Cosa è successo prima del Big Bang?

All'inizio c'era una minuscola sfera di materia infinitamente densa. Poi, tutto è esploso, dando origine agli atomi, alle molecole, alle stelle e alle galassie che vediamo oggi.

O almeno, questo è quello che ci è stato detto dai fisici negli ultimi decenni. 

Ma una nuova ricerca sulla fisica teorica ha recentemente rivelato una possibile finestra sull'universo primordiale, dimostrando che potrebbe non essere "molto presto", dopotutto. Invece potrebbe essere solo l'ultima iterazione di un ciclo di rimbalzo che va avanti da ... beh, almeno una volta, e forse per sempre. 

Ovviamente, prima che i fisici decidano di buttare via il Big Bang a favore di un ciclo di rimbalzo, queste previsioni teoriche dovranno sopravvivere a un assalto di test di osservazione.

Cosmologie rimbalzanti

Gli scienziati hanno un quadro davvero buono dell'universo primordiale, qualcosa che conosciamo e amiamo come la teoria del Big Bang. In questo modello, molto tempo fa l'universo era molto più piccolo, molto più caldo e molto più denso di quanto non sia oggi. In quel primo inferno di 13,8 miliardi di anni fa, tutti gli elementi che ci rendono ciò che siamo si sono formati nell'arco di circa una dozzina di minuti.

Anche prima, questo pensiero va, a un certo punto il nostro intero universo - tutte le stelle, tutte le galassie, tutto il resto - aveva le dimensioni di una pesca e aveva una temperatura di oltre un quadrilione di gradi.

Sorprendentemente, questa storia fantastica regge tutte le osservazioni attuali. Gli astronomi hanno fatto di tutto, dall'osservazione della radiazione elettromagnetica residua dal giovane universo alla misurazione dell'abbondanza degli elementi più leggeri e hanno scoperto che tutti sono in linea con ciò che prevede il Big Bang. Per quanto ne sappiamo, questo è un ritratto accurato del nostro primo universo.

Ma per quanto sia buono, sappiamo che il quadro del Big Bang non è completo: manca un pezzo di puzzle e quel pezzo è il primo momento dell'universo stesso.

È un pezzo piuttosto grande.

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La conflagrazione

Il problema è che la fisica che usiamo per comprendere l'universo primordiale (un miscuglio meravigliosamente complicato di relatività generale e fisica delle particelle ad alta energia) può portarci solo così lontano prima di crollare. Mentre proviamo a spingerci sempre più in profondità nei primi momenti del nostro cosmo, la matematica diventa sempre più difficile da risolvere, fino al punto in cui semplicemente ... finisce.

Il segno principale che abbiamo un terreno ancora da esplorare è la presenza di una "singolarità", o un punto di densità infinita, all'inizio del Big Bang. Preso al valore nominale, questo ci dice che a un certo punto l'universo era stipato in un punto infinitamente piccolo e infinitamente denso. Questo è ovviamente assurdo e ciò che ci dice veramente è che abbiamo bisogno di una nuova fisica per risolvere questo problema - il nostro attuale kit di strumenti non è abbastanza buono.

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Per salvare la situazione abbiamo bisogno di una nuova fisica, qualcosa che sia in grado di gestire la gravità e le altre forze, combinate, a energie ultraelevate. Ed è esattamente ciò che la teoria delle stringhe afferma di essere: un modello di fisica in grado di gestire la gravità e le altre forze, combinate, a energie ultra alte. Il che significa che la teoria delle stringhe afferma di poter spiegare i primi momenti dell'universo.

Una delle prime nozioni di teoria delle stringhe è l'universo "ekpirotico", che deriva dalla parola greca per "conflagrazione" o fuoco. In questo scenario, quello che conosciamo come il Big Bang è stato innescato da qualcos'altro che è accaduto prima di esso: il Big Bang non è stato un inizio, ma una parte di un processo più ampio.

L'estensione del concetto ekpirotico ha portato a una teoria, ancora una volta motivata dalla teoria delle stringhe, chiamata cosmologia ciclica. Suppongo che, tecnicamente, l'idea dell'universo che si ripete continuamente sia vecchia di migliaia di anni e preceda la fisica, ma la teoria delle stringhe ha dato all'idea un solido fondamento matematico. L'universo ciclico funziona esattamente come potresti immaginare, rimbalzando continuamente tra big bang e big crunch, potenzialmente per l'eternità indietro nel tempo e per l'eternità nel futuro.

Prima dell'inizio

Per quanto possa sembrare interessante, le prime versioni del modello ciclico avevano difficoltà a far corrispondere le osservazioni, il che è un grosso problema quando si cerca di fare scienza e non solo di raccontare storie intorno al fuoco. 

L'ostacolo principale era concordare con le nostre osservazioni sul fondo cosmico a microonde, la luce fossile rimasta da quando l'universo aveva solo 380.000 anni. Sebbene non possiamo vedere direttamente oltre quel muro di luce, se inizi teoricamente ad armeggiare con la fisica del cosmo infantile, influisci su quel modello di luce residua.

E così, sembrava che un universo ciclico fosse un'idea chiara ma errata.

Ma la torcia ekpyrotic è stata tenuta accesa nel corso degli anni e un documento pubblicato a gennaio nel database arXiv ha esplorato le rughe della matematica e scoperto alcune opportunità precedentemente perse. I fisici, Robert Brandenberger e Ziwei Wang della McGill University in Canada, hanno scoperto che nel momento del "rimbalzo", quando il nostro universo si restringe a un punto incredibilmente piccolo e ritorna allo stato del Big Bang, è possibile allineare tutto per ottenere il corretto risultato testato a livello di osservazione.

In altre parole, la fisica complicata (e, ammettiamolo, scarsamente compresa) di questa epoca critica può effettivamente consentire una visione radicalmente rivista del nostro tempo e del nostro posto nel cosmo.

Ma per testare appieno questo modello, dovremo aspettare una nuova generazione di esperimenti di cosmologia, quindi aspettiamo di scoppiare lo champagne ekpyrotic.

Paul M. Sutter è un astrofisico presso SUNY Stony Brook e il Flatiron Institute, ospite di Chiedi a un astronauta e Radio spaziale, e autore di Il tuo posto nell'universo.

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Pubblicato originariamente su .

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