Le domande sono grandi come l'universo e (quasi) vecchie come il tempo: da dove vengo e perché sono qui? Potrebbe sembrare una domanda per un filosofo, ma se desideri una risposta più scientifica, prova a chiedere a un cosmologo.
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Questo ramo della fisica è al lavoro per cercare di decodificare la natura della realtà abbinando le teorie matematiche a una serie di prove. Oggi la maggior parte dei cosmologi pensa che l'universo sia stato creato durante il big bang circa 13, 8 miliardi di anni fa, e si sta espandendo a un ritmo sempre crescente. Il cosmo è tessuto in un tessuto che chiamiamo spazio-tempo, che è ricamato con una rete cosmica di galassie brillanti e materia oscura invisibile.
Sembra un po 'strano, ma pile di immagini, dati sperimentali e modelli compilati nel corso di decenni possono supportare questa descrizione. E man mano che nuove informazioni vengono aggiunte all'immagine, i cosmologi stanno prendendo in considerazione anche modi più selvaggi per descrivere l'universo, comprese alcune proposte stravaganti che sono comunque radicate nella solida scienza:
Questa collezione di laser e specchi dimostrerà che l'universo è un ologramma 2D? (Fermilab) L'universo è un ologramma
Guarda un ologramma standard, stampato su una superficie 2D e vedrai una proiezione 3D dell'immagine. Riduci le dimensioni dei singoli punti che compongono l'immagine e l'ologramma diventa più nitido. Negli anni '90, i fisici hanno capito che qualcosa del genere poteva accadere con il nostro universo.
La fisica classica descrive il tessuto dello spazio-tempo come una struttura quadridimensionale, con tre dimensioni dello spazio e una del tempo. La teoria della relatività generale di Einstein afferma che, al suo livello più elementare, questo tessuto dovrebbe essere liscio e continuo. Ma fu prima che la meccanica quantistica salisse sulla scena. Mentre la relatività è ottima nel descrivere l'universo su scale visibili, la fisica quantistica ci dice tutto sul modo in cui le cose funzionano a livello di atomi e particelle subatomiche. Secondo le teorie quantistiche, se si esamina il tessuto dello spazio-tempo abbastanza vicino, dovrebbe essere fatto di minuscoli granelli di informazioni, ciascuno cento miliardi di volte più piccolo di un protone.
Il fisico di Stanford Leonard Susskind e il vincitore del premio Nobel Gerard 't Hooft hanno presentato ciascuno dei calcoli che mostrano cosa succede quando si tenta di combinare descrizioni quantistiche e relativistiche dello spazio-tempo. Hanno scoperto che, matematicamente parlando, il tessuto dovrebbe essere una superficie 2D, e i grani dovrebbero agire come i punti in una vasta immagine cosmica, definendo la "risoluzione" del nostro universo 3D. La meccanica quantistica ci dice anche che questi granuli dovrebbero sperimentare nervosismi casuali che potrebbero occasionalmente offuscare la proiezione e quindi essere rilevabili. Il mese scorso, i fisici del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno iniziato a raccogliere dati con una disposizione altamente sensibile di laser e specchi chiamata Holometer. Questo strumento è finemente sintonizzato per captare il movimento minuscolo nello spazio-tempo e rivelare se è effettivamente granuloso alla scala più piccola. L'esperimento dovrebbe raccogliere dati per almeno un anno, quindi potremmo sapere abbastanza presto se viviamo in un ologramma.
L'universo è una simulazione al computer
Proprio come la trama di Matrix, potresti vivere in un programma per computer altamente avanzato e nemmeno saperlo. Alcune versioni di questo pensiero sono state discusse da molto prima che Keanu pronunciasse il suo primo "whoa". Platone si chiedeva se il mondo come lo percepiamo fosse un'illusione e i matematici moderni alle prese con la ragione per cui la matematica è universale: perché non importa quando o dove guardi, 2 + 2 deve sempre essere uguale a 4? Forse perché questa è una parte fondamentale del modo in cui l'universo è stato codificato.
Nel 2012, i fisici dell'Università di Washington a Seattle hanno affermato che se vivessimo in una simulazione digitale, potrebbe esserci un modo per scoprirlo. I modelli di computer standard si basano su una griglia 3D e talvolta la griglia stessa genera anomalie specifiche nei dati. Se l'universo è una vasta griglia, i movimenti e le distribuzioni di particelle ad alta energia chiamate raggi cosmici possono rivelare anomalie simili - un difetto nella matrice - e darci una sbirciatina alla struttura della griglia. Un articolo del 2013 dell'ingegnere del MIT Seth Lloyd costruisce il caso di una svolta intrigante sul concetto: se lo spazio-tempo è fatto di bit quantici, l'universo deve essere un gigantesco computer quantistico. Naturalmente, entrambe le nozioni sollevano un dilemma preoccupante: se l'universo è un programma per computer, chi o cosa ha scritto il codice?
Un buco nero supermassiccio attivo nel cuore del Centaurus Una galassia fa esplodere getti di radiazioni nello spazio. (ESO / WFI (visibile); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Microonde); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Raggi X)) L'universo è un buco nero
Qualsiasi libro di "Astronomia 101" ti dirà che l'universo è esploso durante il big bang. Ma cosa esisteva prima di quel punto e cosa ha scatenato l'esplosione? Un articolo del 2010 di Nikodem Poplawski, allora all'Università dell'Indiana, affermava che il nostro universo era forgiato in un buco nero davvero grande.
Mentre Stephen Hawking continua a cambiare idea, la definizione popolare di buco nero è una regione dello spazio-tempo così densa che, oltre un certo punto, nulla può sfuggire alla sua attrazione gravitazionale. I buchi neri nascono quando densi pacchetti di materia collassano su se stessi, come durante la morte di stelle particolarmente pesanti. Alcune versioni delle equazioni che descrivono i buchi neri proseguono affermando che la materia compressa non collassa completamente in un punto - o singolarità - ma al contrario rimbalza indietro, vomitando materia calda e confusa.
Poplawski scricchiolò i numeri e scoprì che le osservazioni della forma e della composizione dell'universo corrispondono all'immagine matematica di un buco nero che sta nascendo. Il crollo iniziale equivarrebbe al big bang, e tutto dentro e intorno a noi sarebbe fatto dai componenti raffreddati e riorganizzati di quella materia confusa. Ancora meglio, la teoria suggerisce che tutti i buchi neri nel nostro universo possano essere essi stessi i gateway per alternare realtà. Quindi come lo testiamo? Questo modello si basa su buchi neri che ruotano, perché quella rotazione fa parte di ciò che impedisce alla materia originale di collassare completamente. Poplawski afferma che dovremmo essere in grado di vedere un'eco della rotazione ereditata dal nostro buco nero "genitore" nelle indagini sulle galassie, con grandi ammassi che si muovono in una direzione preferita, ma potenzialmente rilevabile.
L'universo è una bolla in un oceano di universi
Un altro enigma cosmico emerge quando si considera ciò che è accaduto nelle prime scaglie di secondo dopo il big bang. Mappe di luce reliquia emesse poco dopo la nascita dell'universo ci dicono che il bambino spazio-tempo è cresciuto esponenzialmente in un batter d'occhio prima di assestarsi in un ritmo più lento di espansione. Questo processo, chiamato inflazione, è piuttosto popolare tra i cosmologi e quest'anno ha ottenuto un ulteriore impulso con la potenziale (ma ancora non confermata) scoperta di increspature nello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali, che sarebbero state il prodotto del rapido scatto di crescita.
Se l'inflazione è confermata, alcuni teorici sostengono che dobbiamo vivere in un mare schiumoso di universi multipli. Alcuni dei primi modelli di inflazione affermano che prima del big bang lo spazio-tempo conteneva ciò che è noto come falso vuoto, un campo ad alta energia privo di materia e radiazione intrinsecamente instabili. Per raggiungere uno stato stabile, il vuoto ha iniziato a bolle come una pentola di acqua bollente. Con ogni bolla, un nuovo universo è nato, dando origine a un multiverso infinito.
Il problema nel testare questa idea è che il cosmo è ridicolmente enorme - l'universo osservabile si estende per circa 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni - e persino i nostri migliori telescopi non possono sperare di scrutare sulla superficie di una bolla così grande. Un'opzione, quindi, è quella di cercare l'evidenza del nostro universo di bolle in collisione con un altro. Oggi le nostre migliori mappe della luce reliquia del big bang mostrano un insolito punto freddo nel cielo che potrebbe essere un "livido" dal sbattere contro un vicino cosmico. O potrebbe essere un colpo di fortuna statistico. Quindi un team di ricercatori guidati da Carroll Wainwright presso l'Università della California, Santa Cruz, ha eseguito modelli di computer per capire quali altri tipi di tracce lascerebbe una collisione frizzante nell'eco del big bang.
