L’era Planck: Immaginare il nostro universo infantile

L’era Planck

Ora abbiamo due dizionari diversi ma correlati su come descrivere cosa sta succedendo alla scala di Planck: teoria delle stringhe e LQG. E questo significa che ora abbiamo un modo per descrivere le condizioni nell’universo durante e subito dopo l’era Planck. Ecco una storia di come potrebbe essere stata l’era Planck e cosa potrebbe dirci sulla cosmogenesi, raccontata nel linguaggio combinato della teoria delle stringhe e della LQG.

Lo stato del nulla: Per molti versi, l'”inizio” dell’era Planck non è un concetto logico. Né ha un nome reale, perché qualsiasi nome presuppone un tempo, un luogo o una qualità, nessuno dei quali può essere qui applicato. Secondo il fisico Daniele Oriti del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam, in Germania, questo primitivo Stato del nulla potrebbe essere costituito da ingredienti che non erano affatto simili allo spazio o al tempo.

Ma come disse una volta il premio Nobel e fisico Frank Wilczek, “Il motivo per cui c’è qualcosa piuttosto che niente è che niente è instabile”. Questa instabilità ha portato a un cambiamento di fase nello Stato del Nulla. Nel linguaggio di LQG, il Nulla è stato convertito in Qualcosa: un plenum di innumerevoli nodi elementari del volume di Planck. Ciò avveniva forse nello stesso modo in cui una nuvola di molecole d’acqua in un gas cambia fase in una nuvola di goccioline liquide – pioggia – quando la temperatura scende.

Geometrogenesi: Il nostro nuovo Stato Qualcosa, costituito da goccioline di spazio (nodi), non è rimasto casuale a lungo. I nodi erano incorporati in reti di collegamenti che definivano la dimensionalità (N) della rete di spin, che a sua volta definiva il numero di vicini più vicini a ciascun nodo. Secondo Lee Smolin – uno degli sviluppatori di LQG – del Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Ontario, l’energia disponibile per mantenere questi collegamenti potrebbe essere stata così enorme che i volumi di Planck avrebbero potuto essere elementi di uno spazio con molto più rispetto alle presunte 11 dimensioni del Bulk. Ma anche questo stato era instabile e ha generato un secondo cambiamento di fase quando l’energia disponibile è diminuita.

Immagina un paesaggio molto particolare. Ci sono montagne dove i collegamenti sono numerosi (un gran numero di dimensioni). Questi luoghi richiedono enormi quantità di energia per mantenersi. E ci sono valli (di dimensioni inferiori), dove è richiesta meno energia. I cambiamenti di fase si verificano quando è più favorevole per un sistema esistere a un’energia inferiore che a una maggiore. Ciò suggerisce che gli spazi con un numero enorme di dimensioni tendono a diventare spazi con energia inferiore e dimensioni inferiori. Il cambiamento avviene attraverso un processo chiamato tunneling quantistico.

Quindi, possiamo immaginare che si sia verificato un secondo cambiamento di fase quando il nuovo stato qualcosa di N-dimensionale è entrato in tunnel in uno di questi stati a bassa energia di reti di spin con meno collegamenti tra i nodi. Tutte tranne 11 delle numerose dimensioni originariamente disconnesse dai nodi e scomparvero. Questo potrebbe aver costituito la base geometrica per il Bulk nella teoria delle stringhe.

Compattazione: Secondo la teoria delle stringhe, deve esserci stato qualche evento, processo o circostanza in cui sette delle 11 dimensioni del Bulk sono state compattate per creare i dettagli specifici del Modello Standard nel nostro universo quadridimensionale. Possiamo immaginarlo come una terza fase di transizione che, nel linguaggio di LQG, ha fatto sì che i collegamenti che rappresentano sette delle 11 dimensioni sviluppassero spazi chiusi, ciascuno con una geometria specifica. Tra le restanti quattro dimensioni, tre formavano reti di spin tridimensionali simili allo spazio, o brane.

Cronogenesi: Una quarta transizione di fase si è verificata quando una delle quattro dimensioni spaziali nel Bulk è stata scavata in una dimensione simile al tempo che ha tracciato i cambiamenti in atto tra le configurazioni delle reti di spin per produrre schiume di spin. Stephen Hawking e James Hartle hanno proposto questa idea nel 1983 per risolvere il problema dell’origine del tempo in cosmologia. L’hanno chiamata la proposta senza confini perché eliminava la necessità di discutere cosa fosse successo prima del Big Bang. In sostanza, hanno detto, l’universo non ha confine (inizio), così come non c’è nessun punto a nord del Polo Nord. Una volta che una dimensione è emersa come direzione di una successione di stati spaziali (brane nella teoria delle stringhe; reti di spin in LQG), ha stabilito causa ed effetto e si è verificato il Big Bang.

Cosmogenesi: All’inizio, la portata del Big Bang era limitata alla scala di Planck quando bolle di nuovo spazio-tempo emersero dall’interno della più vasta rete di dimensioni puramente spaziali. Questo è stato un periodo inimmaginabilmente turbolento, forse simile al caos sottosopra di ciò che il fisico teorico John Wheeler chiamava schiuma spazio-temporale quantistica. Collezioni di nodi si unirono per formare i primi oggetti primordiali – buchi neri quantistici – ma questi si disintegrarono rapidamente in singoli nodi. Altre raccolte di nodi hanno assunto un comportamento ondulatorio e hanno viaggiato attraverso la rete di schiuma di rotazione come gravitoni.

Strutture più grandi della scala di Planck iniziarono a formare oggetti simili a fili costituiti da nodi organizzati lungo una dimensione dello spazio. Con le informazioni (fornite dai loro link) sulle sette dimensioni compatte, hanno assunto le proprietà delle singole particelle che riconosciamo nel Modello Standard. Enormi insiemi di queste stringhe iniziarono a comportarsi come campi quantistici organizzati. Il modo in cui una corda ha interagito con un’altra è descritto dal modo in cui un’enorme raccolta di nodi è cambiata in un’altra raccolta come parte di un motivo a schiuma rotante.

Durante tutte queste transizioni di fase, la quantità di informazioni codificate nella rete di nodi è aumentata costantemente. Ciò ha avuto un profondo effetto su come precisare le relazioni matematiche tra i nodi lungo l’asse temporale emergente. Queste relazioni sono quelle che chiamiamo le leggi fisiche della natura e includono il modo in cui descriviamo la gravità ei dettagli del Modello Standard. Quindi, durante questa fase successiva dell’era Planck, non solo emerse il tempo, ma anche le leggi della natura che ora operano nel nostro spazio-tempo.

Nel suo libro La mente di DioPaul Davies osserva che “[Prior to] un secondo dopo il Big Bang c’era meno spazio e meno informazioni, quindi la matematica era in una forma più rozza. La potenza di calcolo dell’universo vicino al tempo di Planck era essenzialmente zero. Tutta la matematica sarebbe stata priva di significato e le leggi sarebbero state quasi impossibili da stabilire. ”

All’inizio, le leggi fisiche erano specificate in modo molto approssimativo, ma con il passare del tempo e l’aumento delle informazioni disponibili, questi schemi sono diventati più dettagliati. In sostanza, le leggi fisiche del nostro universo sono emerse dal crescente contenuto informativo dell’universo all’interno del quale queste leggi potrebbero essere definite. Una volta che questi modelli sono emersi e sono diventati più precisi, la progressione del Big Bang è diventata più ricca di modelli specifici per il modo in cui le particelle interagiscono nello spazio e nel tempo.

L’immagine più grande

Se dovessimo fare un passo indietro e guardare al quadro generale durante l’era Planck, potremmo immaginare una successione di bolle all’interno di bolle. Il più grande di questi comprende il dominio delle reti di spin in cui esistono altri numeri di dimensioni. All’interno di alcune di queste bolle, lo spazio si è cristallizzato in 11 dimensioni. Chiamiamo la nostra bolla a 11 dimensioni il Bulk. Ma potrebbero esserci altri Bulk con meno o più di 11 dimensioni.

Inoltre, all’interno della nostra bolla Bulk, una delle dimensioni è passata al tempo ed è servita per organizzare le brane 3D (reti di spin) in un ordine cronologico riconoscibile: il nostro spazio-tempo 4D. Un’altra transizione ha compattato sette delle dimensioni simili allo spazio, dando vita alle nostre particelle e campi specifici del Modello Standard. Solo l’esatta geometria degli spazi 7D compatti definisce come apparirà il Modello Standard per un dato universo. Ma poiché la teoria delle stringhe fornisce 10.500 modi per farlo, ci sono molti Bulk 11-dimensionali diversi, ognuno con il proprio modo di compattare quelle sette dimensioni.

Presi insieme, questi sono chiamati il ​​Paesaggio. Potresti conoscerla come l’idea di un multiverso. Continuando l’analogia del nostro universo come una raccolta 4D di brane come un libro, il Bulk è come una gigantesca biblioteca contenente un numero infinito di questi universi di libri, ciascuno con geometrie diverse per questi spazi compatti, che portano a diversi modelli standard.

Nella nostra bolla spazio-temporale, ora molto più grande della scala di Planck, la rete di nodi di fondo che definisce la schiuma di rotazione in quattro dimensioni ha cominciato a sembrare più liscia e liscia su scale più grandi man mano che l’universo diventava più vecchio. Dopo un periodo di tempo, si è verificata l’inflazione, che è terminata circa 10-34 secondi dopo il Big Bang … ed eccoci qui!

Naturalmente, l’intera storia è altamente speculativa, persino fantasiosa. Si basa su teorie o pezzi di teorie che rimangono in gran parte non dimostrate – o forse, si fa rabbrividire a pensare, persino indimostrabili. Ma la nostra ricerca dell’origine dell’universo è il risultato di chi siamo come esseri senzienti.

Insieme alle osservazioni, possiamo continuare a creare e migliorare le storie sulle origini dell’universo che rispondono a molte domande più vecchie offrendone di nuove alle generazioni future da esplorare e testare


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