Il Modello ciclico

di Francesca Diodati

Tutti ormai accettiamo il Big Bang, il grande scoppio che diede origine a tutto ciò che esiste. Ma cosa ha causato lo scoppio? E prima cosa c’era? La cosmologia non standard tenta di rispondere in modo scientifico a queste domande che attanagliano da sempre l’umanità.

All’inizio tutta la materia dell’universo era concentrata in un solo punto. Poi ci fu una grande esplosione, e lo spazio cominciò ad espandersi, portando con se la materia, che col tempo formò le stelle, i pianeti, le comete, gli esseri umani…Questa è in breve la teoria cosmologica ormai ampiamente accettata, tanto da meritarsi il titolo di Modello Standard. Ma nonostante le diverse prove che lo sostengono, chi riesce a non chiedersi: E prima del Big Bang, cosa c’era? La risposta che viene generalmente data è che tali questioni non sono di pertinenza del modello. La domanda però è imprescindibile per gli esseri umani, e ovviamente attanaglia anche gli scienziati, alcuni dei quali propongono teorie alternative, che pur non escludendo a priori il Big Bang spiegano diversamente la creazione e il funzionamento del cosmo. E se l’universo fosse sempre esistito? Non in modo stazionario e immutabile, come previsto ad esempio dalla Teoria dello Stato Stazionario (ormai dai più considerata obsoleta a seguito di osservazioni quali soprattutto la radiazione cosmica di fondo), ma in costante movimento, attraversando fasi cicliche che si ripetono all’infinito. I fisici Paul Steinhardt e Neil Turok, Università di Princeton il primo, Università di Cambridge il secondo, hanno proposto proprio questo.

Secondo il loro Modello Ciclico, presentato per la prima volta nel 2001, all’inizio di ciascun ciclo l’Universo si riempie di materia e radiazioni calde e dense, avviando un periodo di espansione e raffreddamento come quello che seguirebbe il Big Bang nel Modello Standard. Dopo 14 miliardi di anni l’espansione cosmica inizia ad accelerare, un fenomeno che gli astronomi effettivamente hanno recentemente osservato. Dopo migliaia di miliardi di anni, la materia e la radiazione si sono quasi del tutto dissipate e l’espansione si arresta. A quel punto, un campo energetico che pervade l’Universo crea nuova materia e nuova radiazione, permettendo di avviare un nuovo ciclo. Questa teoria potrebbe dare una risposta alle tante domande ai tanti problemi irrisolti del modello del Big Bang, che hanno dominato la cosmologia per decenni, come appunto, cosa ha attivato il tempo, o cosa c’eraprima del suo inizio. Il modello di Steinhardt e Turok sembra anche in grado di spiegare più semplicemente del Modello Standard alcune caratteristiche dell’universo. Ad esempio, la teoria del Big Bang non riusciva a giustificare la straordinaria omogeneità del cosmo su larga scala, ne l’esistenza di piccole disomogeneità nello spazio che hanno permesso la formazione delle galassie. Così, negli anni 80 venne incorporato il concetto di inflazione (uno dei fautori fu proprio Steinhardt), un periodo di espansione iperveloce e accelerante verificatasi nel primo secondo dopo il Big Bang. Analogamente, dalla fine degli anni 90 è stata inserita nel Modello Standard una nuova componente chiamata “energia oscura”, dopo che si è scoperto che l’espansione cosmica sta accelerando. Il Modello Ciclico di Steinhardt e Turok sostituisce l’inflazione e l’energia oscura con un unico campo energetico che oscilla in modo tale da causare alternativamente l’espansione e la stagnazione. Allo stesso tempo, sarebbe in grado di spiegare tutti i fenomeni cosmici attualmente osservati, con grande precisione tanto quanto la teoria del Big Bang.

Paul J. Steinhardt, Neil Turok Universo senza Fine

Un altro vantaggio del Modello Ciclico è che fornirebbe una previsione automatica del futuro dell’universo, che attraverserebbe ripetutamente cicli ben definiti, lunghi migliaia di miliardi di anni. Il Modello Standard, al contrario, non contiene in se previsioni del futuro a lungo termine; proprio come è stato necessario includervi imprevedibilmente elementi quali l’inflazione e l’energia oscura, potrebbe emergere infuturo un altro effetto che modificherebbe l’attuale corso dell’espansione. Per comprendere il pensiero di “Steinhardt e Turok è necessario guardare oltre i concetti dettati dal senso comune e le concezioni di spazio e tempo a cui siamo abituati. La teoria dell’universo ciclico infatti combina insieme principi della fisica “convezionale” con idee provenienti dagli ambiti emergenti della teoria delle stringhe e della M-teoria, tentativi ambiziosi di sviluppare una teoria del tutto, ossia inglobante tutte le forze e le particelle della fisica. L’idea è che l’universo esiste nella forma di due fogli, o brane, paralleli, infinitamente grandi, separati da una distanza microscopica. Questa distanza è una dimensione extra, o quinta dimensione, che noi non riusciamo a percepire. Nella fase attuale della storia del cosmo, i fogli si stanno espandendo in tutte le direzioni, gradualmente allargandosi e disperdendo tutta la materia e l’energia che contengono. Dopo migliaia di miliardi di anni, diventati praticamente vuoti, i fogli smettono di ampliarsi, ed entrano in un periodo di “stagnazione” nel quale la quinta dimensione collassa portandoli sempre più vicini l’uno all’altro, fino alla collisione. Con l’urto, i fogli si riempiono nuovamente della materia incandescente e densissima che caratterizza il Big Bang, e ricominciano a separarsi; l’espansione riduce la densità della materia, che si raffredda e si condensa in stelle e galassie, come vediamo nell’Universo attuale.

Le brane non sono universi paralleli, ma piuttosto facce dello stesso universo, una contenente tutta la materia ordinaria che conosciamo, l’altra contenente “Non sappiamo cosa”, come dice Steinhardt.

Questa struttura cosmica potrebbe spiegare il fenomeno della materia oscura, la materia invisibile che si pensa costituisca fino al 30% dell’universo. Essa potrebbe infatti trovarsi nella brana parallela a quella in cui ci troviamo noi. Poiché le due brane interagiscono gravitazionalmente, questa massa a noi invisibile eserciterebbe attrazione sulla materia ordinaria, provocando gli effetti che osserviamo. Steinhardt sottolinea che nel Modello Ciclico, i movimenti e le proprietà dei fogli nascono tutti in modo naturale dalla matematica su cui si basa, al contrario del modello del Big Bang nel quale l’energia oscura è stata aggiunta semplicemente per giustificare le recenti osservazioni. Questo Modello Ciclico è solo una delle diverse ipotesi rientranti nella cosiddetta “cosmologia non standard”, che si pongono in alternativa al Big Bang, o che ne accettano i principi base ma differiscono dal Modello Standard per particolari leggi fisiche che avrebbero regolato l’origine e l’evoluzione dell’universo.

Certo è che nell’affascinante reame della scienza, anche quando una teoria è così solida da definirsi “standard”, non è mai detta l’ultima parola!

da Richard 

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