Big Bounce

Big Bounce (in italiano Grande Rimbalzo) è una teoria cosmologica che tenta di descrivere in modo completo l’origine e l’evoluzione dell’Universo, evitando in particolare i limiti del Big Bang. Sostiene che l’universo si espanderà fino a un certo punto per poi “rimbalzare”. Qui darà origine a una nuova espansione, con la ripetizione del processo per l’eternità. La teoria cerca di includere la relatività generale, la meccanica quantistica e l’universo in accelerazione basandosi sulla gravità quantistica a loop.

È stata elaborata dal fisico tedesco Martin Bojowald con il suo team della Pennsylvania State University e pubblicata nel luglio 2007 su Nature Physics online.

Premessa: il Big Bang e il Big Crunch

Il problema della singolarità

La teoria classica del Big Bang, pur rispettando la relatività generale di Einstein ed altre importanti evidenze sperimentali, ipotizza che l’origine dell’Universo (che si stima sia avvenuta circa 13,7 miliardi di anni fa) sarebbe stata causata da una “singolarità iniziale puntiforme” avente un volume pari a zero ma dotata di energia e densità infinite. Secondo molti scienziati tale singolarità risulta inverosimile sulla base di tutte le leggi fisiche note. In particolare violerebbe il principio di conservazione dell’energia totale. Inoltre si pone in contraddizione con le leggi della meccanica quantistica.

La singolarità iniziale del Big Bang, sorta praticamente dal nulla, esplodendo avrebbe creato non solo l’energia e la materia ma anche lo spazio e il tempo. Da notare che il vuoto-nulla nella realtà fisica non esiste; c’è sempre, perlomeno, una quantità minima di energia denominata energia di punto zero.

Rapporto con l’energia oscura

Per superare i limiti della teoria classica del Big Bang diversi scienziati hanno ipotizzato che l’Universo abbia un movimento ciclico ed eterno (Universo oscillante o pulsante), ossia una sequenza infinita di Big Bang e successivi Big Crunch (Grande Collasso). La ciclicità dell’Universo dipende, evidentemente, dalla quantità di materia-energia esistente (densità critica, solitamente denominata Ω), quindi anche dalla materia oscura e dalla energia oscura.

Le più recenti osservazioni hanno rilevato che la densità media dell’Universo visibile ha un valore pressoché coincidente con Ω. Se Ω>1, a meno che non vi sia una quantità enorme di energia oscura, energia fantasma o energia del vuoto, allora si verificherà il Big Bounce o il Big Crunch, quando finirà la forza di espansione e la gravità di materia e materia oscura avrà la meglio.

Le osservazioni indicano che la densità dell’Universo è da 5 a 100 volte più piccola di quella critica. Dunque l’Universo sarebbe aperto e non chiuso come nel modello ciclico. La teoria più efficace per spiegare la fase iniziale dell’Universo richiede una densità esattamente pari a quella critica (universo piatto). Per ottenere una densità pari a quella critica occorre ipotizzare che esista una notevole quantità di materia oscura. Tuttavia il problema risulta aperto, poiché tale materia può bilanciare l’espansione.

Universo in accelerazione?

Alcuni modelli di gravità quantistica possono spiegare le proprietà cosmologiche utilizzando altri concetti come il vuoto quantistico,. Quindi la teoria del Big Bounce potrebbe reggere anche senza tenere conto di essa.

La teoria del Big Bounce potrebbe verificarsi anche se l’energia oscura non fosse la soluzione all’universo in accelerazione, e anche al di là delle implicazioni della gravità quantistica, come nella teoria proposta da fisici esperti nella teoria delle superstringhe, il cosiddetto modello del tempo che rallenta che non fa uso dell’energia oscura ma si basa sulla relatività. In questo caso lo scenario è simile al modello classico di Big Bang seguito alle scoperte di Edwin Hubble, che ha dato origine alla teoria dell’universo oscillante tradizionale (senza energia oscura e accelerazione), riproponendo la vecchia teoria.

La difficoltà nel rintracciare la reale esistenza delle onde gravitazionali e nel definire l’energia oscura negli esperimenti del 2014-15, unite alle sviluppo della teoria della gravità quantistica a loop, hanno riportato in vigore la teoria ciclica, che pareva superata dal modello dell’inflazione.

Se l’energia oscura o lo stesso universo in accelerazione non fossero le spiegazioni corrette dei dati osservativi (ad esempio se la Via Lattea si trovasse in una zona di vuoto cosmico o bolla cosmica o ci fossero stati errori di misurazione e valutazione), o ancora se la gravità supererà l’accelerazione, il Big Bounce diverrebbe lo scenario più probabile per l’universo conosciuto, anche se non si sa quando inizierà la contrazione e finirà l’espansione.

Teoria di Bojowald

Secondo la gravità quantistica a loop l’universo è costituito da anelli (in inglese loop). Questi anelli infinitamente piccoli possono contenere una certa quantità di energia che, pur aumentando durante il collasso gravitazionale, non può mai diventare infinita. Da queste premesse origina la teoria del Big Bounce, che concettualmente prende il posto del Big Bang e del Big Crunch.

Il team di Bojowald ha rivisto e riformulato la teoria della relatività generale avvicinandola a quella classica dell’elettromagnetismo. Attraverso la matematica dei nodi, i fisici del team hanno applicato le leggi quantistiche ai loop, elaborando una nuova teoria (Loop Quantum Gravity – LQG). Essa combina la relatività generale con equazioni della fisica quantistica sconosciute ai tempi di Einstein. Il modello che ne è derivato prevede la presenza di “atomi” di spazio-tempo e possiede un livello massimo finito di materia ed energia, riuscendo ad evitare la presenza di una singolarità.

Principio di conservazione massa-energia

Il team di Bojowald ha ricavato che l’Universo si contrae su se stesso ma non arriva alla singolarità iniziale puntiforme, non realizzando il Big Crunch. A un certo punto della contrazione, a causa del costante aumento dei valori della massa-energia (densità e temperatura), il tessuto spazio-temporale si lacera e la gravità da attrattiva diventerebbe repulsiva, facendo rimbalzare l’Universo in un nuovo Big Bang.

La teoria è coerente con il principio di conservazione massa-energia. In natura nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma. La teoria dell’Universo oscillante implica l’ipotesi che l’Universo sia un eterno divenire che non ha mai avuto origine e non avrà mai fine.

Altre formulazioni collegate

Altri fisici come Parampreet Singh hanno verificato che al momento del Big Bang la gravità si sarebbe comportata in maniera repulsiva, come farebbe l’energia oscura. Tale processo si ripeterebbe in un ciclo perpetuo, ma questo concetto si scontra con la termodinamica classica che prevede che il disordine tenda ad aumentare a ogni riproposizione dell’universo, fino a renderlo completamente caotic^o; secondo il gruppo di Bojowald, il nuovo universo perderebbe ogni volta il ricordo del precedente (amnesia cosmica) e ciò potrebbe sopperire a questa grave incongruenza. Per Singh, invece, una minima memoria cosmica rimarrebbe e sarebbe individuabile studiando la radiazione di fondo. Altri sostenitori sono Peter Lynds e Nikodem Popławski.