La teoria Loop Quantum Gravity ed il Bouncing Universe


    A luglio su Nature è uscita l'ultima teoria della saga cosmica intitolata “Universo: prima e dopo”.

    05/12/2007 Martin Bojowald assieme al suo team di ricerca della Pensilvania State university, hanno rispolverato una teoria "contro corrente", chiamata Loop Quantum Gravity (LQG) per descrivere i primissimi istanti di vita dell'Universo.

    Secondo questa teoria non solo l'Universo non sarebbe nato dalla pittoresca esplosione nota come Big Bang, ma dal rimbalzo (detto "bounce" in inglese) del collasso di un precedente universo.

    Questo rimbalzo sarebbe ciclico e si riproporrebbe infinite volte, tanto che sotto questa ottica il BigBang non sarebbe più l'origine dello spazio e del tempo come lo intendiamo noi, ma semplicemente un momento di passaggio tra un universo e l'altro, tra un rimbalzo e un altro.

    In questi termini il concetto di Big Bang e Big Crunch verrebbero soppiantati dal solo BigBounce.

    Un Universo siffatto assomiglierebbe ad una gigantesca molla, che si contrae e si espande infinite volte, rimbalzando ogni volta che collassa su se stessa, dando così luogo ad una nuova espansione.

    Il punto di partenza di questa teoria nasce dal tentativo di conciliare il modello standard del BigBang con la meccanica quantistica.

    I più esperti sapranno che si tratta dei due paradigmi antitetici per antonomasia nella fisica dell'unificazione.

    In particolare la Loop Quantum Gravity fa parte della famiglia di teorie chiamata "Gravità Canonica Quantistica"; questa teoria è stata sviluppata in parallelo alla quantizzazione a loop, facendo uso di una struttura matematica rigorosa della quantizzazione non perturbativa della teoria di Gauge a diffeomorfismo invariante.

    Dietro questa difficile definizione si cela una teoria quantistica della gravità in cui il vero spazio in cui accadono tutti i fenomeni fisici è quantizzato.

    In particolare la LQG è una teoria che si fonda sul concetto della quantizzazione dello spazio tempo mediante una teoria molto rigorosa, che fa capo alla quantizzazione a loop; in questo modo si conservano gli aspetti fondamentali della relatività generale ed allo stesso tempo si utilizza la quantizzazione dello spazio-tempo fino alla scala di Plank.

    Infatti l'adozione del paradigma del BigBang risolve si alcuni quesiti ed evidenze osservative, ma non risolve il fatto che essendo l'origine dello spazio e del tempo nell'istante iniziale tutta la massa dell'universo era concentrata in un volume pressoché nullo.

    Questa assunzione crea quella che in fisica si chiama singolarità o infinito.

    I fisici fin da bambini hanno sempre avuto paura degli infiniti, poiché quando si presentano significa che una teoria è da cambiare o quantomeno da riformulare (come insegna Popper).

    Il team americano ha quindi sviluppato una variante della QLG per ovviare alla singolarità iniziale, cercando di conciliare meccanica quantistica con relatività generale, al fine di estendere le leggi della meccanica classica relativistica, fino (ed oltre) l'istante del BigBang.

    L'assunzione da fare è che l'Universo a ridosso dei primissimi istanti rimbalzerebbe su se stesso senza mai arrivare alla dimensione puntiforme.

    Lo spazio tempo secondo la QLG sarebbe composto da maglie (anelli) di dimensione infinitesima (~10-35m) interconnessi tra loro a formare una fitta maglia spazio-dimensionale; ovviamente tali maglie macroscopicamente non sarebbero percepibili.

    A causa delle loro dimensioni finite, tali anelli possono contenere solo una quantità finita (non infinita) di energia, in questo modo si evita la singolarità del BigBang oramai solo punto di passaggio tra un rimbalzo ed un altro.

    La domanda dei fisici sorge spontanea: se le teorie fisiche sono valide anche durante il BigBounce, perché non dovrebbero esserlo anche prima? E' possibile andare a ritroso nel tempo fino a prima del BigBounce ed avere informazioni su uno o più universi precedenti?

    Bojowald ha tentato di eseguire questo calcolo ardito, attuando alcune semplificazioni al modello, ma si è arrestato proprio all'atto del BigBounce: Bojowald e team non sono quindi riusciti a scoprire come era l'universo precedente al nostro.

    La motivazione di questo fallimento sta nel fatto che sostanzialmente la teoria LQG si basa sulla meccanica quantistica in cui non è possibile conoscere con esattezza il valore di due parametri complementari in una osservazione (ad esempio la posizione e la quantità di moto di una particella).

    Analogamente nella LQG non è possibile conoscere il valore di due parametri complementari (come il volume dell'universo) presenti uno prima ed uno dopo il BigBounce.

    Secondo la teoria quindi gli universi precedenti avrebbero lasciato una flebile traccia nell'universo attuale dopo il BigBounce, ma talmente flebile e fluttuante da risultare indeterminata.

    Essenzialmente ad ogni transizione o rimablzo cosmico, la lavagna dei parametri cosmologici viene lavata e non vi resta sopra niente altro che della polvere di gesso.

    In questo modo è assicurata una conservazione del secondo principio della termodinamica e l'entropia totale dell'universo continua a crescere.

    In particolare ci si potrebbe chiedere come sono interconnesse le linee temporali: la freccia termodinamica e quella temporale andranno sempre nella stessa direzione?

    Se un universo si espande la materia tende verso la morte termica e quindi l'entropia tende ad aumentare; anche se psicologicamente può sembrare ardito, nel caso di un universo in contrazione esso comunque tenderebbe verso una entropia maggiore (N.B. I vasi di coccio che cadono da un tavolo non si ricomporrebbero come siamo abituati nei film di fantascienza, ma continuerebbero a rompersi).

    In tutto questo ragionamento gioca un ruolo fondamentale la freccia temporale, che risulta sempre diretta nella stessa direzione prima e dopo il rimbalzo, condizionando quindi sia la freccia termodinamica che quella psicologica.

    Ma il parametro temporale, come qualsiasi altra quantità fisica in questo discorso per essere inglobato nella teoria, deve assumere comunque connotati quantistici; quindi il comportamento del parametro temporale risulterà quello di un qualunque osservabile quantistico, cioè facente capo al principio di indeterminazione di Heisemberg.

    I pareri in merito alla teoria sono discordanti: John Barret dell'Università di Nottighnam asserisce che la LQG è una “torta cotta solo a metà”, che lascia più dubbi che certezze sulla sua validità.

    Il cosmologo Paul Steinhard di Princeton invece afferma che la teoria si basa su principi fondamentalmente corretti, mentre Thomas Tiemann del Max Plank Institute afferma che nonostante le semplificazioni adottate, il modello di Bojowald e colleghi è la migliore teoria mai elaborata sullo scenario pre BigBang.

    Sitografia

    Loop Quantum Gravity - Carlo Rovelli http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-1998-1/

    Loop Quantum Cosmology - Martin Bojowald http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2005-11/

    John Barret Quantum Gravity www.maths.nottingham.ac.uk/personal/jwb/

    Quantum Geometry and Quantum Gravity http://www.maths.nottingham.ac.uk/qg/index.html

    John Barret Home Page www.ma.ic.ac.uk/~jwb/

    Martin Bojowald Home Page www.phys.psu.edu/people/display/index.html?person_id=417

    Bibliografia

    P. J. E. Peebles, "Principles of Physical Cosmology" J. A. Peacock, "Cosmological Physics" T. Padmanabhan, "Structure Formation in the Universe" L. Smolin, "Three Roads to Quantum Gravity" G. W. Gibbons & S. W. Hawking, "Euclidean Quantum Gravity"



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