Grande rimbalzo - Big Bounce

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Il Big Bounce è un modello cosmologico ipotizzato per l'origine dell'universo conosciuto . È stato originariamente suggerito come una fase del modello ciclico o dell'interpretazione dell'universo oscillatorio del Big Bang , in cui il primo evento cosmologico era il risultato del collasso di un universo precedente. Si è ritirato dalla seria considerazione all'inizio degli anni '80 dopo che la teoria dell'inflazione è emersa come soluzione al problema dell'orizzonte , che era sorto dai progressi nelle osservazioni che rivelavano la struttura su larga scala dell'universo. All'inizio degli anni 2000, l'inflazione è stata trovata da alcuni teorici problematica e non falsificabile in quanto i suoi vari parametri potevano essere regolati per adattarsi a qualsiasi osservazione, in modo che le proprietà dell'universo osservabile fossero una questione di fortuna. Immagini alternative tra cui un Big Bounce possono fornire una possibile soluzione predittiva e falsificabile al problema dell'orizzonte e sono oggetto di indagine attiva a partire dal 2017.

Espansione e contrazione

Il concetto del Big Bounce immagina il Big Bang come l'inizio di un periodo di espansione che ha seguito un periodo di contrazione. In quest'ottica si potrebbe parlare di Big Crunch seguito da Big Bang , o più semplicemente, di Big Bounce . Ciò suggerisce che potremmo vivere in qualsiasi punto in una sequenza infinita di universi, o viceversa l'universo attuale potrebbe essere la primissima iterazione. Tuttavia, se la condizione della fase di intervallo "tra i rimbalzi", considerata l'"ipotesi dell'atomo primordiale", viene presa in piena contingenza, tale enumerazione può essere priva di significato perché tale condizione potrebbe rappresentare una singolarità nel tempo ad ogni istanza, se tale perpetua il ritorno era assoluto e indifferenziato.

L'idea principale alla base della teoria quantistica di un Big Bounce è che, quando la densità si avvicina all'infinito, il comportamento della schiuma quantistica cambia. Tutte le cosiddette costanti fisiche fondamentali , compresa la velocità della luce nel vuoto, non devono rimanere costanti durante un Big Crunch , specialmente nell'intervallo di tempo inferiore a quello in cui la misurazione potrebbe non essere mai possibile (un'unità di tempo di Planck , all'incirca 10 −43 secondi) che copre o tra parentesi il punto di flesso.

Storia

I grandi modelli di rimbalzo sono stati approvati su basi in gran parte estetiche da cosmologi tra cui Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie e George Gamow (che ha sottolineato che "dal punto di vista fisico dobbiamo dimenticare completamente il periodo pre-collasso").

All'inizio degli anni '80, l'avanzare della precisione e della portata della cosmologia osservativa aveva rivelato che la struttura su larga scala dell'universo è piatta , omogenea e isotropa , una scoperta successivamente accettata come Principio Cosmologico da applicare a scale superiori a circa 300 milioni di anni luce. . È stato riconosciuto che era necessario trovare una spiegazione per come regioni distanti dell'universo potessero avere proprietà essenzialmente identiche senza mai essere state in comunicazione simile alla luce. Una soluzione è stata proposta per essere un periodo di espansione esponenziale dello spazio nell'universo primordiale, come base per quella che divenne nota come teoria dell'inflazione . Dopo il breve periodo inflazionistico, l'universo continua ad espandersi, ma a un ritmo meno rapido.

Varie formulazioni della teoria dell'inflazione e le loro implicazioni dettagliate divennero oggetto di intensi studi teorici. In assenza di un'alternativa convincente, l'inflazione è diventata la principale soluzione al problema dell'orizzonte. All'inizio degli anni 2000, l'inflazione è stata trovata da alcuni teorici problematica e non falsificabile in quanto i suoi vari parametri potevano essere regolati per adattarsi a qualsiasi osservazione, una situazione nota come problema di messa a punto. Inoltre, l'inflazione è risultata inevitabilmente eterna , creando un'infinità di universi diversi con proprietà tipicamente diverse, così che le proprietà dell'universo osservabile sono una questione di casualità. Un concetto alternativo che include un Big Bounce è stato concepito come una possibile soluzione predittiva e falsificabile al problema dell'orizzonte ed è oggetto di indagine attiva a partire dal 2017.

La frase "Big Bounce" è apparsa nella letteratura scientifica nel 1987, quando è stata usata per la prima volta nel titolo di un paio di articoli (in tedesco) in Stern und Weltraum di Wolfgang Priester e Hans-Joachim Blome. Riapparve nel 1988 in Big Bang, Big Bounce di Iosif Rozental , una traduzione in lingua inglese rivista di un libro in lingua russa (con un titolo diverso), e in un articolo del 1991 (in inglese) di Priester e Blome in Astronomy and Astrophysics . (La frase a quanto pare è nata come titolo di un romanzo di Elmore Leonard nel 1969, poco dopo una maggiore consapevolezza pubblica del modello del Big Bang con la scoperta del fondo cosmico a microonde di Penzias e Wilson nel 1965.)

L'idea dell'esistenza di un grande rimbalzo nell'universo primordiale ha trovato un supporto diversificato nei lavori basati sulla gravità quantistica a loop . Nella cosmologia quantistica a loop , un ramo della gravità quantistica a loop, il big bounce è stato scoperto per la prima volta nel febbraio 2006, per modelli isotropici e omogenei da Abhay Ashtekar , Tomasz Pawlowski e Parampreet Singh alla Pennsylvania State University . Questo risultato è stato generalizzato a vari altri modelli da gruppi diversi e include il caso della curvatura spaziale, della costante cosmologica, delle anisotropie e delle disomogeneità quantizzate di Fock.

Martin Bojowald , un assistente professore di fisica presso la Pennsylvania State University , ha pubblicato uno studio nel luglio 2007 che descrive in dettaglio il lavoro in qualche modo correlato alla gravità quantistica del ciclo che affermava di risolvere matematicamente il tempo prima del Big Bang, che darebbe nuovo peso all'universo oscillatorio e al Big Bang. Teorie del rimbalzo.

Uno dei problemi principali con la teoria del Big Bang è che al momento del Big Bang c'è una singolarità di volume zero e di energia infinita. Questo è normalmente interpretato come la fine della fisica come la conosciamo; in questo caso, della teoria della relatività generale . Questo è il motivo per cui ci si aspetta che gli effetti quantistici diventino importanti ed evitino la singolarità.

Tuttavia, la ricerca nella cosmologia quantistica ad anello pretendeva di dimostrare che un universo esistente in precedenza è collassato, non fino al punto di singolarità, ma fino a un punto precedente in cui gli effetti quantistici della gravità diventano così fortemente repulsivi che l'universo rimbalza indietro, formando un nuovo ramo. Attraverso questo crollo e rimbalzo, l'evoluzione è unitaria.

Bojowald afferma inoltre che possono essere determinate anche alcune proprietà dell'universo che è collassato per formare il nostro. Alcune proprietà dell'universo precedente non sono tuttavia determinabili a causa di una sorta di principio di indeterminazione. Questo risultato è stato contestato da diversi gruppi che mostrano che a causa delle restrizioni sulle fluttuazioni derivanti dal principio di indeterminazione, ci sono forti vincoli alla variazione delle fluttuazioni relative attraverso il rimbalzo.

Mentre l'esistenza di un grande rimbalzo deve ancora essere dimostrata dalla gravità quantistica a loop , la robustezza delle sue caratteristiche principali è stata confermata utilizzando risultati esatti e diversi studi che coinvolgono simulazioni numeriche utilizzando il calcolo ad alte prestazioni nella cosmologia quantistica del loop .

Nel 2003, Peter Lynds ha presentato un nuovo modello cosmologico in cui il tempo è ciclico. Nella sua teoria il nostro Universo alla fine smetterà di espandersi e poi si contrarrà. Prima di diventare una singolarità, come ci si aspetterebbe dalla teoria del buco nero di Hawking, l'universo rimbalzerebbe. Lynds sostiene che una singolarità violerebbe la seconda legge della termodinamica e questo impedisce all'universo di essere delimitato da singolarità. Il Big Crunch sarebbe evitato con un nuovo Big Bang. Lynds suggerisce che l'esatta storia dell'universo si sarebbe ripetuta in ogni ciclo in una ricorrenza eterna . Alcuni critici sostengono che mentre l'universo può essere ciclico, le storie sarebbero tutte varianti. La teoria di Lynds è stata respinta dai fisici tradizionali per la mancanza di un modello matematico dietro le sue considerazioni filosofiche.

Nel 2006, è stato proposto che l'applicazione delle tecniche di gravità quantistica a loop alla cosmologia del Big Bang può portare a un rimbalzo che non deve essere ciclico.

Nel 2010, Roger Penrose ha avanzato una teoria basata sulla relatività generale che chiama la " cosmologia ciclica conforme ". La teoria spiega che l'universo si espanderà fino a quando tutta la materia non decadrà e alla fine si trasformerà in luce. Poiché nulla nell'universo avrebbe un tempo o scala di distanza ad esso associata, diventa identico al Big Bang, risultando a sua volta in un tipo di Big Crunch che diventa il prossimo big bang, perpetuando così il ciclo successivo.

Nel 2011, Nikodem Popławski ha dimostrato che un Big Bounce non singolare appare naturalmente nella teoria della gravità di Einstein-Cartan -Sciama-Kibble. Questa teoria estende la relatività generale rimuovendo un vincolo della simmetria della connessione affine e considerando la sua parte antisimmetrica, il tensore di torsione , come una variabile dinamica. L'accoppiamento minimo tra torsione e spinori di Dirac genera un'interazione spin-spin che è significativa nella materia fermionica a densità estremamente elevate. Tale interazione evita la singolarità non fisica del Big Bang, sostituendola con un rimbalzo simile a una cuspide a un fattore di scala minimo finito, prima del quale l'universo si stava contraendo. Questo scenario spiega anche perché l'Universo attuale alle scale più grandi appare spazialmente piatto, omogeneo e isotropo, fornendo un'alternativa fisica all'inflazione cosmica.

Nel 2012, una nuova teoria del grande rimbalzo non singolare è stata costruita con successo all'interno della struttura della gravità standard di Einstein. Questa teoria combina i vantaggi del rimbalzo della materia e della cosmologia ekpyrotica . In particolare, in questa teoria viene risolta la famosa instabilità BKL, che la soluzione cosmologica di fondo omogenea e isotropa sia instabile alla crescita di stress anisotropi. Inoltre, le perturbazioni della curvatura seminate nella contrazione della materia sono in grado di formare uno spettro di potenza primordiale quasi invariante di scala e quindi forniscono un meccanismo coerente per spiegare le osservazioni del fondo cosmico a microonde (CMB).

Alcune fonti sostengono che i buchi neri supermassicci lontani, le cui grandi dimensioni sono difficili da spiegare così presto dopo il Big Bang, come ULAS J1342+0928 , potrebbero essere la prova di un Big Bounce, con questi buchi neri supermassicci che si sono formati prima del Big Bounce.

Guarda anche

Riferimenti

  1. ^ a b Brandenberger, Robert; Pietro, Patrizio (2017). "Rimbalzare le cosmologie: progressi e problemi". Fondamenti di fisica . 47 (6): 797-850. arXiv : 1603.05834 . Bibcode : 2017FoPh...47..797B . doi : 10.1007/s10701-016-0057-0 . ISSN  0015-9018 . S2CID  118847768 .
  2. ^ Kragh, Helge (1996). Cosmologia . Princeton, NJ: Princeton University Press . ISBN 978-0-691-00546-1.
  3. ^ McKee, Maggie (25 settembre 2014). "Ingegnoso: Paul J. Steinhardt - Il fisico di Princeton su cosa c'è di sbagliato nella teoria dell'inflazione e la sua visione del Big Bang" . Nautilus (17). NautilusThink Inc . Estratto il 31 marzo 2017 .
  4. ^ Steinhardt, Paul J.; Turok, Neil (2005). "Il modello ciclico semplificato". Nuove recensioni di astronomia . 49 (2–6): 43–57. arXiv : astro-ph/0404480 . Bibcode : 2005NewAR..49...43S . doi : 10.1016/j.newar.2005.01.003 . ISSN  1387-6473 . S2CID  16034194 .
  5. ^ Lehners, Jean-Luc; Steinhardt, Paul J. (2013). "I risultati di Planck 2013 supportano l'universo ciclico". Revisione fisica D . 87 (12): 123533. arXiv : 1304.3122 . Bibcode : 2013PhRvD..87l3533L . doi : 10.1103/PhysRevD.87.123533 . ISSN  1550-7998 . S2CID  76656473 .
  6. ^ Overduin, James; Hans-Joachim Blome; Josef Hoell (giugno 2007). "Wolfgang Priester: dal grande rimbalzo all'universo dominato da Λ". Naturwissenschaften . 94 (6): 417-429. arXiv : astro-ph/0608644 . Bibcode : 2007NW.....94..417O . doi : 10.1007/s00114-006-0187-x . PMID  17146687 . S2CID  9204407 .
  7. ^ Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parampreet (2006-04-12). "Natura quantistica del Big Bang" . Lettere di revisione fisica . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  8. ^ Ashtekar, Abhay; Singh, Parampreet (2011-11-07). "Cosmologia quantistica loop: un rapporto sullo stato". Gravità classica e quantistica . 28 (21): 213001. arXiv : 1108.0893 . Bibcode : 2011CQGra..28u3001A . doi : 10.1088/0264-9381/28/21/213001 . ISSN  0264-9381 . S2CID  119209230 .
  9. ^ Bojowald, Martin (2007). "Cos'è successo prima del Big Bang?" . Fisica della natura . 3 (8): 523-525. Bibcode : 2007NatPh...3..523B . doi : 10.1038/nphys654 .
  10. ^ Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008-04-23). "Rimbalzo quantico e richiamo cosmico" . Lettere di revisione fisica . 100 (16): 161302. arXiv : 0710.4543 . Bibcode : 2008PhRvL.100p1302C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.161302 . PMID  18518182 . S2CID  40071231 .
  11. ^ Kamiński, Wojciech; Pawłowski, Tomasz (2010-04-15). "Richiamo cosmico e l'immagine di dispersione della cosmologia quantistica a loop" . Revisione fisica D . 81 (8): 084027. arXiv : 1001.2663 . Bibcode : 2010PhRvD..81h4027K . doi : 10.1103/PhysRevD.81.084027 . S2CID  44771809 .
  12. ^ Ashtekar, Abhay; Corichi, Alejandro; Singh, Parampreet (2008). "Robustezza delle caratteristiche chiave della cosmologia quantistica del ciclo". Revisione fisica D . 77 (2): 024046. arXiv : 0710.3565 . Bibcode : 2008PhRvD..77b4046A . doi : 10.1103/PhysRevD.77.024046 . S2CID  118674251 .
  13. ^ David Adam (14 agosto 2003). "La strana storia di Peter Lynds" . Il Guardiano .
  14. ^ "I ricercatori della Penn State guardano oltre la nascita dell'universo" . Scienza quotidiana . 17 maggio 2006.Riferendosi ad Ashtekar, Abhay; Pawlowski, Tomasz; Singh, Parmpreet (2006). "Natura quantistica del Big Bang". Lettere di revisione fisica . 96 (14): 141301. arXiv : gr-qc/0602086 . Bibcode : 2006PhRvL..96n1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.141301 . PMID  16712061 . S2CID  3082547 .
  15. ^ Penrose, R. (2010). Cicli del tempo: una straordinaria nuova visione dell'universo. Casa casuale
  16. ^ Poplawski, New Jersey (2012). "Cosmologia non singolare, grande rimbalzo dall'accoppiamento spinore-torsione". Revisione fisica D . 85 (10): 107502. arXiv : 1111.4595 . Bibcode : 2012PhRvD..85j7502P . doi : 10.1103/PhysRevD.85.107502 . S2CID  118434253 .
  17. ^ Cai, Yi-Fu; Damien Easson; Robert Brandenberger (2012). "Verso una cosmologia rimbalzante non singolare". Giornale di cosmologia e fisica delle astroparticelle . 2012 (8): 020. arXiv : 1206.2382 . Bibcode : 2012JCAP...08..020C . doi : 10.1088/1475-7516/2012/08/020 . S2CID  118679321 .
  18. ^ Landau, Elisabetta; Bañados, Eduardo (6 dicembre 2017). "Trovato: buco nero più distante" . NASA . Estratto il 6 dicembre 2017 . "Questo buco nero è cresciuto molto più di quanto ci aspettassimo in soli 690 milioni di anni dopo il Big Bang, il che sfida le nostre teorie su come si formano i buchi neri", ha detto il coautore dello studio Daniel Stern del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California.
  19. ^ Jamie Seidel (7 dicembre 2017). "Il buco nero all'alba dei tempi sfida la nostra comprensione di come si è formato l'universo" . Notizie Corp Australia . Estratto il 9 dicembre 2017 . Aveva raggiunto le sue dimensioni appena 690 milioni di anni dopo il punto oltre il quale non c'è nulla. La teoria scientifica più dominante degli ultimi anni descrive quel punto come il Big Bang, un'eruzione spontanea della realtà come la conosciamo da una singolarità quantistica. Ma un'altra idea ha recentemente guadagnato peso: che l'universo passa attraverso espansioni e contrazioni periodiche, risultando in un "Big Bounce". E l'esistenza dei primi buchi neri è stata prevista per essere una chiave rivelatrice della validità o meno dell'idea. Questo è molto grande. Per raggiungere le sue dimensioni, 800 milioni di volte più massa del nostro Sole, deve aver ingoiato un sacco di cose. ... Per quanto ne sappiamo, l'universo semplicemente non era abbastanza vecchio a quel tempo per generare un simile mostro.
  20. ^ Staff di Youmagazine (8 dicembre 2017). "Un buco nero più antico dell'Universo" (in greco). You Magazine (Grecia) . Estratto il 9 dicembre 2017 . Questa nuova teoria che accetta che l'Universo stia attraversando espansioni e contrazioni periodiche si chiama "Big Bounce"

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