Multiverso e “teorie cicliche”: il modello di Baum-Frampton

di Paolo Di Sia.

Introduzione
Il problema fondamentale di qualunque modello ciclico riguarda la seconda legge della termodinamica, che, in sostanza, afferma che l’entropia (il “disordine”) aumenta sempre. Ciò implica cicli sempre più lunghi ogni volta che l’universo “implode e rimbalza”. Andando quindi indietro nel tempo, i cicli diventano sempre più brevi, il che implica che ci deve essere stato un inizio, cosa che è esattamente ciò che i modelli ciclici cercano di evitare. Il modello di Steinhart-Turok utilizza la materia oscura e le brane che collidono tra loro per evitare il problema. Baum e Frampton adottano un approccio un po’ diverso [1].

Il modello di Baum-Frampton
Questo modello ciclico è nato nel 2007 e fa un’ipotesi tecnica diversa dalle precedenti per quanto concerne l’equazione di stato dell’energia oscura, che riguarda la pressione e la densità attraverso un parametro indicato con w. In cosmologia, l’equazione di stato di un fluido perfetto è infatti caratterizzata da un numero adimensionale w, dato dal rapporto tra la pressione e la densità di energia.
In questo modello è w < -1 (contrariamente al modello ciclico di Steinhardt-Turok, dove w non è mai minore di -1). Ciò comporterebbe una fine dell’universo conosciuta con il nome di “Big Rip”. Il big rip (traducibile come “grande strappo”) è un’ipotesi cosmologica del 2003 relativa al destino ultimo dell’universo, in cui tutta la materia dell’universo, dalle stelle e galassie agli atomi e alle particelle subatomiche, verrebbe progressivamente “consumata” dall’espansione dell’universo ad un certo tempo del suo futuro [2].
Baum e Frampton suggeriscono che un piccolissimo istante prima del big rip, dell’ordine di 10^(-27) secondi, lo spazio si dividerebbe in un gran numero di volumi indipendenti. Questi volumi di spazio sono correlati a “universi osservabili”, che vengono contratti ad una dimensione estremamente piccola, dell’ordine della lunghezza di Planck. Ognuno di tali volumi di spazio non conterrebbe materia o energia per la presenza del big rip, quindi l’entropia in ogni singolo volume si ridurrebbe praticamente a zero, rimanendo sostanzialmente inalterata durante questa contrazione. Successivamente il modello seguirebbe lo scenario del “Big Bang”, con entropia nuovamente crescente a causa dell’inflazione cosmica nella creazione dell’universo. Questo accadrebbe in ogni “volume” di spazio derivato dall’universo originale, traducendosi in un numero straordinariamente grande, ma finito, di nuovi universi.
L’idea che l’universo “riparte vuoto” è una delle idee centrali di questo modello ciclico; essa permette di evitare molte difficoltà che caratterizzano la materia nelle fasi di formazione della sua struttura, di proliferazione ed espansione dei buchi neri, così come il dover passare attraverso transizioni di fase come quella della QCD (la cromodinamica quantistica, teoria fisica che descrive l’interazione forte) e il ripristino della simmetria elettrodebole.
Una seria difficoltà del modello è la seguente: se un universo produce un numero finito, ma molto grande, di nuovi universi, osservando il processo al contrario il numero totale di universi dovrebbe diminuire, il che implica che in un determinato tempo dovrebbe esserci stato un solo universo originale primordiale. Ciò solleva la questione su cosa ci sia stato prima di esso. Il modello prende inoltre “in prestito” molte idee della teoria delle stringhe, ma non è di fatto legato ad esse, nè a dimensioni superiori; tali “aiuti speculativi” possono fornire metodi più rapidi per indagare la coerenza interna del modello. Il valore di w del modello può essere reso arbitrariamente vicino a -1, ma deve essere necessariamente inferiore [3].

Indicazioni bibliografiche:
[1] S. W. Hawking and G. F. R. Ellis, The large-scale structure of space-time, Part of Cambridge Monographs on Mathematical Physics, Cambridge, ISBN 9780521099066, 1975.
[2] L. Baum and P. H. Frampton, Turnaround in Cyclic Cosmology, Phys. Rev. Lett. 98, 071301, 2007.
[3] L. Baum, P. H. Frampton, Entropy of Contracting Universe in Cyclic Cosmology, Mod. Phys. Lett. A, Vol. 23, Issue 01, 33, 2008.

 

Prof. Paolo Di Sia. Professore di Matematica e Didattica (Free University of Bolzano (Italy)). Laurea di 1° livello in metafisica, laurea di 2° livello in fisica teorica, PhD (3° livello) in modellistica matematica applicata alle nano-bio-tecnologie. Interessi di ricerca: fisica teorica, fisica alla scala di Planck, teorie del tutto, filosofia teoretica, nanofisica classica e quanto-relativistica, nano-bio-tecnologie, modellistica matematica, fisica e filosofia della mente, logica e filosofia della scienza, neuroscienza, econofisica quanto-relativistica, quantum computing, quantum information, didattica e divulgazione della matematica e della fisica. Più di 100 pubblicazioni (su riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, pubblicazioni accademiche interne, interventi su web-page scientifiche), revisore di 2 libri di matematica per l’università, in preparazione un capitolo per un’enciclopedia internazionale. Revisore per alcune riviste internazionali e invitato come revisore ed editore, 3 premi internazionali ottenuti, nominato per “Who’s Who in the World 2014” (32a edizione). Membro di 5 società scientifiche, membro di 5 advisory/editorial boards internazionali.