Nella sua ultima carta di cosmologia, Stephen Hawking e il suo collega più giovane aggredito dell’inflazione cosmica e malcontento.,
Jason Bye/Writer Pictures via AP Images
Quando Stephen Hawking morì il 14 marzo, il famoso fisico teorico aveva ancora alcuni documenti in lavorazione. Oggi, il Journal of High Energy Physics ha pubblicato il suo ultimo lavoro in cosmologia—la scienza di come l’universo è nato e si è evoluto. (Altri documenti sui buchi neri sono ancora in preparazione., Nel nuovo articolo, Hawking e Thomas Hertog, un fisico teorico dell’Università Cattolica di Lovanio (KU) in Belgio, tentano di infilare un perno in un bizzarro concetto chiamato inflazione eterna, il che implica—inevitabilmente, secondo alcuni fisici—che il nostro universo è solo uno degli infiniti in un multiverso. Prendendo in prestito un concetto dalla teoria delle stringhe, Hawking e Hertog sostengono che non esiste un’inflazione eterna e un solo universo. Ma quello che stanno guidando è qualcosa di ancora più semplice: stanno sostenendo che il nostro universo non ha mai avuto un momento singolare di creazione.,
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Iniziamo con le basi: cos’è l’inflazione cosmica?
L’inflazione cosmica è uno scatto di crescita monumentale che presumibilmente ha allungato l’universo infantile durante la prima frazione di secondo. Sognato nel 1979 dal teorico americano Alan Guth, l’inflazione sostiene che subito dopo il big bang, lo spazio si estendeva in modo esponenziale, raddoppiando le dimensioni dell’universo ancora e ancora almeno 60 volte prima di rallentare drasticamente.
Perché i cosmologi dovrebbero credere in qualcosa di così bizzarro?,
L’inflazione risolve un grande enigma: perché l’universo è così uniforme? Ad esempio, lo spazio è pieno di radiazioni persistente dal big bang, lo sfondo cosmico a microonde (CMB). Ha quasi esattamente la stessa temperatura ovunque nel cielo. Questo è strano, poiché i punti ampiamente separati sembrano a prima vista essere troppo distanti per qualsiasi influenza da raggiungere da uno all’altro nei 13,8 miliardi di anni in cui l’universo è stato intorno. L’inflazione risolve quel puzzle implicando che tutti i punti del cielo sono iniziati abbastanza vicini da interagire, e poi sono stati allungati molto distanti.,
È tutto ciò che l’inflazione fa?
Ironia della sorte, l’inflazione fa anche un ottimo lavoro nel spiegare perché l’universo non è completamente uniforme. Ovviamente, lo spazio è costellato di galassie. Secondo la teoria, l’inflazione allungò le fluttuazioni quantistiche infinitesimali in quei primi momenti a dimensioni extragalattiche. Le fluttuazioni hanno poi prodotto variazioni nella densa zuppa di particelle fondamentali che hanno seminato la formazione delle galassie. L’inflazione prevede un particolare spettro di fluttuazioni più lunghe e più brevi. Sorprendentemente, gli studi della CMB e delle galassie confermano questa distribuzione.,
L’inflazione cosmica postula che l’universo infantile abbia subito una crescita sbalorditiva, allungando istantaneamente le increspature subatomiche alla scala cosmica.
WMAP Science Team/NASA
Quindi qual è l’inflazione eterna?
Ecco dove il concetto di inflazione si imbatte in problemi propri. I fisici non amano profondamente l’idea che l’inflazione si fermerebbe improvvisamente, senza una ragione particolare., Preferirebbero avere un meccanismo che spieghi cosa ha spinto l’inflazione e poi l’ha fatta fermare. Ecco perché presumono che una sorta di campo quantico lo abbia guidato, prima di esaurirsi. L’idea è che il campo inizi in uno stato di “falso vuoto” solo approssimativamente stabile e di energia superiore in cui lo spazio si estende in modo esponenziale. Si rilassa quindi al suo vero stato di energia più basso, in cui lo spazio si espande molto più lentamente.
Lo scenario funziona un po ‘ troppo bene, tuttavia., Il falso vuoto in espansione esponenziale produce sempre più di se stesso, quindi c’è sempre più spazio che si espande ad un ritmo incredibilmente veloce. Il nostro universo è una patch che ha subito la transizione allo stato di vuoto vero a bassa energia. Ma tali transizioni dovrebbero avvenire casualmente, quindi dovrebbero esserci anche molti altri universi. In effetti, il processo dovrebbe produrre una quantità sempre crescente di spazio che sta crescendo a un ritmo esponenziale, condito da un numero infinito di “universi tascabili” che crescono più lentamente.
È un problema?
Dipende da chi chiedi., Al livello più elementare, l’esistenza di tutti questi altri universi non influenzerebbe il nostro universo. Sono troppo lontani per avere un legame con i nostri. D’altra parte, la nozione di inflazione eterna e un multiverso può ostacolare l’intera impresa dei cosmologi di spiegare perché l’universo è così com’è, dice Hertog. Cose come i valori di alcune costanti fisiche chiave potrebbero variare in modo casuale tra gli universi tascabili, dice, il che renderebbe discutibile qualsiasi sforzo per spiegare perché hanno i valori che fanno nel nostro universo., Sarebbero impostati per caso casuale, dice Hertog, e questo non è molto soddisfacente.
Quindi, in che modo la carta di Hawking e Hertog risolve il problema?
Hawking e Hertog sostengono che, in realtà, l’inflazione eterna non si verifica. Per fare ciò, prendono in prestito un concetto dalla teoria delle stringhe che consente loro di equiparare due diversi tipi di teorie con diverse dimensionalità. Nel 1997, il teorico argentino-americano Juan Maldacena considerava un volume di spazio in cui la gravità era al lavoro., Maldacena, che ora è presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, ha poi dimostrato che la teoria era equivalente a una teoria quantistica più facile da lavorare sul confine dello spazio che non includeva la gravità. È come dire che tutto ciò che accade all’interno di una lattina di soda può essere catturato da una teoria che descrive solo ciò che sta accadendo sulla superficie della lattina.
L’inflazione eterna emerge perché, nell’universo primordiale, le fluttuazioni quantistiche nel campo che guidano l’inflazione sono grandi quanto il valore medio del campo., Ma Hawking e Hertog sostengono che in quelle condizioni non si può semplicemente continuare con la teoria generale della relatività di Albert Einstein, ma invece si deve usare una manovra come quella di Maldacena per visualizzare l’intera situazione in uno spazio con una dimensione in meno. In quello spazio alternativo, le cose sono più trattabili, affermano, e la fisica non porta all’inflazione eterna. Invece, un singolo universo ben educato si fonde.
Quindi cosa ha a che fare con l’inizio dell’universo?
Ecco dove le cose si fanno interessanti—e difficili., Il concetto di equiparare una teoria all’altra in uno spazio con una dimensione in meno è noto ai fisici teorici come olografia. Nel suo lavoro, Maldacena equiparava una teoria all’altra in uno spazio con una dimensione spaziale in meno. Ma, sostiene Hertog, il principio dell’olografia consente ai teorici di abbandonare la dimensione del tempo, invece. Quindi nella teoria di Hawking e di Hertog, attraverso il principio dell’olografia, l’universo primordiale dovrebbe essere descritto da una teoria con solo tre dimensioni spaziali e senza tempo.
Ma perché vorresti liberarti del tempo?,
Da quando è diventato chiaro che l’universo ha avuto un inizio, il momento della sua nascita è stato un mal di testa per i teorici. In parole povere, la teoria generale della relatività di Einstein fa un ottimo lavoro di spiegare le cose dopo il momento del big bang, ma non può gestire l’istante della creazione stessa. Quel momento forma una “singolarità” nello spaziotempo—come una funzione matematica che esplode all’infinito—che fa inciampare la teoria. Quindi i teorici hanno a lungo cercato un modo per evitare quella singolarità—e perdere tempo sarebbe un modo per farlo.,
È un problema che ha affascinato Hawking tutta la sua carriera, Hertog dice. Decenni fa, ha suggerito una soluzione alternativa speculando che all’inizio, il tempo era, crudamente parlando, dimensionale, un’idea che non si intreccia con il nuovo lavoro.
Quindi questa è la fine dell’inflazione eterna e della singolarità del big bang?
Probabilmente no. Altri esamineranno l’invocazione di Hawking e Hertog della relazione che cambia dimensione. E anche se altri ricercatori lo trovano valido, c’è ancora una domanda importante a cui rispondere, riconosce Hertog., Se i teorici iniziano con una teoria con solo dimensioni spaziali, come esce finalmente il tempo da esso? ” Abbiamo lanciato un nuovo paradigma”, dice Hertog, ” ma c’è molto lavoro da fare.”
*Correzione, 3 maggio, ore 10: Questa storia è stata aggiornata per correggere il nome dell’Istituto di Studi Avanzati.
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