Dal Big Bang alla Cosmologia Ciclica – From Big Bang to Cyclic Cosmology

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(English version below)

Big Bang timeline ((C) physicsoftheuniverse.com, originally from Bennett et al., 2014, “The Essential Cosmic Perspective”, Addison-Wesley)

L’universo nacque 13,7 miliardi di anni fa in un’esplosione titanica chiamata Big Bang, che creò lo spazio e il tempo stessi. Il primo secondo fu pieno di eventi importanti, in particolare la separazione delle quattro forze fondamentali da una unica: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica (i cui portatori sono particelle chiamate fotoni che compongono la luce), la forza nucleare forte (quella che tiene insieme i quark a formare protoni e neutroni e questi ultimi due a formare i nuclei atomici, grazie ai suoi portatori, i gluoni) e la forza nucleare debole (quella responsabile dei decadimenti radioattivi).

Epoca di Plank (t=10-43 s e T = 1032 K = 1019 GeV considerando la temperatura in unità di energia): dopo che spazio e tempo iniziano ad avere significato, la gravità si separa dalle altre forze; questa fase iniziale è una singolarità di densità infinita e non può essere descritta finora dalle nostre leggi fisiche, c’è bisogno di leggi di gravità quantistica; questo punto minuscolo, 10-32 cm, più piccolo di un protone, inizia ad espandersi e in questo modo si raffredda.

Epoca della Teoria della Grande Unificazione (GUT) (t=10-35 s e T=1015 GeV): l’universo diventa asimmetrico nel numero di barioni, ovvero c’è più materia che antimateria; la forza nucleare forte si separa da quella elettromagnetica-debole e causa l’inflazione, un periodo di espansione esponenziale veloce che finisce a t=10-33 s, quando l’universo ha raggiunto la dimensione di una pallina da tennis ed è costituito da una “zuppa bollente” di particelle e antiparticelle, principalmente quark, antiquark, elettroni, positroni (antielettroni), gluoni e fotoni.

Transizione elettro-debole (t=10-12 s e T=103 GeV): si separano la forza elettromagnetica e quella debole.

Transizione quark-adroni (t=10-5 s e T=1 GeV): non c’è più abbastanza energia affinché si producano spontaneamente coppie quark- antiquark e le coppie già esistenti si annichilano fino a che l’antimateria scompare; i quark rimanenti si uniscono per formare protoni e neutroni e altre particelle chiamate collettivamente adroni; l’universo ha circa la dimensione del Sistema Solare.

Nucleosintesi primordiale (t=3 min e T=1 MeV = 1010 K): protoni e neutroni si uniscono per formare nuclei leggeri, ovvero Deuterio, Elio e, in misura minore, Litio.

Epoca dell’Equivalenza (t= 53 000 anni, T=9000 K): finora la radiazione (i fotoni) aveva dominato l’espansione dell’universo, ma ora la sua densità diventa minore di quella della materia, che quindi inizia a dominare l’espansione.

Epoca della Ricombinazione (t=380 000 anni e T= 3000 K): la temperatura è abbastanza bassa da permettere che elettroni e protoni si uniscano a formare Idrogeno atomico; i fotoni, che prima erano intrappolati in un plasma nebbioso di gas ionizzato, ora possono muoversi liberi e l’universo diventa trasparente. Questa radiazione primordiale riempie l’universo ancora oggi e si è raffreddata fino ad una temperatura di 2,7 K = 10-3 eV: la Radiazione Cosmica di Fondo nelle Microonde (CMB = Cosmic Microwave Background in inglese). Essa è molto uniforme, tuttavia sono presenti disomogeneità piccole (dovute all’inflazione che ha ingrandito piccole fluttuazioni quantistiche): sono regioni con una densità un po’ più alta, dove, in centinaia di milioni di anni, la materia attrae più materia e il gas collassa fino a che…

Epoca della Ri-ionizzazione (t = 500 milioni di anni): … le prime stelle massicce nascono e illuminano l’universo (fine del Medioevo Cosmico); grazie alla fusione nucleare, esse combinano nuclei di idrogeno in elio e poi in nuclei più pesanti fino al ferro e dopo di ciò muoiono in una grande esplosione (supernova) in cui altri elementi vengono formati; idrogeno, elio e altri elementi formano altre stelle e galassie.

Epoca dell’Accelerazione (t = 8 miliardi di anni): con l’espansione dell’universo, la materia (ordinaria e oscura) si è rarefatta abbastanza perché la forza attrattiva di gravità venga superata dalla forza repulsiva dell’energia oscura, che fa accelerare l’espansione.

I valori della densità di materia (27%, materia ordinaria più materia oscura che è ancora un mistero) e dell’energia oscura (73%, interpretata come l’energia del vuoto) sono tali che la geometria dell’universo è piatta – cioè, la densità totale è uguale a quella critica (la densità a cui la forza gravitazionale attrattiva fra galassie ha la meglio sull’espansione) e l’espansione in futuro rallenterà tendendo a zero senza mai raggiungerlo. Le galassie si allontaneranno fra loro sempre più, le stelle consumeranno tutto il loro combustibile e si spegneranno; per un certo tempo solo i buchi neri continueranno ad accrescersi, ma sembra che siano destinati a dissolversi a causa della radiazione Hawking. I costituenti elementari della materia rimasta inizieranno a decadere, finché, tra 10100 anni, enormi distanze separeranno solitarie particelle. Questo decadimento porterà alla scomparsa della massa e, se non c’è massa, non c’è neanche il tempo (perché il tempo è determinato dall’oscillazione delle particelle e ciascuna particella oscilla con una frequenza molto specifica dovuta alla propria massa): l’universo perderà memoria del proprio passato perché la memoria è impressa nella materia. Se non c’è una scala del tempo, non c’è neanche una scala dello spazio e si ha un tipo di geometria “più primitivo” (geometria conforme) in cui solo gli angoli sono importanti: grande e piccolo sono equivalenti.

Ora, questa geometria del remoto futuro dell’universo è soddisfatta in un altro punto di esso: il suo inizio. Subito dopo il Big Bang, la temperatura era così alta che la massa diventa irrilevante e il tempo non ha significato. L’enorme universo del futuro remoto diventa il piccolissimo inizio di un altro universo, un altro eone, in accordo con Roger Penrose che ha proposto questa teoria chiamata Cosmologia Ciclica Conforme (CCC). Prima del nostro eone, non ci fu quella grande esplosione chiamata il Big Bang, ma un altro universo che perse massa e memoria; quando il nostro universo perderà massa e memoria, un altro eone incomincerà, e così via, in una serie infinita di eoni.

C’è un’altra caratteristica in comune fra l’inizio e la fine dell’universo: un basso livello di entropia. Secondo il Secondo Principio della Termodinamica, poiché l’universo è un sistema isolato, esso è iniziato in modo ordinato (basso livello di entropia) e, man mano che stelle e galassie si formano e si espandono e i buchi neri ingoiano materia, evolve verso sempre più disordine (alto livello di entropia). Tuttavia, secondo Stephen Hawking, i buchi neri evaporano lentamente emettendo radiazione, che non contiene informazioni riguardo tutto ciò che era stato ingoiato in passato, ovvero ricostruire l’entropia di un buco nero è impossibile: la radiazione Hawking fa sì che l’universo perda entropia, invece che aumentarla. Più tardi, Hawking salvò il Secondo Principio della Termodinamica sostenendo che la radiazione contiene informazioni sul contenuto del buco nero, ma Penrose non è d’accordo. Egli pensa che davvero l’evaporazione dei buchi neri porterà ad un basso livello di entropia nel remoto futuro dell’universo, uguale al basso livello di entropia dell’inizio di un nuovo eone.

Infine, Penrose sostiene di avere una prova della sua Cosmologia Ciclica Conforme: con i suoi collaboratori, nel 2010 trovò nella CMB cerchi concentrici in cui la temperatura è marcatamente minore e li interpretò come segni di onde gravitazionali rilasciate da una fusione di buchi neri nell’eone precedente; nel 2018 trovò nella CMB “punti caldi” interpretati come dovuti all’evaporazione di buchi neri supermassivi sempre nello scorso eone. Tuttavia, molti scienziati non sono d’accordo con la teoria di Penrose e dicono che questi fatti possono essere spiegati in termini di anisotropie della CMB; inoltre, obiettano l’assunzione della CCC che nel remoto futuro tutte le masse decadranno perché non c’è alcuna evidenza che alcune particelle con massa molto piccola come l’elettrone decadano.

La CCC potrebbe non essere la risposta che stiamo cercando, ma dovremmo considerare le sue importanti intuizioni: abbiamo bisogno di tutte le idee possibili per avere un quadro completo. Come ho spiegato nel mio primo articolo, penso che l’Universo sia più grande della nostra limitata realtà percepita e che non possiamo aspettarci di chiuderlo in una singola teoria ristretta. Non dovremmo mai scartare nulla come “troppo matto” se davvero vogliamo risolvere il mistero dell’inizio e della fine dell’Universo.

Fonti:

Radiazione Cosmica di Fondo osservata da Planck – Cosmic Microwave Background observed by Planck ((C) ESA/Planck Collaboration)

From Big Bang to Cyclic Cosmology

The universe was born 13.7 billion years ago in a titanic explosion called the Big Bang, which created space and time themselves. The first second was full of important events, in particular the separation of the four fundamental forces from a unified one: the gravitational force, the electromagnetic force (whose carriers are particles called photons that make up light), the strong nuclear force (the one that keeps together quarks into protons and neutrons and the last two into atomic nuclei, thanks to its carriers, the gluons) and the weak nuclear force (the one responsible for radioactivity decay).

Plank epoch (t=10-43 s and T = 1032 K = 1019 GeV considering temperature in units of energy): after that time and space begin to have a meaning, gravity separates from other forces; this initial phase is a singularity of infinite density and cannot be described so far by our physical laws, quantum gravity laws are needed; this tiny point, 10-32 cm, smaller than a proton, begins to expand and in this way cools down.

GUT (Grand Unification Theory) epoch (t=10-35 s and T=1015 GeV): the universe becomes asymmetric in the baryonic number, that is there is more matter than antimatter; strong nuclear force separates from electromagnetic-weak force and causes inflation, a period of fast exponential expansion that ends at t=10-33 s, when the universe has reached the size of a tennis ball and is a “boiling soup” of particles and antiparticles, mainly quarks, antiquarks, electrons, positrons (antielectrons), gluons and photons.

Electroweak transition (t=10-12 s and T=103 GeV): separation of electromagnetic and weak forces.

Quark-Hadron transition (t=10-5 s and T=1 GeV): there is no longer enough energy for quark-antiquark pairs to be produced spontaneously and the pairs in existence annihilate each other until antimatter disappears; remaining quarks combine to form protons and neutrons and other particles collectively called hadrons; the universe is about the size of our Solar System.

Primordial nucleosynthesis (t=3 min and T=1 MeV = 1010 K): protons and neutrons combine to form light nuclei, that is Deuterium, Helium and, to a lesser extent, Lithium.

Equivalence epoch (t= 53 000 years, T=9000 K): so far, radiation (photons) had dominated the expansion of the universe, but now its density becomes lower than that of matter, which begins to dominate the expansion.

Recombination epoch (t=380 000 years and T= 3000 K): the temperature is low enough to allow electrons and protons to bind together forming atomic Hydrogen; photons, which before were trapped into a foggy plasma of ionized gas, now can fly free and the universe becomes transparent. This primordial radiation still fills the universe today and has cooled down to a temperature of 2.7 K = 10-3 eV: the Cosmic Microwave Background (CMB). It is rather uniform, but some very small inhomogeneities are present (due to inflation that has stretched small quantum fluctuations): they are regions of a little higher density, where, in hundreds of millions of years, matter attracts more matter and gas collapses until…

Re-ionization epoch (t = 500 million years): … the first massive stars are born and light up the universe (end of Cosmic Dark Age); thanks to nuclear fusion, they combine hydrogen nuclei into helium and then heavier nuclei until iron and after that they die in a great explosion (supernova) in which other elements are formed; hydrogen, helium and other elements combine again to form other stars and galaxies.

Acceleration epoch (t = 8 billion years): with the universe expansion, matter (both ordinary and dark) has rarefied enough so that the attractive gravitational force is overcome by the repulsive force of dark energy, which gets expansion to accelerate.

The values of density of matter (27%, ordinary matter plus dark matter which is still a mystery) and of dark energy (73%, interpreted as a vacuum energy) are so that the geometry of the universe is flat – that is, the overall density is equal to the critical one (the density at which the attractive gravitational force between galaxies overcomes their expansion) and the expansion in the future will slow down tending to zero without never reaching it. Galaxies will become more and more distant from each other, stars will consume all their fuel and will die; for some time only black holes will keep growing, but they seemed doomed to evaporate because of Hawking radiation. The fundamental constituents of remaining matter will decay until, in 10100 years, enormous distances will separate solitary particles. This decay will bring to the disappearance of mass and, if there is no mass, there is also no time (because time is determined by the oscillation of particles and each particle oscillates with a very specific frequency due to its mass): the universe will lose memory of its past because memory is impressed in matter. If there is no scale of time, there is also no scale of space and we have a “more primitive” kind of geometry (conformal geometry) where only angles are important: big and small are equivalent.

Now, this geometry of the remote future of the universe is satisfied in another point of it: its beginning. Soon after the Big Bang, the temperature was so high that mass becomes irrelevant and time doesn’t have a meaning. The very large universe of the remote future becomes the very small beginning of another universe, another aeon, according to Roger Penrose who proposed this theory called Cyclic Conformal Cosmology (CCC). Before our aeon, there was not the big explosion called Big Bang, but another universe who lost mass and memory; when our universe will lose mass and memory, another aeon will begin, and so on, in an infinite series of aeons.

There is another feature in common between the beginning and the end of the universe: a low level of entropy. According to the Second Law of Thermodynamics, since the universe is an isolated system, it began in an ordered way (low level of entropy) and, as stars and galaxies form and expand and black holes swallow matter, it evolves towards more and more disorder (high level of entropy). However, according to Stephen Hawking, black holes slowly evaporate emitting radiation, which doesn’t contain information about all things that were swallowed in the past, that is, reconstructing the entropy of the black hole is impossible: Hawking radiation makes the universe lose entropy, instead of increasing it. Later, Hawking saved the Second Law of Thermodynamics claiming that the radiation contains information about the content of the black hole, but Penrose doesn’t agree. He thinks that indeed the evaporation of black holes will lead to a low level of entropy in the remote future of the universe, equal to the low level of entropy of the beginning of a new aeon.

Finally, Penrose claims to have a proof of his Conformal Cyclic Cosmology: with his collaborators, in 2010 he found concentric circles in the CMB where the temperature is markedly smaller and interpreted them as marks of gravitational waves released in a black hole merger in the precedent aeon; in 2018 he found in the CMB hot spots interpreted as due to evaporation of supermassive black holes in the previous aeon. However, many scientists disagree with Penrose’s theory and say that these facts can be explained in terms of anisotropies of the CMB; moreover, they object the assumption of CCC that in the remote future all masses will decay because there is no evidence that some very low-mass particles such as electrons decay.

CCC might not be the answer we are searching for, but we should consider its important insights: we need all possible ideas to have a complete picture. As I explained in my first article, I think the Universe is greater than our limited perceived reality and we cannot expect to close it in a single narrow theory. We should never discard anything as “too crazy” if we really want to solve the mystery of the beginning and the end of the Universe.   

References:

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Pubblicato da valeriavanzani

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