Come è stato il Big Bang e cosa è successo prima? Gli scienziati della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia hanno tentato di rispondere alla domanda con un nuovo modello nell'ambito della gravità quantistica a loop. Il loro modello è uno dei pochi che descrive in pieno i primordi dell'Universo con la fisica di Einstein della relatività generale.
"Le soluzioni applicate permettono di tracciare l'evoluzione dell'Universo in un modo più accettabile fisicamente che nel caso dei precedenti modelli cosmologici", spiega il Prof. Jerzy Lewandowski presso la Facoltà di Fisica, Università di Varsavia (FUW).
Mentre la teoria generale della relatività è applicata per descrivere l'universo su scala cosmologica, la meccanica quantistica è applicata per descrivere la realtà su scala atomica. Entrambe le teorie sono state sviluppate nel 20esimo secolo. La loro validità è stata successivamente confermata dagli esperimenti altamente sofisticati e dalle osservazioni. Il problema sta nel fatto che le teorie si escludono a vicenda. Secondo la teoria della relatività generale, la realtà è sempre univocamente determinata (come nella meccanica classica).
"Le soluzioni applicate permettono di tracciare l'evoluzione dell'Universo in un modo più accettabile fisicamente che nel caso dei precedenti modelli cosmologici", spiega il Prof. Jerzy Lewandowski presso la Facoltà di Fisica, Università di Varsavia (FUW).
Mentre la teoria generale della relatività è applicata per descrivere l'universo su scala cosmologica, la meccanica quantistica è applicata per descrivere la realtà su scala atomica. Entrambe le teorie sono state sviluppate nel 20esimo secolo. La loro validità è stata successivamente confermata dagli esperimenti altamente sofisticati e dalle osservazioni. Il problema sta nel fatto che le teorie si escludono a vicenda. Secondo la teoria della relatività generale, la realtà è sempre univocamente determinata (come nella meccanica classica).
Tuttavia, il tempo e lo spazio svolgono un ruolo attivo negli eventi e sono essi stessi soggetti alle equazioni di Einstein. Secondo la fisica quantistica, d'altra parte, si può solo acquisire una conoscenza approssimativa della natura. Una previsione può essere fatta solo con una probabilità, la sua precisione è limitata dalle propriet intrinseche. Ma le leggi e le teorie quantistiche non si applicano allo tempo e allo spazio. Tali contraddizioni sono irrilevanti in condizioni standard, le galassie non sono soggette a fenomeni quantistici e la gravità quantistica gioca un ruolo minore nel mondo degli atomi e delle particelle. Tuttavia, gli effetti della gravità quantistica e le necessità di unire condizioni simili si necessitano per la teoria del Big Bang.
I tradizionali modelli cosmologici descrivono l'evoluzione dell'Universo, nel quadro della teoria generale della relatività stessa. Le equazioni alla base della teoria suggeriscono che l'universo è una creazione dinamica, in costante espansione. Quando i teorici tentarono di scoprire quello che l'Universo è stato in passato, raggiunsero lo stadio in cui la densità e la temperatura del modello diventavano infiniti, in altre parole, perdevano il loro senso fisico. Così, gli infiniti possono essere solo indicativi delle debolezze della teoria precedente e il momento del Big Bang non rappresenta più la nascita dell'Universo.
Al fine di ottenere almeno una certa conoscenza della gravità quantistica, gli scienziati costruiscono modelli semplificati noti come modelli cosmologici quantum, in cui sono spazio-tempo e materia sono espressi soltanto in un unico valore o alcuni valori. Per esempio, il modello sviluppato da Ashtekar, Bojowald, Lewandowski, Pawłowski Singh e predice che la gravità quantistica previene l'aumento della densità di energia nella materia oltre un certo valore critico (dell'ordine della densità di Planck). Di conseguenza, ci deve essere stato un universo in contrazione prima del Big Bang. Quando la densità di materia aveva raggiunto il valore critico, è stata seguita da una rapida espansione nota come il Big Bounce. Tuttavia, il modello è un modello molto semplificato.
La vera risposta al mistero del Big Bang si trova in una teoria quantistica unificata della materia e della gravità. Un tentativo di sviluppo di tale teoria è la gravità quantistica a loop (LQG). La teoria sostiene che lo spazio è tessuto dai fili unidimensionale. "E' proprio come nel caso di un tessuto, anche se è apparentemente regolare a distanza, risulta evidente a distanza ravvicinata che si compone di una rete di fibre", descrive Wojciech Kamiński, MSc da FUW.
Tale spazio sarebbe come un bel tessuto, su una superficie di un centimetro quadrato che è composto da 10 elevato 66 fili. I fisici Marcin Domagala, Wojciech Jerzy Kamiński e Lewandowski, insieme a Kristina Giesel presso l'Università della Louisiana (guest), hanno sviluppato il proprio modello nell'ambito della gravità quantistica a loop. I punti di partenza per il modello sono due campi, uno dei quali è un campo gravitazionale.
"Grazie alla teoria della relatività generale sappiamo che la gravità è la geometria stessa dello spazio-tempo. Possiamo quindi dire che il nostro punto di partenza è uno spazio tridimensionale", spiega Marcin Domagala, PhD (FUW)
"Grazie alla teoria della relatività generale sappiamo che la gravità è la geometria stessa dello spazio-tempo. Possiamo quindi dire che il nostro punto di partenza è uno spazio tridimensionale", spiega Marcin Domagala, PhD (FUW)
Il secondo punto di partenza è un campo scalare, un oggetto matematico in cui è attribuito un particolare valore per ogni punto nello spazio. Nel modello proposto, i campi scalari sono interpretati come la forma più semplice della materia. I campi scalari sono noti in fisica da anni, si applicano, tra gli altri, per descrivere la distribuzione della temperatura e della pressione nello spazio. "Abbiamo optato per un campo scalare, in quanto è la caratteristica tipica dei modelli cosmologici contemporanei e il nostro obiettivo è quello di sviluppare un modello che costituirebbe un ulteriore passo avanti nella ricerca della gravità quantistica", osserva il Prof. Lewandowski.
Nel modello sviluppato dai fisici da Varsavia, il tempo emerge come il rapporto tra il campo gravitazionale (spazio) e il campo scalare, un momento nel tempo è dato dal valore del campo scalare.
"Abbiamo posto la questione sulla forma dello spazio in un dato valore del campo scalare e le equazioni quantistiche di Einstein forniscono la risposta", spiega il Prof. Lewandowski.
Così, il fenomeno del passaggio del tempo emerge come proprietà dello stato dei campi gravitazionali e scalari e la comparsa di un tale stato corrisponde alla nascita del noto spazio-tempo. "E' degno di nota che il tempo non esiste, all'inizio del modello. Non succede niente. Le azioni e le dinamiche appaiono come l'interrelazione tra i campi, quando ci si comincia a porre domande su come un oggetto si riferisce ad un altro", spiega il Prof. Lewandowski.
I fisici del FUW hanno reso possibile una descrizione più accurata dell'evoluzione dell'Universo. Considerando che i modelli basati sulla teoria della relatività generale sono semplificati e assumono che il campo gravitazionale in ogni punto dell'Universo è identico o soggetto a lievi modifiche, il campo gravitazionale nel modello proposto potrebbe essere diverso in diversi punti dello spazio.
La costruzione teorica proposta è il primo modello avanzato caratterizzato da una coerenza matematica molto forte. Essa si presenta come la naturale continuazione della ricerca sulla quantizzazione della gravità, in cui è derivata ogni nuova teoria dalle teorie classiche. A tal fine, i fisici applicano alcuni algoritmi, noti come quantizzazioni.
"Purtroppo per i fisici, gli algoritmi sono tutt'altro che precisi. Per esempio, uno spazio di Hilbert ha bisogno di un algoritmo per essere costruito, ma non sono fornite indicazioni", spiega Marcin Domagala, MSc. "Noi siamo riusciti a effettuare una quantizzazione piena e abbiamo ottenuto uno dei pochi modelli possibili".
C'è ancora molta strada da fare, secondo il Prof. Lewandowski: "Abbiamo sviluppato un meccanismo teorico da cui possiamo cominciare a rispondere gradualmente alle domande."
I teorici della FUW intendono tra l'altro verificare se il Big Bounce si verifica effettivamente nel loro modello. "In futuro, cercheremo di inserire nel modello ulteriori campi del Modello Standard delle particelle elementari. Siamo curiosi noi stessi di scoprire che cosa accadrà", dice il Prof. Lewandowski.
Nel modello sviluppato dai fisici da Varsavia, il tempo emerge come il rapporto tra il campo gravitazionale (spazio) e il campo scalare, un momento nel tempo è dato dal valore del campo scalare.
"Abbiamo posto la questione sulla forma dello spazio in un dato valore del campo scalare e le equazioni quantistiche di Einstein forniscono la risposta", spiega il Prof. Lewandowski.
Così, il fenomeno del passaggio del tempo emerge come proprietà dello stato dei campi gravitazionali e scalari e la comparsa di un tale stato corrisponde alla nascita del noto spazio-tempo. "E' degno di nota che il tempo non esiste, all'inizio del modello. Non succede niente. Le azioni e le dinamiche appaiono come l'interrelazione tra i campi, quando ci si comincia a porre domande su come un oggetto si riferisce ad un altro", spiega il Prof. Lewandowski.
I fisici del FUW hanno reso possibile una descrizione più accurata dell'evoluzione dell'Universo. Considerando che i modelli basati sulla teoria della relatività generale sono semplificati e assumono che il campo gravitazionale in ogni punto dell'Universo è identico o soggetto a lievi modifiche, il campo gravitazionale nel modello proposto potrebbe essere diverso in diversi punti dello spazio.
La costruzione teorica proposta è il primo modello avanzato caratterizzato da una coerenza matematica molto forte. Essa si presenta come la naturale continuazione della ricerca sulla quantizzazione della gravità, in cui è derivata ogni nuova teoria dalle teorie classiche. A tal fine, i fisici applicano alcuni algoritmi, noti come quantizzazioni.
"Purtroppo per i fisici, gli algoritmi sono tutt'altro che precisi. Per esempio, uno spazio di Hilbert ha bisogno di un algoritmo per essere costruito, ma non sono fornite indicazioni", spiega Marcin Domagala, MSc. "Noi siamo riusciti a effettuare una quantizzazione piena e abbiamo ottenuto uno dei pochi modelli possibili".
C'è ancora molta strada da fare, secondo il Prof. Lewandowski: "Abbiamo sviluppato un meccanismo teorico da cui possiamo cominciare a rispondere gradualmente alle domande."
I teorici della FUW intendono tra l'altro verificare se il Big Bounce si verifica effettivamente nel loro modello. "In futuro, cercheremo di inserire nel modello ulteriori campi del Modello Standard delle particelle elementari. Siamo curiosi noi stessi di scoprire che cosa accadrà", dice il Prof. Lewandowski.
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