In un modello hypertorus dell’Universo, il movimento in linea retta ti restituirà al tuo originale… posizione. Se il tempo è come un toro, può essere di natura ciclica, piuttosto che essere sempre esistito o venire all’esistenza una quantità finita di tempo fa. Ancora oggi non conosciamo l’origine del tempo.,
ESO e DeviantArt user InTheStarlightGarden
Quando guardiamo l’Universo oggi, sappiamo con una straordinaria quantità di certezza scientifica che non è stato semplicemente creato così com’è, ma si è evoluto nella sua configurazione attuale nel corso di miliardi di anni di storia cosmica. Possiamo usare ciò che vediamo oggi, sia nelle vicinanze che a grandi distanze, per estrapolare com’era l’Universo molto tempo fa e per capire come è diventato così com’è ora.,
Quando pensiamo alle nostre origini cosmiche, allora, è solo umano porre la più fondamentale di tutte le domande possibili:da dove viene tutto questo? È passato più di mezzo secolo da quando sono state confermate le prime previsioni robuste e uniche del Big Bang, che hanno portato alla nostra immagine moderna di un Universo che è iniziato da uno stato caldo e denso circa 13,8 miliardi di anni fa. Ma nella nostra ricerca per l’inizio, sappiamo già che il tempo non avrebbe potuto iniziare con il Big Bang. In realtà, potrebbe non avere avuto un inizio a tutti.,
Dopo il Big Bang, l’Universo era quasi perfettamente uniforme e pieno di materia, energia e… radiazioni in uno stato in rapida espansione. Con il passare del tempo, l’Universo non solo forma elementi, atomi e ciuffi e ammassi insieme che portano a stelle e galassie, ma si espande e si raffredda per tutto il tempo. Nessuna alternativa può eguagliarlo, ma non ci insegna tutto, incluso (e soprattutto) l’inizio stesso.
NASA/GSFC
Ogni volta che pensiamo a qualcosa, applichiamo la nostra logica molto umana ad esso., Se vogliamo sapere da dove viene il Big Bang, lo descriviamo nei migliori termini che possiamo, e poi teorizziamo su cosa possa averlo causato e lo configuriamo. Cerchiamo prove che ci aiutino a capire gli inizi del Big Bang. Dopotutto, è da lì che tutto viene: dal processo che gli ha dato il suo inizio.
Ma questo presuppone qualcosa che potrebbe non essere vero sul nostro Universo: che in realtà ha avuto un inizio. Per molto tempo, scientificamente, non sapevamo se fosse vero o no. L’Universo ha avuto un inizio, o un tempo prima del quale non esisteva nulla?, O l’Universo è esistito per un’eternità, come una linea infinita che si estende in entrambe le direzioni? O, molto probabilmente, il nostro Universo è ciclico come la circonferenza di un cerchio, dove si ripete più e più volte indefinitamente?
Le tre principali possibilità per come il tempo si comporta nel nostro Universo sono che il tempo è sempre esistito… e esisterà sempre, quel tempo esisteva solo per una durata finita se estrapoliamo all’indietro, o quel tempo è ciclico e si ripeterà, senza inizio e senza fine., Il Big Bang sembrava aver fornito una risposta per un certo tempo, ma da allora è stato superato, facendo precipitare le nostre origini nell’incertezza.
E. Siegel
Per un certo periodo, c’erano più idee in competizione che erano tutte coerenti con le osservazioni che avevamo.
- Un Universo in espansione potrebbe aver avuto origine da un punto singolare — un evento nello spaziotempo — in cui tutto lo spazio e il tempo sono emersi da una singolarità.
- L’Universo potrebbe espandersi oggi perché si stava contraendo in passato e si contrarrà di nuovo in futuro, presentando una soluzione oscillante.,
- Infine, l’Universo in espansione avrebbe potuto essere uno stato eterno, dove lo spazio si sta espandendo ora e sempre era stato e sempre sarebbe stato, dove nuova materia viene continuamente creata per mantenere costante la densità.
Questi tre esempi rappresentano le tre opzioni principali: l’Universo ha avuto un inizio singolare, l’Universo è di natura ciclica, o l’Universo è sempre esistito. Nel 1960, tuttavia, un basso livello di radiazioni a microonde è stato trovato in tutto il cielo, cambiando la storia per sempre.,
Secondo le osservazioni originali di Penzias e Wilson, il piano galattico ne emise alcuni… fonti astrofisiche di radiazione (centro), ma sopra e sotto, tutto ciò che rimaneva era uno sfondo quasi perfetto e uniforme di radiazioni. La temperatura e lo spettro di questa radiazione sono stati misurati e l’accordo con le previsioni del Big Bang è straordinario.
NASA/WMAP Science Team
Questa radiazione non era solo la stessa grandezza ovunque, ma anche la stessa in tutte le direzioni., A pochi gradi sopra lo zero assoluto, era coerente con l’Universo che emergeva da uno stato denso e caldo precedente e si raffreddava mentre si espandeva.
Poiché la tecnologia migliorata e le nuove tecniche hanno portato a dati migliori, abbiamo appreso che lo spettro di questa radiazione aveva una forma particolare: quella di un corpo nero quasi perfetto. Un corpo nero è quello che si ottiene se si dispone di un assorbitore perfetto di radiazione riscaldata fino a una certa temperatura specifica. Se l’Universo si espande e si raffredda senza cambiare la sua entropia (cioè,, adiabaticamente), qualcosa che inizia con uno spettro di corpo nero rimarrà un corpo nero, anche se si raffredda. Questa radiazione non era solo coerente con l’essere il bagliore residuo del Big Bang, ma era incoerente con alternative come la luce stanca o la luce stellata riflessa.
La previsione unica del modello Big Bang è che ci sarebbe un bagliore residuo di radiazioni… che permea l’intero Universo in tutte le direzioni., La radiazione sarebbe solo pochi gradi sopra lo zero assoluto, sarebbe la stessa magnitudine ovunque e obbedirebbe a uno spettro di corpo nero perfetto. Queste previsioni sono state confermate in modo spettacolare, eliminando alternative come la teoria dello stato stazionario dalla redditività.
NASA / Goddard Space Flight Center/COBE (main); Princeton Group, 1966 (inset)
Secondo il Big Bang, l’Universo era più caldo, più denso, più uniforme e più piccolo in passato., Ha solo le proprietà che vediamo oggi perché si sta espandendo, raffreddando e sperimentando l’influenza della gravitazione per così tanto tempo. Poiché la lunghezza d’onda della radiazione si estende man mano che l’Universo si espande, un Universo più piccolo avrebbe dovuto avere radiazioni con lunghezze d’onda più corte, il che significa che aveva energie più alte e temperature maggiori.
Miliardi di anni fa, una volta era così caldo che anche gli atomi neutri non potevano formarsi senza essere fatti a pezzi., Anche prima di questo, le odierne radiazioni a microonde erano così energetiche che dominavano sulla materia per quanto riguarda il contenuto energetico dell’Universo. In tempi ancora precedenti, i nuclei atomici venivano immediatamente fatti saltare in aria, e in quelli ancora precedenti, non potevamo nemmeno creare protoni e neutroni stabili.
Una storia visiva dell’Universo in espansione include lo stato caldo e denso noto come Big Bang e… la crescita e la formazione della struttura successivamente., La suite completa di dati, comprese le osservazioni degli elementi luminosi e lo sfondo delle microonde cosmiche, lascia solo il Big Bang come una valida spiegazione per tutto ciò che vediamo. Man mano che l’Universo si espande, si raffredda, consentendo la formazione di ioni, atomi neutri e infine molecole, nubi di gas, stelle e infine galassie.
NASA / CXC/M. Weiss
Se estrapoliamo tutto il ritorno, a temperature arbitrariamente calde, piccole distanze e alte densità, intuiresti che questo equivarrebbe veramente all’inizio., Se tu fossi disposto a far scorrere l’orologio all’indietro il più lontano possibile, tutto lo spazio che costituisce il nostro Universo visibile oggi sarebbe compresso in un singolo punto.
Ora, è vero che se andaste a queste condizioni estreme, comprimendo tutta la materia e l’energia presenti nell’Universo di oggi in un volume abbastanza piccolo di spazio, le leggi della fisica si romperebbero. Potresti provare a calcolare varie proprietà, ma otterrai solo sciocchezze per le risposte. Questo è ciò che descriviamo come una singolarità: un insieme di condizioni in cui il tempo e lo spazio non hanno alcun significato., A prima vista, se fai i conti, sembra che una singolarità sia inevitabile, indipendentemente da ciò che domina il contenuto energetico dell’Universo.
Le singolarità sono dove la legge di gravitazione che governa l’Universo — la Relatività Generale di Einstein — produce assurdità per le previsioni. La relatività, ricorda, è la teoria che descrive lo spazio e il tempo. Ma a singolarità, le dimensioni spaziali e temporali cessano di esistere. Fare domande come ” cosa è venuto prima di questo evento dove il tempo è iniziato “è assurdo come chiedere” dove sono io” se lo spazio non esiste più.,
In effetti, questo è l’argomento che molti fanno, incluso Paul Davies, quando affermano che non ci può essere alcuna discussione su ciò che è accaduto prima del Big Bang. Questa è una tautologia, ovviamente, se affermi che il Big Bang è dove è iniziato il tempo. Ma per quanto interessante sia questo argomento, sappiamo che il Big Bang non è più dove il tempo è iniziato. Da quando abbiamo fatto misurazioni moderne e dettagliate del cosmo, abbiamo imparato che questa estrapolazione a una singolarità deve essere sbagliata.,
Il bagliore residuo dal Big Bang, il CMB, non è uniforme, ma ha piccole imperfezioni e… fluttuazioni di temperatura sulla scala di poche centinaia di microkelvin. Anche se questo gioca un ruolo importante negli ultimi tempi, dopo la crescita gravitazionale, è importante ricordare che l’Universo primordiale, e l’Universo su larga scala oggi, è solo non uniforme a un livello inferiore allo 0,01%. Planck ha rilevato e misurato queste fluttuazioni con una precisione migliore che mai, e può persino rivelare gli effetti dei neutrini cosmici su questo segnale., Le proprietà di queste fluttuazioni sostengono fortemente un’origine inflazionistica al nostro Universo osservabile.
ESA e la collaborazione di Planck
In particolare, i modelli e le grandezze delle fluttuazioni che abbiamo scoperto nella radiazione moderna rimasta da quel primo, caldo, denso stato ci insegnano una serie di proprietà importanti sul nostro Universo. Ci insegnano quanta materia era presente nella materia oscura e nella materia normale: protoni, neutroni ed elettroni., Ci danno una misura della curvatura spaziale dell’Universo, così come la presenza di energia oscura e gli effetti dei neutrini.
Ma ci dicono anche qualcosa di vitale importanza che viene spesso trascurato: ci dicono se c’era una temperatura massima per l’Universo nei suoi primi stadi. Secondo i dati di WMAP e Planck, l’Universo non ha mai raggiunto una temperatura superiore a circa 1029 K. Questo numero è enorme, ma è oltre 1.000 volte più piccolo delle temperature di cui avremmo bisogno per equiparare a una singolarità.,
La nostra intera storia cosmica è teoricamente ben compresa, ma solo qualitativamente. E ‘ vicino… osservando confermando e rivelando vari stadi del passato del nostro Universo che devono essersi verificati, come quando si formarono le prime stelle e galassie, e come l’Universo si espanse nel tempo, che possiamo veramente arrivare a capire il nostro cosmo. Le firme di reliquia impresse sul nostro Universo da uno stato inflazionistico prima del Big Bang caldo ci danno un modo unico per testare la nostra storia cosmica.,
Nicole Rager Fuller/National Science Foundation
Le particolari proprietà dell’Universo che sono impresse su di esso fin dalle prime fasi forniscono una finestra sui processi fisici che hanno avuto luogo in quei tempi. Non solo ci dicono che non possiamo estrapolare il Big Bang fino a una singolarità, ma ci parlano dello stato che esisteva prima (e ha istituito) il Big Bang caldo: un periodo di inflazione cosmica.,
Durante l’inflazione, c’era un’enorme quantità di energia inerente allo spazio stesso, causando l’espansione dell’Universo sia rapidamente che inesorabilmente: a un ritmo esponenziale. Questo periodo di inflazione si è verificato prima del Big Bang caldo, ha creato le condizioni iniziali con cui il nostro Universo ha iniziato e ha lasciato una serie di impronte uniche che abbiamo cercato e scoperto dopo che la teoria le aveva già predette. Con qualsiasi metrica, l’inflazione è un enorme successo.,
Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l’inflazione si estendono attraverso l’Universo e quando… l’inflazione finisce, diventano fluttuazioni di densità. Ciò porta, nel tempo, alla struttura su larga scala nell’Universo oggi, così come alle fluttuazioni di temperatura osservate nella CMB. Queste nuove previsioni sono essenziali per dimostrare la validità di un meccanismo di fine-tuning, e hanno convalidato l’inflazione come la nostra nuova, teoria leader di come il nostro Big Bang ha avuto il suo inizio.
E., Siegel, con immagini derivate da ESA / Planck e dalla task force interagency DOE / NASA / NSF sulla ricerca CMB
Ma questo altera gravemente le nostre concezioni di come è iniziato l’Universo. In precedenza, vi ho presentato un grafico di come la dimensione (o scala) dell’Universo si è evoluta con il tempo. Il grafico mostrava le differenze tra come l’Universo si espanderebbe se fosse dominato dalla materia (in rosso), dalla radiazione (in blu) o dallo spazio stesso (come durante l’inflazione, in giallo) nei primi tempi. Tuttavia, non ero completamente onesto con te nel mostrare quel grafico.,
Vedi, ho omesso qualcosa nel grafico precedente, perché l’ho troncato in un tempo positivo e finito. In altre parole, ho fermato il grafico prima di raggiungere una dimensione pari a zero. Se dovessi continuare a estrapolare all’indietro, le curve di materia e radiazione raggiungono effettivamente una singolarità in un momento specifico: t = 0. Sarebbe stato lì che si è verificata l’idea originale del Big Bang. Ma in un Universo inflazionistico, si asintote solo a una dimensione di zero; non si raggiunge mai. Non in un momento specifico di t = 0, e non in qualsiasi momento iniziale, non importa quanto indietro si va.,
Le linee blu e rosse rappresentano uno scenario di Big Bang “tradizionale”, in cui tutto inizia al tempo t=0,… compreso lo spaziotempo stesso. Ma in uno scenario inflazionistico (giallo), non raggiungiamo mai una singolarità, dove lo spazio va a uno stato singolare; invece, può solo diventare arbitrariamente piccolo nel passato, mentre il tempo continua a tornare indietro per sempre. La condizione no-boundary di Hawking-Hartle sfida la longevità di questo stato, così come il teorema di Borde-Guth-Vilenkin, ma nessuno dei due è una cosa sicura.
E., Siegel
Come molte grandi scoperte nella scienza, questo porta a una serie di deliziose nuove domande, tra cui:
- Lo stato inflazionistico era costante? Non sappiamo se l’Universo si è gonfiato alla stessa velocità ovunque, o se si è gonfiato per lunghi periodi di tempo. Se l’Universo si gonfiasse in modi che cambiavano molto rapidamente da un momento all’altro, variando da un luogo all’altro, potrebbe ancora avere le proprietà che lo osserviamo oggi.
- Lo stato inflazionistico è durato per sempre, andando indietro nel tempo?, L’inflazione ha certamente il potenziale per essere uno stato eterno; crediamo nelle regioni in cui non finisce in un Big Bang caldo, continua eternamente nel futuro. Ma potrebbe essere stato anche eterno per il passato? Senza nulla che lo proibisca, dobbiamo considerare la possibilità.
- L’inflazione è collegata all’energia oscura, che è anche una forma di espansione esponenziale? Sebbene siano diversi in scala e magnitudine, l’inflazione cosmica in fase iniziale e l’energia oscura in fase avanzata danno entrambe la stessa forma matematica per l’espansione dell’Universo., Queste due fasi sono correlate, e la nostra futura espansione aumenterà di forza e ringiovanirà il nostro Universo, come una sorta di ciclo cosmico?
I diversi modi in cui l’energia oscura potrebbe evolversi nel futuro. Rimanendo costante o aumentando in… la forza (in un grande strappo) potrebbe potenzialmente ringiovanire l’Universo, mentre invertire il segno potrebbe portare a un Big Crunch. In uno di questi due scenari, il tempo può essere ciclico, mentre se nessuno dei due si avvera, il tempo potrebbe essere finito o infinito nella durata del passato.
NASA / CXC / M.,Weiss
Osservativamente, non conosciamo la risposta a nessuna di queste domande. L’Universo, per quanto possiamo osservarlo, contiene solo informazioni dagli ultimi 10-33 secondi o giù di lì di inflazione. Tutto ciò che si è verificato prima di ciò-che include tutto ciò che ci direbbe come-o — se l’inflazione è iniziata e quale è stata la sua durata-viene spazzato via, per quanto ci sia osservabile, dalla natura dell’inflazione stessa.
Teoricamente, non ce la caviamo molto meglio., Il teorema di Borde-Guth-Vilenkin ci dice che tutti i punti dell’Universo, se estrapolati abbastanza lontano, si fonderanno insieme, e che l’inflazione non può descrivere uno spaziotempo completo. Ma ciò non significa necessariamente che uno stato di gonfiaggio non possa essere durato per sempre; potrebbe altrettanto facilmente implicare che le nostre attuali regole della fisica non sono in grado di descrivere con precisione questi primi stadi.
Le tre principali possibilità per come il tempo si comporta nel nostro Universo sono che il tempo è sempre esistito…, e esisterà sempre, quel tempo esisteva solo per una durata finita se estrapoliamo all’indietro, o quel tempo è ciclico e si ripeterà, senza inizio e senza fine. Non abbiamo abbastanza informazioni nel nostro Universo, oggi, per sapere quale di queste possibilità è accurata.
E. Siegel
Anche se possiamo tracciare la nostra storia cosmica fino alle prime fasi del Big Bang caldo, questo non è sufficiente per rispondere alla domanda su come (o se) il tempo è iniziato., Andando ancora prima, agli stadi finali dell’inflazione cosmica, possiamo imparare come è stato istituito e iniziato il Big Bang, ma non abbiamo informazioni osservabili su ciò che è accaduto prima di ciò. L’ultima frazione di secondo dell’inflazione è dove finisce la nostra conoscenza.
Migliaia di anni dopo che abbiamo esposto le tre principali possibilità di come il tempo è iniziato — essendo sempre esistito, avendo iniziato una durata finita fa nel passato, o come entità ciclica — non siamo più vicini a una risposta definitiva., Se il tempo è finito, infinito o ciclico non è una domanda a cui abbiamo abbastanza informazioni all’interno del nostro Universo osservabile per rispondere. A meno che non troviamo un nuovo modo per ottenere informazioni su questa profonda, domanda esistenziale, la risposta può essere per sempre oltre i limiti di ciò che è conoscibile.
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