Problema del piccolo universo

L’universo è grande, dice Douglas Adams.

La luce più lontana che possiamo vedere è la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), che ha impiegato più di 13 miliardi di anni per raggiungerci. Questo segna il limite dell’universo osservabile e, anche se si potrebbe pensare che ciò significhi che l’universo ha un diametro di 26 miliardi di anni luce, grazie all’espansione cosmica ora è più vicino a 46 miliardi di anni luce. A detta di tutti, questo è un grosso problema. Ma la maggior parte dei cosmologi ritiene che l’universo sia molto più grande dell’angolo da cui può essere osservato. Ciò che possiamo vedere è una piccola parte di uno spazio inimmaginabilmente vasto, Se la creazione non è infinita. Tuttavia, un nuovo studio suggerisce che l’universo osservabile è principalmente tutto ciò che esiste.

In altre parole, a livello cosmico, l’universo è molto piccolo.

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Ci sono diverse ragioni per cui i cosmologi credono che l’universo sia grande. Il primo è la distribuzione degli ammassi di galassie. Se l’universo non si estendesse oltre ciò che vediamo, le galassie più distanti sentirebbero un’attrazione gravitazionale verso la nostra regione dell’universo, ma non lontano da noi, portando ad ammassi asimmetrici. Perché le galassie sono raggruppate più o meno alla stessa scala in tutto l’universo osservabile. In altre parole, l’universo osservabile è omogeneo e isotropo.

Il secondo punto è questo Lo spaziotempo è piatto. Se lo spaziotempo non fosse piatto, la nostra visione delle galassie lontane sarebbe distorta, facendole apparire molto più grandi o più piccole di quanto non siano in realtà. Le galassie distanti appaiono leggermente più grandi a causa dell’espansione cosmica, ma non in un modo che suggerisca una curvatura complessiva dello spaziotempo. In base ai limiti delle nostre osservazioni, la piattezza dell’universo significa che è almeno 400 volte più grande dell’universo osservabile.

Poi c’è il fatto che lo sfondo cosmico delle microonde è un corpo nero quasi perfetto. Ci sono leggere fluttuazioni nella sua temperatura, ma è più uniforme di quanto dovrebbe essere. Per spiegare ciò, gli astronomi hanno proposto un periodo di massiccia espansione subito dopo il Big Bang, noto come inflazione cosmica precoce. Non abbiamo osservato alcuna prova diretta di ciò, ma il modello risolve molti problemi cosmologici rendendolo ampiamente accettato. Se il modello è accurato, l’universo è classificato al 10° posto²⁶ Tempi più grandi dell’universo osservabile.

Quindi, alla luce di tutte queste prove teoriche e osservative, come si può sostenere che l’universo sia piccolo? Riguarda la teoria delle stringhe e le paludi.

Sebbene la teoria delle stringhe venga spesso presentata come una teoria fisica, in realtà è una raccolta di metodi matematici. Può essere utilizzato per sviluppare modelli fisici complessi, ma può anche essere solo matematica in sé. Un problema nel collegare la matematica della teoria delle stringhe ai modelli fisici è che gli effetti si vedranno solo nelle situazioni più estreme, e non disponiamo di dati osservativi sufficienti per escludere modelli diversi. Tuttavia, alcuni modelli della teoria delle stringhe sembrano più promettenti di altri. Ad esempio, alcuni modelli sono compatibili con la gravità quantistica, altri no. Spesso i teorici identificano una “palude” di teorie poco promettenti.

Quando si separano le terre teoriche promettenti dalla palude, ciò che rimane sono teorie in cui l’inflazione cosmica precoce non è un’opzione. La maggior parte dei modelli di teoria delle stringhe inflazionistiche esistono nelle paludi. Ciò porta a chiedersi se sia possibile costruire un modello cosmologico coerente con l’osservazione senza inflazione precoce. Il che ci porta a questo nuovo studio.

Un modo per aggirare l’inflazione cosmica iniziale è guardare alle strutture dimensionali più elevate. La relatività generale classica si basa su quattro dimensioni fisiche, tre dello spazio e una del tempo, ovvero 3+1. Matematicamente, puoi immaginare un universo 3+2 o 4+1, in cui la struttura globale può essere combinata in un’efficiente struttura 3+1. Questo è un approccio comune nella teoria delle stringhe perché non è limitato alla struttura standard della relatività generale. Gli autori mostrano che, nelle giuste condizioni, è possibile creare una struttura multidimensionale all’interno della teoria delle stringhe, che sia coerente con l’osservazione ed eviti i pantani. Sulla base dei loro modelli di gioco, l’universo potrebbe essere solo cento o mille volte più grande dell’universo osservabile. È ancora ampio, ma piuttosto piccolo rispetto ai primi modelli di inflazione.

Si tratta solo di speculazioni, ma in un certo senso questo è il caso dell’inflazione cosmica iniziale. Se l’inflazione cosmica iniziale fosse vera, dovremmo essere in grado di osservarne gli effetti attraverso le onde gravitazionali in un futuro abbastanza prossimo. Se ciò fallisse, potrebbe valere la pena esaminare più da vicino i modelli della teoria delle stringhe che ci tengono fuori dal pantano teorico.

riferimento: Linners, Jean-Luc e Quentin, Jerome. “Piccolo universo“. arXiv prestampa arXiv:2309.03272 (2023)