai come oggi, siamo interessati a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali sulla natura dell’Universo: Come appariva l’Universo all’inizio dei tempi? Come ha fatto l’Universo ad evolvere verso lo stato fisico attuale? Lo studio della polarizzazione ci permette di ricavare molte più informazioni di quelle che possiamo ottenere dalla mappa relativa alle fluttuazioni di temperatura. La futura ricerca dei modi-B associati alla propagazione delle onde gravitazionali impresse nella radiazione cosmica di fondo rappresenta uno strumento di vitale importanza perchè ci permette di discriminare o affinare i vari modelli che tentano di descrivere l’origine dell’Universo. Nel frattempo, rimaniamo in attesa dei nuovi dati di Planck proprio sulla polarizzazione. Le sorprese non mancheranno.

CfA: First Direct Evidence of Cosmic Inflation (News Conference Video)
arXiv: BICEP2 I: DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES

Alcuni articoli sul web:

Per maggiori approfondimenti su questo e altri argomenti: L’Universo Infante

A new model of the Universe according to Lee Smolin

Secondo il fisico Lee Smolin il tempo è reale, le leggi della fisica possono variare e il nostro Universo potrebbe far parte di un processo di selezione naturale di dimensioni cosmiche in cui emergono nuovi universi da altrettanti buchi neri.

His views are contrary to the widely-accepted model of the Universe in which time is an illusion and the laws of physics are fixed, as held by Einstein and many contemporary physicists as well as some ancient philosophers. Acknowledging that his statements were provocative, he explained how he had come to change his mind about the nature of reality and had moved away from the idea that the assumptions that apply to observations in a laboratory can be extrapolated to the whole Universe. The debate had sometimes taken a metaphysical turn in which the idea that time is not real had led some to conclude that everything that humans value, such as free will, imagination and agency, is also an illusion. “Is it any wonder that so many people don’t buy science? This is what is at stake”, he said. Prof. Smolin’s talk drew on his new book, Time Reborn: from the crisis of physics to the future of the universe. He is a founding faculty member at the Perimeter Institute for Theoretical Physics in Toronto. A video of the full lecture will be coming to the IOP YouTube channel soon.

The following is an extract of a lecture given by theoretical physicist Lee Smolin at IOP on 22 May 2013. Drawing from his new book, Time Reborn, Smolin challenges the notion of time in established naturalism. He goes on to explain how the great unsolved problems in physics and cosmology may be solved by adopting the view of a real time. http://www.timereborn.com

IOP: Lee Smolin describes a new model of the universe

Il significato ‘estetico’ della simmetria

simmetrieVi siete mai chiesti che cosa è la simmetria e che cosa significhi per i fisici? In realtà, conosciamo tutti la simmetria geometrica. Ad esempio, il corpo umano possiede un tipo di simmetria: la parte sinistra e quella destra del nostro corpo sono alquanto uguali. Una stella marina possiede cinque tipi di simmetria il che vuol dire che se la ruotiamo di 1/5 essa appare uguale a come era prima. Il cerchio, invece, ha una simmetria più profonda. Non importa di quanto lo facciamo ruotare, la nuova posizione sarà uguale alla prima e così via. Ma la simmetria ha anche un significato estetico anche se questa parte diventa un pò più difficile da definire. Possiamo dire che la simmetria artistica è una forma di bellezza, piacevole da vedere e regolare nella sua geometria.

In fisica, queste definizioni hanno un significato ben preciso. Al liceo ci insegnano che le equazioni sono definite simmetriche quando scambiando  l’ordine dei membri il risultato non cambia. Ad esempio, se prendiamo l’equazione 1 + 2 = 3 possiamo scriverla anche come 2 + 1 = 3, perciò l’operazione di addizione si dice, in questo caso, simmetrica. Naturalmente, non tutte le equazioni sono simmetriche quando si scambiano le posizioni dei singoli componenti. Un esempio pratico è la sottrazione perchè 2 – 1 = 1 non è uguale all’operazione 1 – 2 = -1 e così via. Queste simmetrie semplici ci danno, però, degli indizi verso situazioni più complesse che hanno un ruolo fondamentale nell’ambito della fisica teorica. Emmy Noether è stata definita la donna più influente nel campo della matematica che guadagnò nel corso degli anni un notevole rispetto alla pari di Albert Einstein e David Hilbert. Prima di Noether, gli scienziati avevano notato che certe ‘cose’, come l’energia e la carica elettrica, fossero grandezze che si conservassero. In altre parole, la quantità di energia in un dato sistema fisico è la stessa prima e dopo che sia accaduto un evento, come per esempio una collisione tra due particelle. Il fatto che queste grandezze rimangano conservate non fu capito inizialmente anche se le leggi di conservazione vennero, e sono tuttora, insegnate nei corsi di fisica. L’idea di Noether è stata quella di correlare le leggi di conservazione con simmetrie matematiche che possono essere espresse nelle equazioni. La scienziata ha messo in evidenza il fatto che ogni simmetria implica una quantità fisica che si deve conservare. Se una equazione rimane invariata scambiando i termini da un punto ad un altro in funzione del tempo, ciò implica che l’energia si deve conservare. Se, invece, l’equazione rimane invariata scambiando una posizione con un’altra, ciò significa che la sua quantità di moto si deve conservare. Queste osservazioni si sono rivelate alquanto brillanti. Le leggi di conservazione non sono mai state considerate un fenomeno inspiegato. Esse erano, di fatto, la manifestazione misurabile di simmetrie presenti nelle leggi fisiche che governano l’Universo. In altre parole, potremmo affermare che la bellezza estetica dell’Universo è data dall’eleganza della simmetria. Il teorema di Noether ha portato i teorici ad esplorare l’idea della simmetria nelle leggi della natura in maniera più profonda il che ha determinato un apprezzamento ancora più radicale che la simmetria determina per le regole del cosmo. Oggi, i fisici considerano la simmetria di una particolare teoria tra le prime cose da guardare essendo alla base del giudizio estetico che definisce la semplicità e l’eleganza, appunto, delle equazioni matematiche. Sicuramente, non bisogna essere un fisico per vedere la bellezza del cosmo e delle sue leggi fisiche. La simmetria è lì, insita nelle formule matematiche che sono visibili a tutti, se uno ci riesce e sa come fare.

Il nostro Universo potrebbe far parte di un multiverso più grande

E’ stato detto più volte che il nostro Universo potrebbe essere non l’unico ad esistere là fuori ma essere uno dei tanti infiniti universi che compongono quello che viene chiamato il “multiverso”. Nonostante questo concetto possa determinare una certa incredulità, esistono delle motivazioni fisiche che giustificano, per così dire, questa affermazione. Inoltre, dobbiamo dire che non esiste un solo modo per arrivare a questa conclusione perchè altre teorie puntano tutte, e in maniera indipendente, al concetto di multiverso. Molti teorici credono, di fatto, che l’esistenza di altri “universi nascosti” o non visibili è molto più probabile di quanto venga ipotizzato diversamente. Ecco qui di seguito le cinque teorie scientifiche più plausibili che suggeriscono l’esistenza del multiverso.


 Infiniti universi

Illustrazione artistica dello spaziotempo che si estende all’infinito.
Credit: Shutterstock/R.T.Wohlstadter

Gli scienziati non sono sicuri di quale sia la forma dello spaziotempo, anche se con ogni probabilità esso ha una geometria piatta o euclidea, e si estende all’infinito. Ma se il tessuto spaziotemporale si estende indefinitivamente, ci aspettiamo che in qualche punto deve cominciare a replicarsi perché esiste un numero finito di modi con cui le particelle si possono sistemare nello spazio e nel tempo. Dunque, se si guarda abbastanza lontano, in linea teorica dovremmo incontrare un’altra replica di noi stessi o, meglio, infinite repliche di noi stessi. Alcune di queste repliche gemelle faranno esattamente ciò che noi stiamo facendo adesso mentre le altre si comporteranno in maniera completamente diversa. Ora, dato che l’Universo osservabile si estende da quando la radiazione ha cominciato ad apparire e a diffondersi nello spazio circa 13,7 miliardi di anni fa, lo spaziotempo oltre questa distanza può essere considerato come un universo vicino che si è già separato. In questo modo, esisterebbe una moltitudine di universi vicini come una sorta di gigantesco insieme di tasselli (universi) che compongono il puzzle (multiverso).


Universi a bolle  

Illustrazione artistica del concetto di universi-bolla.
Credit: Shutterstock/Victor Habbick

Oltre all’ipotesi degli universi multipli che sono creati dal tessuto dello spaziotempo che si estende in maniera infinita, altri universi potrebbero emergere da quella che viene chiamata la “inflazione eterna”. Il modello dell’inflazione afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang, aumentando il suo volume di spazio come un palloncino delle feste quando viene gonfiato. L’inflazione eterna, introdotta da Alexander Vilenkin, suggerisce un processo in base al quale in alcune porzioni dello spazio l’inflazione si arresta mentre in altre prosegue e questa situazione dà luogo alla formazione di tanti “universi a bolle” isolati. In questo modo, il nostro Universo, dove l’inflazione si è arrestata permettendo la formazione di stelle e galassie, è come una sorta di piccola bolla cosmica in un immenso oceano di spazio che contiene altri universi-bolla che stanno ancora subendo il processo d’inflazione. In alcuni di questi universi-bolla, le leggi e le costanti della fisica potrebbero essere differenti dalle nostre rendendo così gli altri universi decisamente strani o magari con forme di vita aliena bizzarre.


 Universi paralleli

Illustrazione artistica del concetto di universi-membrana che fluttuano in uno spazio multidimensionale.
Credit: Shutterstock/Sandy MacKenzie

Un’altra idea che emerge dalla teoria delle stringhe si basa sul concetto dei “brana-universi”, cioè universi paralleli che giacciono sulle superfici a 11 dimensioni note come “membrane” o più semplicemente “brane”. Questa teoria è stata introdotta da Paul Steinhardt e Neil Turok come alternativa al modello cosmologico standard al fine di superare il problema della singolarità iniziale del Big Bang. Dunque, secondo la teoria delle stringhe esistono altre dimensioni spaziali nascoste, rispetto alle tre dimensioni spaziali e a quella temporale a cui siamo abituati, che danno luogo a “brane” tridimensionali che fluttuano in uno spazio multidimensionale e dove in ciascuna di esse esiste un determinato universo. Possiamo immaginare che ogni universo-brana sia come una fetta di pane che fluttua in uno spazio multidimensionale assieme a tante altre fette di pane. Queste brane non sono sempre parallele tra loro e perciò, di tanto in tanto, esse collidono causando big bang multipli ognuno dei quali causa la nascita di un nuovo universo.


 Universi figli

Credit: NASA/JPL

La meccanica quantistica, che descrive il mondo degli atomi e delle particelle elementari, suggerisce un altro modo per la formazione degli universi multipli. La teoria descrive il mondo che ci circonda in termini di probabilità e non di certezze perciò le sue equazioni matematiche implicano che tutte le possibili combinazioni di una determinata situazione potranno verificarsi nei rispettivi singoli universi. Ad esempio, se arriviamo ad un incrocio dove possiamo andare a sinistra o a destra, l’Universo in cui viviamo potrebbe dar luogo, secondo la meccanica quantistica, a due “universi-figli”: uno in cui si procede a sinistra e un altro in cui si procede a destra. Inoltre, in ogni universo esiste una nostra copia testimone di ciò che accade dell’una o dell’altra situazione, la quale crede, anche se non correttamente, che la propria realtà sia l’unica che esista.


 Universi matematici

Credit: WGBH Educational Foundation

Gli scienziati hanno a lungo dibattuto sul fatto che la matematica sia semplicemente uno strumento utile per descrivere le leggi fisiche dell’Universo o se essa rappresenti effettivamente la realtà fondamentale per cui le nostre osservazioni dell’Universo siano in definitiva percezioni imperfette della sua vera natura matematica. Se è vero il secondo caso, forse la particolare struttura matematica che sta alla base del nostro Universo non è solamente l’unica opzione e perciò tutte le possibili strutture matematiche possono esistere nei rispettivi singoli universi.


Per maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici. Dal Big Bang al Multiverso

L’Universo, il cervello umano e internet: esistono delle similitudini?

Secondo uno studio recente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Scientific Reports, la struttura dell’Universo e le sue leggi fisiche che lo governano potrebbero essere molto simili a quelle del nostro cervello e a quelle che caratterizzano internet o i social network.

“Certamente non stiamo affermando che l’intero Universo è una sorta di gigantesco cervello o computer” spiega Dmitri Krioukov del Cooperative Association for Internet Data Analysis (CAIDA), presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC) dell’Università della California a San Diego. “Tuttavia, la recente scoperta sul fatto che esiste una forte equivalenza tra la struttura dell’Universo e le reti complesse, come internet o i social network, suggerisce sorprendentemente che possano esistere leggi fisiche simili che governano i processi dinamici di questi sistemi molto complessi”. Le similitudini al livello strutturale e dinamico che sono alla base di reti molto diverse tra loro sembrano indicare che esistono delle leggi universali anche se ci sfugge al momento quale possa essere la loro origine e natura. Oggi, grazie ad una serie di complicate simulazioni numeriche, un gruppo di ricercatori hanno dimostrato che la rete cosmica, che rappresenta la struttura su larga scala dell’Universo e che evolve man mano che lo spazio si espande accelerando, mostra delle forti somiglianze rispetto ai network più complessi, come internet, appunto, o addirittura i sistemi biologici. “Questi risultati hanno implicazioni fondamentali sia per i network scientifici ma anche per la cosmologia in generale” commenta Krioukov. “Abbiamo scoperto che l’evoluzione dinamica su larga scala relativa alle reti più complesse e alle reti casuali diventano asintoticamente simili e questo dimostra la somiglianza che esiste tra queste reti”. Insomma, chi l’avrebbe mai detto che l’evoluzione dello spaziotempo quadridimensionale dal vuoto quantistico avesse a che fare con la struttura di internet? Ora, se immaginiamo per un attimo la struttura dell’Universo, essa ci appare astronomicamente grande, se non addirittura infinita. Ma anche se fosse finita, si calcola che essa non sia più piccola di 10250 atomi di spazio e tempo, cioè 1 seguito da 250 zeri! Per fare un confronto, si stima che il numero delle molecole dell’acqua presenti negli oceani di tutto il mondo sia almeno di 4,4 X 1046. Per lavorare a questa struttura immane, i ricercatori hanno trovato un modo per scalare le sue dimensioni, mantenendo comunque inalterate le proprietà fisiche e dimostrando matematicamente che queste proprietà non dipendono dalle dimensioni della struttura scelta in un determinato intervallo di parametri, come la curvatura e l’età dell’Universo. Una volta ottenute le dimensioni scalate, i ricercatori hanno realizzato una serie di simulazioni della struttura casuale dell’Universo utilizzando Trestles, uno dei super computer più potenti del SDSC. Dopo aver ottimizzato l’applicazione, Robert Sinkovits è stato in grado di completare il calcolo numerico in appena più di un giorno rispetto al tempo di calcolo previsto originariamente dal progetto e cioè tre o quattro anni. Non solo, ma i risultati sono stati in perfetto accordo con la teoria. Ora, però, ci si chiede se questa equivalenza asintotica possa essere frutto di una coincidenza o meno. “Potrebbe essere”, dice Krioukov, “ma la probabilità che esista una tale coincidenza è estremamente bassa. In fisica, le coincidenze sono estremamente rare e non succedono quasi mai. C’è sempre una spiegazione che non potrebbe essere ovvia al momento”. Forse, questa spiegazione potrebbe un giorno portare alla scoperta di leggi fondamentali comuni e universali di cui due diverse conseguenze sono le leggi della gravità, che descrivono la struttura su larga scala dell’Universo, e leggi ancora sconosciute che descrivono, invece, i processi dinamici dei sistemi complessi.

Science article: Network Cosmology

Le 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna

La cosmologia studia l’Universo ma allo stesso tempo essa rappresenta una delle discipline più creative e bizzarre della scienza. I cosmologi spesso si ‘divertono’ ad introdurre delle ipotesi, modelli e teorie fantastiche e suggestive, nella maggior parte dei casi non verificabili sperimentalmente, che tentano comunque di dare una spiegazione scientifica sull’origine dell’Universo. Vediamo allora qui di seguito una breve presentazione delle 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna.

1. Brane in collisione

Il nostro Universo potrebbe essere racchiuso in una sorta di gigantesca membrana che fluttua in uno spazio multidimensionale e che ciclicamente va in rotta di collisione con la membrana di un universo parallelo? Secondo il modello del ‘mondo-brana’ della teoria delle stringhe, esistono altre dimensioni spaziali extra dello spazio che sono solamente raggiungibili dai gravitoni mentre noi siamo confinati nel nostro universo-brana caratterizzato dalle tre dimensioni a cui siamo abituati. Neil Turok dell’Università di Cambridge e Paul Steinhardt dell’Università di Princeton hanno provato a spiegare il Big Bang come conseguenza della collisione di due brane. Queste collisioni si ripetono e danno luogo ad un nuovo ‘big bang’ perciò, se il modello ciciclo è corretto, il nostro Universo e gli altri universi potrebbero essere eterni (vedasi Idee sull’Universo).

2. Universi che evolvono

Quando la materia viene compressa fino a raggiungere densità estreme al centro di un buco nero, essa può rimbalzare all’indietro e dar luogo ad un ‘nuovo universo neonato’. Qui, le leggi della fisica potrebbero essere differenti rispetto a quelle dell’universo da cui si origina e ciò determina una sorta di evoluzione di universi, una idea suggerita da Lee Smolin del Perimeter Institute. Gli universi in cui esistono tanti buchi neri produrranno tanti universi neonati e alla fine essi saranno la popolazione dominante del multiverso. Se poi viviamo in un universo tale da possedere leggi e costanti fisiche che ottimizzano la produzione dei buchi neri, questa rimane una domanda aperta.

3. Uno spaziotempo superfluido

Una delle teorie più avanzate della moderna cosmologia suggerisce che lo spaziotempo è in definitiva una sostanza superfluida che ‘scorre’, per così dire, con una viscosità nulla. Dunque, se l’Universo è dotato di un moto di rotazione, allora lo spaziotempo superfluido dovrebbe essere caratterizzato da vortici, secondo Pawel Mazur dell’Università della Carolina del Sud e George Chapline del Lawrence Livermore Laboratories. Questi vortici rappresenterebbero quei ‘siti cosmici’ dove si sono formate le prime strutture che hanno successivamente dato luogo alla formazione delle galassie. Mazur suggerisce che il nostro Universo sarebbe nato dal collasso gravitazionale di una stella dove la combinazione della materia stellare con lo spazio superfluido avrebbero dato luogo all’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando una accelerazione all’espansione dell’Universo.

4. Il ‘nostro’ Universo

Perché il nostro Universo possiede le “giuste” leggi della fisica da permettere l’esistenza della vita? Se le costanti fisiche fossero poche non avremmo più stelle, o materia o e, forse, l’Universo durerebbe solo un battito di ciglia. Una risposta a questa domanda è il principio antropico: in altre parole, l’Universo che vediamo deve ospitare la vita altrimenti noi non saremmo qui ad osservarlo. Di recente, questa idea ha avuto molti consensi perché il modello dell’inflazione cosmica suggerisce che dovrebbero esistere una infinità di universi là fuori e la teoria delle stringhe indica che questi infiniti universi devono essere caratterizzati da altrettante infinite leggi fisiche. Bisogna, però, dire che molti cosmologi non accettano il principio cosmologico perchè da un lato non si tratta di vera e propria scienza e dall’altro non fornisce  previsioni che possono essere verificate sperimentalmente.

5. Una questione di gravità

La materia scura potrebbe non essere in definitiva una sostanza fisica ma legata ad un diverso comportamento della forza di gravità. La teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom, suggerisce che la gravità non diventa più debole con l’aumentare della distanza così come vuole la legge della gravitazione universale. Questa sorta di ‘gravità potente’ potrebbe sostituirsi alla materia scura che tiene unite le galassie e gli ammassi di galassie visto che altrimenti si disperderebbero nello spazio. Una nuova formulazione della teoria MOND, consistente con le osservazioni, ha raccolto vari consensi da parte degli scienziati nonostante non descriva alcune proprietà della radiazione cosmica di fondo.

6. Un ‘fantasma’ cosmico

Tre misteri della cosmologia moderna potrebbero essere considerati come un tutt’uno. Dopo la revisione della teoria della relatività generale, un gruppo di fisici hanno trovato una strana sostanza che emerge dalla loro teoria: il cosiddetto “condensato fantasma”. Questa sostanza è in grado di produrre una forza gravitazionale repulsiva che guida, per così dire, l’inflazione cosmica per poi generare una accelerazione dello spazio che viene attribuita all’energia scura. In più, se questa sostanza si aggrega può formare la materia scura (vedasi Enigmi Astrofisici).

7. Un ‘piccolo’ universo

La mappa a ‘spot’ della radiazione cosmica di fondo presenta una peculiarità sorprendente: ci sono pochi ‘spot’ di grande dimensione. Una possibile spiegazione è data dal fatto che l’Universo potrebbe essere ‘piccolo’, così piccolo che, tornando all’epoca in cui si è originata la radiazione cosmica, non è stato in grado di trattenere, per così dire, questi enormi ‘blob’. Se ciò è vero, questo vuol dire che lo spazio si deve essere ‘riavvolto’, in qualche modo, su se stesso. Ma l’ipotesi più strana è che l’Universo abbia una forma a imbuto. La curvatura dello spazio piegata all’indietro potrebbe determinare la forma geometrica degli spot di piccole dimensioni facendogli assumere forme più ellittiche come quelle ossevate.

8. Più veloci della luce

Come mai regioni opposte dell’Universo mostrano lo stesso aspetto? E’ un vero e proprio enigma dato che le regioni più distanti dell’Universo osservabile oggi non dovrebbero essere state mai in contatto tra loro. Anche se andiamo all’inizio del tempo quando queste aree di cielo si trovavano molto vicine tra loro, si pensa che non ci sia stato abbastanza tempo per cui la luce, o forse qualcosa d’altro che ignoriamo, abbia viaggiato da una regione all’altra. E questo discorso vale anche per la distribuzione della temperatura e della densità. Si pensa che una soluzione è che la luce si sia propagata molto più velocemente, anche se per ammettere una tale ipotesi dovremmo rovesciare la teoria della relatività.

9. Neutrini sterili  

La materia scura potrebbe essere costituita dalle particelle più elusive che siano mai state immaginate: i neutrini sterili. Si tratta di particelle ipotetiche, più pesanti, insomma una specie di cugini dei normali neutrini che dovrebbero interagire con la materia solo attraverso effetti di tipo gravitazionale, un processo che li rende essenzialmente difficili da rivelare. Nonostante ciò, i neutrini sterili potrebbero avere le giuste proprietà per formare la cosiddetta materia scura “tiepida” e muoversi con velocità dell’ordine di qualche chilometro al secondo. Queste particelle esotiche potrebbero poi aiutare, per così dire, la formazione delle stelle e dei buchi neri nell’Universo primordiale e potrebbero essere la causa che spinge le stelle di neutroni a girovagare attorno alla nostra galassia.

10. Come nel film..Matrix 

Forse, il nostro Universo non è reale. Il filosofo Nick Bostrom ha suggerito una ipotesi in base alla quale noi viviamo all’interno di una simulazione creata al computer. Insomma, gli universi sarebbero delle simulazioni e dunque noi siamo abbastanza fortunati a vivere all’interno di una di esse. Ma allora, tutte le stranezze cosmologiche, come la materia scura o l’energia scura, sono semplicemente degli artefatti creati apposta per mascherare alcune inconsistenze che sono presenti nella simulazione.

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