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Singolarità e orizzonte degli eventi potrebbero essere un ‘mito’

Si sono dette e sentite tante cose sui buchi neri, gli oggetti più densi che conosciamo nell’Universo, forse i più bizzarri in assoluto. Di recente abbiamo pubblicato un paio di post sulla polemica scatenata da Stephen Hawking in merito alla sua dichiarazione secondo la quale “i buchi neri non esisterebbero” (post1; post2), forse mal interpretata e che ha a che fare con il paradosso della (perdita di) informazione. Oggi, però, va all’attacco, si fa per dire, anche Laura Mersini-Houghton, una professoressa di fisica alla University of North Carolina a Chapel Hill, la quale ha dimostrato matematicamente che i buchi neri potrebbero di fatto non originarsi mai. Questo lavoro non solo forza gli scienziati ad introdurre nuovi concetti di spazio e tempo ma induce a ripensare anche a quei processi fisici che hanno dato origine all’Universo.

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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

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Un modello cosmologico alternativo all’inflazione

Black HoleIl nostro Universo potrebbe esistere all’interno di un buco nero. Nonostante questa ipotesi possa sembrare alquanto strana, non lo è, invece, per il fisico teorico Nikodem Poplawski. La sua idea potrebbe rappresentare il quadro migliore per spiegare l’origine dell’Universo e tutta la realtà fisica che ci circonda.

Il modello cosmologico standard, che descrive l’evoluzione del nostro Universo, lascia alcune domande aperte dato che implicano l’origine dello spazio e del tempo da una singolarità iniziale, cioè una regione infinitamente piccola che contiene una concentrazione infinitamente grande di materia, che poi si è espansa nello spazio, in seguito all’inflazione, fino a raggiungere le dimensioni che osserviamo oggi. Il modello inflazionistico, che suggerisce un periodo di rapida espansione esponenziale, soddisfa alcuni dettagli importanti, come ad esempio l’aggregazione e la concentrazione della materia primordiale da cui si sono formate successivamente le strutture quali galassie e ammassi di galassie. Nonostante ciò, gli scienziati devono ancora rispondere ad alcune domande: Che cosa ha dato il via al Big Bang? Che cosa ha fatto terminare il periodo dell’inflazione? Qual è la sorgente della misteriosa energia scura che sembra causare una accelerazione all’espansione dello spazio? L’idea che il nostro Universo possa essere interamente ‘contenuto’ in un buco nero fornisce le risposte a queste domande e a molte altre. Intanto viene eliminata la nozione di singolarità e l’idea Poplawski si basa sulle due teorie fondamentali che abbiamo al momento a disposizione: la relatività generale e la meccanica quantistica. La relatività generale è la teoria più moderna della gravità che viene descritta come la curvatura dello spaziotempo prodotta da un corpo celeste di grande massa. In essa tutti gli oggetti si muovono seguendo traiettorie ellittiche (come le orbite dei pianeti, delle comete o degli asteroidi) e la stessa radiazione ne viene influenzata attraverso la deflessione dei raggi luminosi (lente gravitazionale). La relatività generale descrive l’Universo su larga scala e qualsiasi evento viene descritto come un punto nello spaziotempo. La meccanica quantistica descrive, invece, il mondo degli atomi e delle particelle. Le due teorie sono, al momento, come due famiglie separate che vivono nella stessa casa e non si parlano. Infatti, uno degli obiettivi principali dei teorici è proprio quello di  trovare un punto d’incontro in modo tale da unificare le due teorie in una unica descrizione (gravità quantistica) per spiegare in maniera adeguata tutta una serie di fenomeni, inclusi il comportamento delle particelle elementari in prossimità dei buchi neri (vedasi Idee sull’Universo). Negli anni ’60, alcuni teorici introdussero una serie di modifiche alla relatività generale tenendo conto degli effetti descritti dalla meccanica quantistica: questa formulazione matematica è stata chiamata la teoria della gravità Einstein-Cartan-Sciama-Kibble. Questo modello non solo fornisce un passo importante verso una teoria quantistica della gravità ma porta ad un quadro alternativo del nostro Universo. Le modifiche introdotte nella teoria di Einstein incorporano una importante proprietà quantistica chiamata spin. Le particelle come gli elettroni hanno uno spin proprio, cioè un momento angolare intrinseco analogo a quello di un pattinatore sul ghiaccio. Ora, lo spin delle particelle interagisce con lo spaziotempo e ne determina una proprietà chiamata torsione. A sua volta, la torsione dello spaziotempo può determinare effetti significativi solo durante le epoche primordiali dell’Universo o nei buchi neri. In queste condizioni estreme, la torsione dello spaziotempo si può manifestare come una forza di natura repulsiva che si oppone alla forza gravitazionale attrattiva dovuta alla curvatura dello spaziotempo. Come descritto nella versione originale della relatività generale, stelle di grande massa possono collassare in un buco nero che dà luogo ad una regione dello spazio dove nulla, nemmeno la luce, è in grado di sfuggire alla sua intensa attrazione gravitazionale. Ecco allora come l’effetto della torsione potrebbe agire durante le fasi primordiali della storia dell’Universo all’interno di un buco nero. Inizialmente, l’attrazione gravitazionale tra le particelle supera le forze repulsive dovute alla torsione, determinando il collasso gravitazionale della materia in una piccolissima regione di spazio. Tuttavia, alla fine del processo, l’effetto della torsione diventa maggiore e fa sì che la materia non diventi estremamente compressa in un punto di densità infinita. Nonostante ciò, la materia può essere ancora compressa in uno stato a densità elevata. Inoltre, l’immensa energia gravitazionale concentrata in questo stato fisico determina la produzione di particelle dato che, secondo l’equazione di Einstein E=mc2, l’energia può essere convertita in materia. Una delle conseguenze di questo processo è l’incremento della massa del buco nero. Il numero via via crescente di particelle dotate di spin risulta nella formazione di livelli di torsione dello spaziotempo sempre più elevati. La torsione repulsiva ferma il collasso gravitazionale e crea un big bounce, cioè un rimbalzo come quello che avviene in un pallone compresso. Il rapido rinculo, che segue dopo il rimbalzo, è ciò che determina l’espansione dello spazio. Il risultato di questo rinculo è in accordo con le osservazioni della forma, della geometria e della distribuzione di materia nell’Universo. In più, il meccanismo della torsione suggerisce uno scenario interessante: ogni buco nero produce un nuovo universo. Se ciò è vero, allora la materia primordiale del nostro Universo deve essere arrivata da qualche altra parte. Dunque, il nostro Universo potrebbe essere la parte interna di un buco nero che esiste in un altro universo. Per cui così come noi non siamo in grado di vedere ciò che avviene all’interno di un buco nero, allo stesso modo qualsiasi osservatore che si trova nell’altro universo non sarà in grado di vedere cosa succede nel nostro. Il moto della materia lungo l’orizzonte degli eventi avviene solo in una direzione e ciò dà al tempo una direzione privilegiata che noi percepiamo come un movimento in avanti, cioè dal passato al futuro. In questo modo, la freccia del tempo del nostro Universo viene, per così dire, ereditata attraverso la torsione dall’altro universo ‘madre’ da cui discende. La torsione può inoltre spiegare l’asimmetria barionica tra materia e antimateria nel nostro Universo che rappresenta ancora uno dei grandi misteri della cosmologia (vedasi Enigmi Astrofisici). A causa della torsione, la materia si trasforma nelle particelle a noi familiari, quali elettroni e quark, mentre l’antimateria si trasforma, invece, in materia scura, quella componente misteriosa che costituisce il 23% circa del contenuto materia-energia del nostro Universo. Infine, la stessa torsione potrebbe essere la sorgente dell’energia scura, quell’altra componente enigmatica dominante che costituisce il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e che permea tutto lo spazio causando una accelerazione dell’espansione. La geometria con un effetto di torsione produce in maniera naturale una costante cosmologica che rappresenta una sorta di forza aggiuntiva per spiegare nella maniera più semplice gli effetti dell’energia scura. In questo modo, l’espansione accelerata dell’Universo potrebbe terminare essendo l’evidenza più forte degli effetti dovuti alla torsione.

Per riepilogare, questo meccanismo di torsione fornisce un quadro teorico per uno scenario in cui la parte interna di un buco nero rappresenta un nuovo universo. Esso diventa anche una specie di rimedio ai maggiori problemi della cosmologia e delle varie teorie della gravità. Oggi, forse, i fisici hanno bisogno di combinare completamente la teoria della gravità di Einstein-Cartan-Sciama-Kibble con la meccanica quantistica in una teoria quantistica della gravità. Se, però, vengono superati alcuni problemi naturalmente emergono altre domande tipo: Che cosa sappiamo del buco nero all’interno del quale risiede il nostro Universo? Quanti altri universi esistono al di fuori del buco nero? Come facciamo a verificare che il nostro Universo esiste effettivamente all’interno di un buco nero? A quest’ultima domanda possiamo rispondere in questo modo: dato che tutte le stelle così come i buchi neri ruotano, il nostro Universo può aver ereditato una sorta di “direzione preferenziale” data dall’asse di rotazione del buco nero da cui discende. Di fatto, esiste una recente evidenza da uno studio relativo ad una survey di 15 mila galassie in cui si osserva che esistono più galassie a spirale che ruotano in senso antiorario in un emisfero mentre nell’altro emisfero esistono più galassie a spirale che ruotano nel verso opposto (post). Per concludere, secondo Poplawski tener conto degli effetti della torsione nella geometria dello spaziotempo rappresenta un passo fondamentale verso la formulazione di una nuova teoria cosmologica.

arXiv: Cosmology With Torsion - An Alternative To Cosmic Inflation

Un solo universo o infiniti universi?

Ricollegandomi al precedente post sul tema degli universi multipli, dove ho discusso il concetto di multiverso, volevo segnalare oggi l’interessante libro di Alex VilenkinUn solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, edito da Cortina Raffaello .

Vilenkin è uno dei cosmologi di fama mondiale. Egli ha scritto una lunga serie di articoli che riguardano il modello dell’espansione inflazionistica che si basano sull’idea secondo cui l’Universo potrebbe contenere alcuni difetti topologici dovuti a transizioni di fase, così come vengono descritte dalla teoria delle particelle  e dalla cosmologia quantistica. Oggi il modello inflazionistico mette in risalto una serie di domande quali: Perché lo stato fisico primordiale era così caldo e denso? Come e perché l’Universo si è espanso? Cosa c’era prima del Big Bang? “Il nostro orizzonte cosmico è di 13,7 miliardi di anni-luce e oltre questo orizzonte ci potrebbero essere, forse, altri universi con leggi fisiche completamente diverse dal nostro“, dice Vilenkin. A differenza dei suoi predecessori, egli promuove il concetto d’inflazione eterna e le sue implicazioni che essa determina per il principio antropico. L’idea di Vilenkin è che l’inflazione abbia avuto un inizio ma rimane eterna, producendo in continuazione universi paralleli come vere e proprie “bolle cosmiche”. “Si ritiene che l’inflazione sia quasi terminata nella nostra regione di Universo mentre invece continua in altre regioni dello spaziotempo dando luongo ad un numero infinito di bolle“, aggiunge Vilenkin. Quasi metà del libro è dedicato alla descrizione del modello cosmologico standard e la sua estensione all’espansione inflazionistica. In molti modelli inflazionistici c’è un argomento associato alle fluttuazioni quantistiche di un campo scalare, l’inflatone, per cui ci saranno sempre regioni dello spaziotempo che sono soggette all’inflazione e altre in cui essa non avviene e, in un sottoinsieme di queste, esisteranno universi che hanno proprietà piuttosto simili al nostro Universo. Dunque, date le assunzioni basi della teoria quantistica dei campi, l’inflazione eterna sembra quel processo più ragionevole rispetto ai tanti modelli inflazionistici proposti anche se non è del tutto assodato. Se l’inflazione eterna ha luogo, allora Vilenkin è convinto che esisteranno infinite configurazioni di universi ognuno dei quali saranno caratterizzate da proprie costanti fisiche della natura. Se tutto questo poi sia vero oppure no dipenderà dal modello, dalla natura stessa del campo inflatone e dai dettagli della teoria quantistica della gravità. A tal proposito, Vilenkin affronta una parte del libro dando una breve descrizione della teoria delle stringhe. Ma a mio parere, non ci dobbiamo dimenticare che la Fisica è una disciplina osservativa, basata sul metodo sperimentale. Oggi non siamo in grado di osservare altri big bang o regioni di spazio soggette ad una eventuale inflazione. Se queste esistono, si troveranno comunque al di fuori del nostro orizzonte osservativo, perciò sarà difficile verificare la loro presenza.

I misteri delle dimensioni spaziali nascoste

In un precedente post, ho spiegato come, secondo Steinhardt e Turok , il nostro Universo si sia originato da uno dei tanti big bang dovuti alle collisioni tra due membrane, o brane, descritte dalla teoria delle stringhe, ipotesi che eliminerebbe dunque il problema della singolarità iniziale. Ma esiste un modo di provare l’esistenza di questi universi paralleli? Se essi esistono davvero, perchè non possiamo vederli o “toccarli”?

Nel suo percorso di ricerca, descritto nel libro che vi presento oggi, Passaggi curvi. I misteri delle dimensioni nascoste dell’Universo, edito da Il SaggiatoreLisa Randall  ha dovuto abbattere, per così dire, alcuni ‘paletti’ della cosmologia e della fisica ufficiale e postulare l’esistenza di dimensioni nascoste, arrotolate, che sfuggono alla nostra percezione. Questa nuova visione dell’Universo potrebbe contribuire a risolvere uno dei grandi misteri della scienza moderna che ha a che fare con la gravità. Infatti, tre secoli fa, Newton formulò la legge di gravitazione universale ispirato, a quanto si dice, dalla visione della caduta di una mela staccatasi dal ramo di un albero. Si pensa che la gravità sia incontrastabile ma in realtà si tratta di una forza alquanto debole. E’ stato trovato che l’elettromagnetismo è molto più forte della gravità che al confronto risulta incredibilmente debole. La debole intensità della forza di gravità ha disorientato gli scienziati per anni ma oggi la teoria delle stringhe, grazie alle sue membrane e dimensioni extra, sembra offrire un nuovo modo di affrontare il problema. Lisa Randall si è domandata come mai la gravità fosse così debole rispetto alle altre tre forze della natura. Forse la gravità ha la stessa potenza della forza elettromagnetica ma per qualche ragione noi non riusciamo a percepire la sua azione. Ma perchè la gravità dovrebbe essere diversa e più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali? Secondo la Teoria M il punto chiave del problema sta nella forma geometrica delle stringhe. I teorici ritengono che tutto ciò che ci circonda sia composto da stringhe lineari e che gli estremi di ogni stringa siano ancorati alla nostra membrana tridimensionale. Esistono anche degli anelli chiusi che sono invece responsabili della gravità: essi si chiamano gravitoni. Le stringhe ad anello che formano i gravitoni non hanno estremi che le ancorino di conseguenza essi sono liberi di viaggiare verso altre dimensioni attenuando l’intensità della forza di gravità e facendola sembrare più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali. Quindi, questa ipotesi apre una prospettiva affascinante perché se è vero che viviamo su una brana e se esistono universi paralleli su altre membrane accanto alla nostra forse non li vedremo mai, ma potremo un giorno percepirli grazie alla gravità. Muovendo dalle grandi scoperte del Novecento, in questo libro Randall spiega ai non addetti ai lavori la sua concezione dell’Universo come membrana dotata di quattro dimensioni spaziotemporali e immersa in uno spazio multidimensionale, e come questa sia dimostrabile dal punto di vista scientifico. Ma siamo proprio sicuri che l’Universo sia così come lo descrive la teoria delle stringhe? Davvero il mondo è fatto di stringhe, membrane o universi paralleli e dimensioni extra?

Quando due buchi neri ‘collidono’

Un gruppo di ricercatori utilizzeranno i supercomputer più veloci, che sono attualmente disponibili in Europa, per verificare alcuni principi della teoria della relatività nel caso in cui due buchi neri collidono.

E’ ciò che faranno alcuni scienziati esperti di onde gravitazionali che si sono assicurati quasi 20 milioni di ore di tempo per simulare e studiare alcuni eventi tra i più violenti nell’Universo: la collisione di due buchi neri. I ricercatori utilizzeranno circa duemila processori nel corso del prossimo anno e tenteranno di risolvere alcune equazioni della relatività generale. Lo scopo finale delle simulazioni sarà l’osservazione diretta del processo di collisione di due buchi neri e la conseguente emissione di onde gravitazionali. Le onde gravitazionali, previste da Einstein circa un secolo fa, non sono state mai rivelate. Esse vengono generate da corpi celesti di grande massa quando vengono accelerati, ad esempio nel caso di due buchi neri che si trovano in orbita l’uno attorno all’altro, come nel caso del moto accelerato delle cariche elettriche che emettono onde elettromagnetiche che emettono luce o di onde radio, con la sola importante differenza che le onde gravitazionali sono estremamente deboli. La simulazione permetterà di capire la fisica che sta alla base di questi processi estremi, come ad esempio la formazione di eventuali oggetti esotici o le singolarità nude. Gli scienziati sperano di verificare se la teoria di Einstein sia corretta o se la teoria stessa predice ulteriori processi ancora sconosciuti che caratterizzano la natura stessa dello spazio e del tempo. Questi studi saranno realizzati mediante le macchine della PRACE Research Infrastructure che fornisce attualmente tre classi di supercomputer veloci ognuno dei quali è in grado di elaborare 1 Petaflop di dati, cioè un migliaio di miliardi di operazioni matematiche al secondo. La prima macchina chiamata Jugene, che si trova in Germania e che è già operativa dal 2010, è stata affiancata agli inizi del 2011 da Curie, la macchina francese, mentre il sistema Hermit ancora in Germania è operativo da questo mese. Altri computer che faranno parte del progetto sorgeranno in Germania, in Spagna e anche nel nostro paese.