La gravità quantistica a loop: l'universo come un tessuto

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).

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)

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.

Traduzione a cura di Arthur McPaul

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Una Nuova interpretazione del Paradosso di Fermi

Nel 1950, il fisico italiano Enrico Fermi sollevò una celebre questione che oggi porta ancora il suo nome: "Se esistono  civiltà intelligenti in altre parti dell'Universo, con tecnologie che superano di gran lunga la nostra, perché non vediamo alcun segno di loro?" Da allora, il cosiddetto "Paradosso di Fermi" ha lasciato perplessi gli astronomi e gli scrittori di fantascienza. Nonostante molti tentativi di ovviare al problema, nessuno fin d'ora è riusciuto a trovare una soluzione coerente.

In questi giorni però, grazie alla carta dei professori Igor Bezsudnov e Andrey Snarskii dell'Università tecnica nazionale dell'Ucraina, è stato proposto un nuovo approcio al problema. Il loro approccio è di assumere che una civiltà extraterrestre si svilupperebbe fino a occupare un certo volume di spazio per poi crollare e svanire. Hanno anche suggerito che le civiltà hanno un tempo caratteristico di vita, inversamente proporzionale alla loro espansione. In determinate circostanze, tuttavia, quando le civiltà sono abbastanza vicine nel tempo e nello spazio, potrebbero venire in contatto l'un l'altra e quando questo succede la fertilizzazione incrociata di idee e culture, consentirebbe ad entrambe di prosperare, aumentando la loro speranza di vita.

Bezsudnov e Snarskii sottolineano che questo processo di diffusione nello spazio potrebbe essere facilmente modellato utilizzando cellule autonome. Hanno creato il proprio universo con un 10.000 x 10.000 cellule autonome che eseguirebbero oltre 320.000 passaggi. I parametri che governano l'evoluzione di questo universo sono semplici: la probabilità di formazione di una civiltà, la durata della vita normale di una tale civiltà e il tempo extra ottenuto quando si incontrano due di esse. Il risultato dà una nuova comprensione del paradosso di Fermi. Bezsudnov e Snarskii dicono che per certi valori di questi parametri, l'universo subisce un cambiamento di fase da quello in cui le civiltà tendono a non rispondere a quello in cui diventano civilizzate e i diversi gruppi si incontrano e si sviluppano.

Bezsudnov e Snarskii presuppongono anche una disparità per soddisfare un universo civilizzato. Questo concetto,  è analogo alla famosa equazione di Drake, che cerca di quantificare il numero di altre civiltà nell'universo contattabili al momento. La questione, è legata al tipo di universo in cui viviamo: i suoi parametri sono maturi per l'evoluzione di un'unica civiltà cosmica o siamo condannati ad essere per sempre soli? Bezsudnov e Snarskii dicono infine che c'è un solo modo per scoprirlo: aspettare e vedere.

Traduzione a cura di Arthur McPaul

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Svelato il mistero della costruzione di Stonhenge?

Una nuova ricerca afferma che per la costruzione del celebre monumento di Stonehenge, potrebbero essere stati utilizzati dei ciscinetti a sfera. La tecnica utilizzata sarebbe la stessa che permette oggi ai veicoli e a svariati macchinari di eseguire spostamenti anche molto pesanti e che avrebbe trasportato pietre pesanti svariate tonnnellate sino al sito di costruzione.

Gli scienziati hanno dimostrato che delle palle poste in scanalature in tronchi di legno avrebbero permesso il facile spostamento delle pietre.

Nessuno aveva mai spiegato quale tecnica fosse stata utlilzzata per spostare gli enormi macigni dalle cave di Salisbury. Alcuni lastroni, pesanti fino a quattro tonnellate ciascuno sono stati portati ad una distanza di 150 miglia dal Galles. I tentativi di ricostruire il trasporto dei blocchi su rulli di legno o tramite zattere galleggianti sul mare non ha dato risultati convincenti. Inoltre non sono presenti tracce sul terreno lasciate dal trasporto.

La nuova idea è sorta agli studiosi dopo che hanno esaminato delle misteriose palle di pietra trovate nelle vicinanze di monumenti come Stonehenge e Aberdeenshire in Scozia.

Quello che ha colpito la loro attenzione era soprattutto il fatto che avessero la stessa dimensione, più o meno di qualche millimetro. Ciò suggerisce che fossero destinate ad essere utilizzate insieme in qualche modo, piuttosto che individualmente.

I cerchi di pietra scozzesi sono simili nella forma a Stonehenge, ma contengono alcune pietre molto più grandi.

Per testare la teoria, i ricercatori dell'Università di Exeter hanno costruito un modello in cui sono state inserite palline di legno nelle scanalature scavate in alcune tavole di legno.

Pesanti lastre di cemento sono state poste su una piattaforma, tenute in posizione da altri elementi in legno, verificando come il tutto potesse essere spostato con facilità.

L'archeologo Andrew Young, che ha descritto l'esperimento, si è anche seduto sulla cima delle lastre per fornire peso extra e ha affermato: "Il vero test è avvenuto quando un collega ha usato il suo dito indice per spostarle. Una semplice pressione e le lastre si son mosse in avanti. Questo metodo basato sulle sfere che spostano oggetti pesanti e di grandi dimensioni potrebbe essere una valida spiegazione di come quell pietre giganti siano realmente state spostate".

Gli studiosi mettono in pratica l'esperimento delle sfere di pietra

(Credit: Image courtesy of University of Exeter)

Il team ha continuato a effettuare un test a grandezza naturale finanziata da un produttore televisivo americano.

Per ridurre i costi, gli scienziati hanno usato un legno morbido e relativamente "verde", piuttosto che la dura quercia che sarebbe stata abbondante nel neolitico, quando l'Inghilterra era coperta di foreste.

Questa volta, i ricercatori hanno usato granito a forma di sfere e palline di legno.

I risultati hanno dimostrato che la tecnica avrebbe permesso di spostare pesi molto pesanti per lunghe distanze. Il Professor Bruce Bradley, direttore di archeologia sperimentale presso l'Università di Exeter, ha detto: "Il test ha dimostrato che pietre grandi potevano essere spostate con questo sistema del cuscinetto a sfere con circa 10 buoi fino a 10 miglia al giorno. Questo metodo ha anche un impatto duraturo sul paesaggio, lasciando le tracce dei cuscinetti mentre vengono spostate lungo la linea.

Le popolazioni del Neolitico erano note per tagliare tavole lunghe in legno, che hanno usato come passaggi pedonali attraverso le paludi", ha sottolineato il prof. Bradley.

"Anche se i test non dimostrano per certo che il metodo del cuscinetto a sfere è stato utilizzato, mostrano "il concetto di lavoro", ha detto.

Inoltre ha aggiunto: "Questa è una cosa assolutamente nuova, perché le idee precedenti non sono state particolarmente efficaci per dimostrare il trasporto di grossi massi e ha lasciato domande senza risposte, circa la documentazione archeologica che avrebbero dovuto lasciare alle spalle."

La prossima fase del progetto sarà fornire la prova matematica di quanta forza sia necessaria per mantenere una pietra in movimento.

In ultima analisi, gli scienziati sperano di condurre un esperimento su vasta scala in Aberdeenshire utilizzando materiali autentici, come palle di pietra e una coppia di buoi.

A cura di Arthur McPaul

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Frammenti meteorici di un misterioso "proto-pianeta"

Un misterioso oggetto protoplanetario, ricco di isotopi disomogenei di ossigeni, è il progenitore di numerosi frammenti meteorici ritrovati in Sudan.

Doug Rumble della Carnegie Geophysical in collaborazione con Muawia Shaddad dell'Università di Khartoum, hanno esaminato un frammento di asteroide, chiamato 2008 TC3, determinando che deriva da una categoria molto rara di meteoriti chiamati "ureilites".
Gli ureilites hanno una composizione molto diversa dalla maggior parte dei meteoriti più comuni.
Si ritiene infatti che questa famiglia meteoritica possa aver avuto origine dallo stesso corpo genitore, presumibilmente un proto-pianeta.
Rumble ha ampliato il suo lavoro per esaminare altri 11 frammenti di meteorite, con particolare attenzione per la presenza di isotopi di ossigeno. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno neutroni in più nei loro nuclei.

Rumble ha spiegato: "Gli isotopi di ossigeno possono essere utilizzati per identificare il corpo padre del meteorite e determinare se tutti i frammenti provengano effettivamente dalla stessa fonte. Alcuni corpi del Sistema Solare come Vesta, la Luna, Marte e gli asteroidi di grandi dimensioni hanno una firma distintiva di isotopi di ossigeno che possono essere riconosciuti anche quando altri fattori, quali la composizione chimica e il tipo di roccia, si presentassero differeti tra loro".

Rumble e il suo team hanno predisposto questi 11 piccoli frammenti di meteorite in una camera di reazione in cui sono stati riscaldati con un laser per liberare l'ossigeno misurato con uno spettrometro di massa, al fine di stimare le concentrazioni di questi isotopi di ossigeno.
I risultati hanno mostrato che l'intera gamma di isotopi di ossigeno presenti nelle ureilites erano presenti anche nei frammenti studiati.

"Era già noto che i frammenti nel deserto nubiano provenissero dallo stesso asteroide, ma adesso sappiamo che l'asteroide originario aveva anche una diversità di isotopi di ossigeno", spiega Rumble.
Tale diversità degli isotopi di ossigeno deriva probabilmente dalle circostanze in cui si è originato il corpo del genitore. Rumble teorizza che i componenti di questa roccia madre siano stati riscaldati al punto di fusione e poi raffreddati così rapidamente in cristalli, che gli isotopi di ossigeno presenti non si sono potuti distribuire in modo uniforme.

Questo studio è stato sostenuto attraverso una sovvenzione dal programma Cosmochemistry della NASA, una borsa di studio dalla NASA nell'ambito del programma Planetario di Geologia e Geofisica e una borsa di studio del programma della NASA Planetary Astronomy. I campioni sono stati messi a disposizione dall'Università di Khartoum.

A questo punto le domande che sorgono sono innumerevoli. Qual è il diametro di questo oggetto? E' ancora in orbita nel Sistema Solare? Qual è la sua massa? Potrebbe essere parte del mitico oggetto che si schiantò contro la Terra oltre 4,5 miliardi di anni fa dando vita alla Luna? Si tratta forse di un asteroide non ancora noto di grande massa?

Speriamo presto che gli scienziati che si stanno occupando del caso possano presto rispondere a queste e ad altre interessanti domande in merito.

Traduzione a cura di Arthur McPaul

Fonte:
"http://www.sciencedaily.com/releases/2010/12/101215151305.htm"