Archivi tag: loop quantum cosmology

Buchi neri, ‘portali’ verso altri universi

Due scienziati, Rodolfo Gambini dell’University of the Republic in Montevideo, Uruguay, e Jorge Pullin della Louisiana State University, hanno applicato la teoria della Loop Quantum Gravity (LQG) al caso di un buco nero di Schwarzschild. Nel loro articolo pubblicato su Physical Review Letters, i due scienziati non trovano una singolarità nel suo centro bensì una sorta di ‘portale’ verso un altro universo.

Il concetto di Big Bang, come l’evento iniziale da cui ha avuto origine il nostro Universo sta ormai passando di moda, anche perché la teoria della relatività generale non è in grado di descrivere ‘ciò che accadde prima della singolarità’ in un punto del tempo appena prima del Big Bang. La teoria suggerisce inoltre che una tale singolarità dovrebbe esistere al centro dei buchi neri ma, di nuovo, la relatività generale viene meno nel descriverla. Ancora peggio, esiste il problema che riguarda il cosiddetto paradosso dell’informazione: in altre parole, cosa succede all’informazione contenuta in un oggetto che cade in un buco nero verso la singolarità? Ad oggi, i cosmologi ‘classici’ non sanno dare una risposta. Dunque, per tentare di risolvere questi problemi, nel 2006 Abhay Ashtekar ed il suo gruppo presso la Pennsylvania State University, formularono una teoria nota come Loop Quantum Gravity (LQG). Essi suggerirono che invece di ammettere l’esistenza di una singolarità poco prima del Big Bang, ci fossero i ‘frammenti’, per così dire, di un universo collassato che esisteva prima del nostro. In altre parole, il nostro Universo non emerse dal nullo con un Big Bang di se stesso, piuttosto esiste un ciclo infinito dove un universo collassa verso un punto molto piccolo per poi esplodere in un Big Bang che, a sua volta, collassa per poi esplodere secondo un processo ciclico, o a “loop” appunto, che va avanti per sempre. Da quel momento, ci si riferisce alla teoria LQG anche con il termine di Big Bounce in sostituzione del termine Big Bang. Nel loro studio, Gambini e Pullin hanno applicato la LQG al caso più semplice di buco nero. Il loro esperimento dimostra che qualsiasi oggetto che viene attirato verso il buco nero non viene compresso fino a raggiungere la singolarità, piuttosto l’oggetto viene ridotto ad una dimensione piccola ma finita per poi essere espulso interamente in un’altra parte dell’Universo o addirittura in un altro universo. Dato che il loro modello funziona molto bene, i due scienziati ritengono che possa funzionare con gli oggetti reali. Se questa teoria si dimostrerà corretta, essa potrebbe un giorno eliminare il paradosso della perdita dell’informazione aprendo così una nuova strada teorica nel considerare i buchi neri come dei veri e propri ‘portali’ verso altri universi.

arXiv: Loop quantization of the Schwarzschild black hole

eBook: Enigmi Astrofisici
Pubblicità

L’origine dell’Universo secondo la gravità quantistica a loop

Image credit: Thomas Fuchs

Secondo il modello cosmologico standard, l’Universo ebbe origine da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, circa 13-14 miliardi di anni fa. Alcuni istanti dopo, l’Universo subì una rapida espansione, nota come inflazione, che diede forma, per così dire, allo spazio cosmico. Durante questo periodo, emersero minuscole fluttuazioni di energia che, successivamente, diedero luogo a tutte quelle strutture cosmiche che oggi possiamo ammirare sottoforma di galassie e ammassi di galassie. Nonostante questo modello sia in grado di descrivere in prima approssimazione l’evoluzione dell’Universo primordiale, nessuno è in grado di spiegare come hanno avuto origine queste fluttuazioni primordiali. Ma di recente, tre fisici avrebbero scoperto la chiave per risolvere questo enigma attraverso la formulazione di una teoria in cui la gravità dovrebbe mostrare lo stesso comportamento bizzarro basato sull’incertezza che regna nel mondo delle particelle subatomiche.

La cosmologia standard, che si basa sulla relatività generale, non è in grado di spiegare l’origine delle fluttuazioni dato che viene meno quando consideriamo scale molto piccole, tipiche del mondo degli atomi. Durante il brevissimo ed infinitesimale intervallo di tempo prima che avesse luogo l’inflazione, noto come era di Planck, l’intero Universo era compresso in una regione di spazio molti ordini di grandezza più piccola di quella che occupa un atomo. Se tentiamo di applicare la relatività a questa situazione, le sue previsioni non hanno più senso fisico dato che portano a valori infiniti della densità di energia. Dunque, per estendere i concetti di Einstein a queste situazioni estreme i ricercatori hanno sviluppato una teoria denominata loop quantum gravity. Sin dagli anni ’80, Abhay Ashtekar, attualmente alla Pennsylvania State University, trasformò in qualche modo le equazioni di Einstein per renderle compatibili nell’ambito della fisica quantistica. Ma ci fu un prezzo da pagare. Infatti, come conseguenza di questa manipolazione matematica si trovò che lo spazio non era più liscio, continuo e regolare, come nel caso del mondo infinitamente grande, ma consisteva di tante unità discrete, denominate loop o anelli, e che la sua struttura microscopica poteva fluttuare contemporaneamente tra tutta una serie di stati multipli. Nel corso degli ultimi anni, i fisici hanno dichiarato che se, e con un grande “se” dato che non abbiamo ancora evidenze sperimentali, la teoria della gravità quantistica a loop si dimostrerà corretta allora il Big Bang dovrebbe essere stato originato da un vero e proprio Big Bounce associato ad un precedente universo che si trovava nella fase di collasso gravitazionale. Oggi, però, Ashtekar e i suoi collaboratori sono convinti che questa tecnica, attraverso la quale è possibile estendere i concetti della relatività generale verso gli istanti primordiali della storia dell’Universo, possa riempire il divario tra il Big Bounce, cioè l’era di Planck, e il momento in cui ha origine l’inflazione non solo ma grazie ad essa è possibile spiegare anche la formazione di tutte quelle fluttuazioni senza le quali non si sarebbero formate nel corso del tempo le strutture cosmiche fino ad arrivare persino a noi stessi. Queste fluttuazioni primordiali sarebbero perciò la naturale conseguenza delle fluttuazioni quantistiche che esistevano già all’epoca del Big Bounce. “I nostri risultati forniscono una estensione autoconsistente dell’inflazione fino alla scala di Planck” dichiara Ashtekar. “Il fatto che la gravità quantistica abbia lasciato oggi una sorta di ‘impronta digitale’ sulle strutture cosmiche è alquanto sorprendente ed elegante” dichiara Jorge Pullin della Louisiana State University, un esperto di gravità quantistica a loop e buchi neri. Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, afferma invece che i ricercatori hanno bisogno di introdurre tutta una serie di “assunzioni artificiose” per poter procedere indietro nel tempo dal momento in cui avviene l’inflazione fino a epoche più remote. “La gravità quantistica a loop è interessante”, dice Turok, “ma non si tratta ancora di una vera e propria teoria e perciò bisogna stare attenti a non prendere sul serio certe sue predizioni”. 

Full story: The missing epoch

Un nuovo paradigma sull’Universo delle origini

Alcuni ricercatori della Penn State University hanno sviluppato un modello che tenta di spiegare le fasi iniziali della storia dell’Universo. Grazie a tecniche moderne che si basano sul cosiddetto modello cosmologico della teoria quantistica a loop (loop-quantum cosmology), gli scienziati hanno esteso i concetti della fisica quantistica fin quasi “all’inizio del tempo”. Questo paradigma della teoria quantistica a loop suggerisce, per la prima volta, che le strutture su larga scala che vediamo oggi come galassie o ammassi di galassie si sono originate a partire dalle fluttuazioni quantistiche iniziali emerse nello spaziotempo ed esistite sin già da quando si originò l’Universo quasi 14 miliardi di anni fa. Questi risultati forniscono nuove opportunità osservative che serviranno per verificare i vari modelli cosmologici grazie alle future missioni spaziali che vedranno impiegati i telescopi di ultima generazione.

“Noi umani da sempre cerchiamo di comprendere come si è originato il nostro Universo”,  spiega Abhay Ashtekar. “Stiamo usando il nostro paradigma per capire, in dettaglio, i processi dinamici che la materia e lo spazio subirono durante le fasi primordiali della storia cosmica, fino all’inizio di tutto”. Il paradigma quantistico fornisce un nuovo sistema concettuale e matematico al fine di descrivere la geometria esotica da cui emerse lo spaziotempo e che possiamo descrivere applicando le leggi della meccanica quantistica. Questo modello suggerisce che l’Universo era così compresso fino a raggiungere valori di densità tali che il suo comportamento non può essere descritto né dalle equazioni della relatività generale di Einstein né da una teoria ancora più fondamentale che si basa sulle strani leggi della meccanica quantistica. Si calcola che la densità della materia poteva raggiungere valori dell’ordine di 1094 grammi per centimetro cubico contro la densità di un nucleo atomico che è di 1014 grammi. Nel mondo bizzarro della meccanica quantistica, dove si parla di probabilità piuttosto che di certezza, le proprietà fisiche sono decisamente diverse da quelle del mondo a cui siamo abituati. Tra queste differenze esistono i concetti di tempo così come le proprietà dinamiche di vari sistemi che evolvono nel corso del tempo man mano che interagiscono con la struttura dello spaziotempo quantistico. Oggi, l’informazione più antica che disponiamo della storia cosmica ci viene fornita dalla radiazione cosmica di fondo e risale a quando l’Universo aveva una età di appena 380 mila anni. Da quell’epoca, dopo un periodo di rapida espansione, chiamata inflazione, l’Universo è divenuto molto più fluido rispetto alla sua versione iniziale super compressa. All’inizio della fase inflazionistica, la densità dell’Universo era un trilione di volte inferiore rispetto a quella del periodo delle origini, così che le fluttuazioni quantistiche sono molto meno importanti oggi nel determinare le proprietà dinamiche della materia e della geometria dello spaziotempo su larga scala. Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l’Universo è uniforme su larga scala, eccetto per alcune regioni dello spazio che sono più o meno dense. Il modello standard inflazionistico, che si basa sulle equazioni classiche della relatività generale, tratta lo spaziotempo come un continuo regolare. “Il modello inflazionario spiega con successo la radiazione cosmica di fondo, ma questo modello non è completo. Esso si basa sull’idea che l’Universo emerse dal nulla in seguito ad una singolarità iniziale, il Big Bang, che risulta dall’incapacità della relatività generale nel descrivere le condizioni estreme della meccanica quantistica”, spiega Ivan Agullo. “Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità, come ad esempio la teoria quantistica a loop, per andare oltre la fisica di Einstein, al fine di catturare la vera essenza dell’origine del nostro Universo”. Alcuni lavori precedenti sulla cosmologia quantistica a loop eseguiti dal gruppo di Ashtekar hanno modificato, per così dire, il concetto del Big Bang con l’idea del Big Bounce in base alla quale l’Universo non emerse dal nulla bensì da materia super compressa che sarebbe già esistita ancora prima. Dunque, anche se le condizioni della meccanica quantistica all’inizio del tempo furono estremamente differenti da quelle descritte dalla fisica classica dopo l’inflazione, il nuovo paradigma introdotto dai fisici della Penn State University permette di rivelare una connessione sorprendente tra i due modelli che tentano di descrivere queste fasi primordiali. Nel momento in cui gli scienziati utilizzano il modello dell’inflazione applicando le equazioni di Einstein per descrivere l’evoluzione dell’Universo, essi trovano che le irregolarità diventano quei “siti cosmici” da cui sono emersi gli ammassi di galassie e le strutture su larga scala che osserviamo oggi. Ma in maniera quasi spettacolare si trova che utilizzando il modello cosmologico quantistico a loop, con le sue relative equazioni, le fluttuazioni fondamentali nel momento del Big Bounce evolvono per divenire, nel corso del tempo, ancora quei siti cosmici che si osservano nella radiazione cosmica di fondo. Insomma, i dati dei ricercatori della Penn State suggeriscono che le condizioni iniziali relative alle fasi primordiali dell’Universo portano in maniera naturale alla nascita delle strutture su larga scala che osserviamo oggi. In questo modo, i ricercatori possono descrivere l’origine delle strutture cosmiche del nostro Universo dall’epoca inflazionaria al Big Bounce, coprendo circa 11 ordini di grandezza in termini di densità di materia e della curvatura dello spaziotempo. In altre parole, si definiscono meglio quelle condizioni iniziali che sarebbero esistite durante l’origine dell’Universo che hanno portato successivamente alla formazione delle strutture cosmologiche in accordo con i dati sulla radiazione cosmica di fondo.

[Press release: The Beginning of Everything: A New Paradigm Shift for the Infant Universe]

arXiv 1: An Extension of the Quantum Theory of Cosmological Perturbations to the Planck Era

arXiv 2: A Quantum Gravity Extension of the Inflationary Scenario

arXiv 3: Perturbations in loop quantum cosmology

arXiv 4: Probability of Inflation in Loop Quantum Cosmology

arXiv 5: The Big Bang and the Quantum