In fisica teorica la cosmologia quantistica tenta di studiare l'effetto della meccanica quantistica sui modelli di formazione ed evoluzione dell'Universo a partire dal Big Bang, tentando di risolvere il problema teorico della singolarità gravitazionale iniziale (punto adimensionale a densità e curvatura infinite) che emergerebbe da tali modelli secondo la relatività generale .
Essa fornirebbe la possibilità che il tempo sia limitato nel passato, oppure che lo spazio sia finito ma il tempo illimitato, giungendo ad evitare la singolarità, anche introducendo nozioni matematiche come il tempo immaginario. In questo ambito assumono importanza fondamentale i concetti di vuoto quantistico e di falso vuoto.
Nonostante i molti tentativi di fornire fondamenta matematicamente consistenti, come l'equazione di Wheeler-DeWitt (utilizzata, ad esempio, nel modello dello stato di Hartle-Hawking), Bryce DeWitt, Quantum Theory of Gravity. I. The Canonical Theory, Physical Review, 160, 1113-1148 (1967) Accesso ristretto. o, più recentemente, la cosmologia quantistica a loop, la cosmologia quantistica rimane un ramo piuttosto speculativo della gravità quantistica.
Teorie di cosmologia quantistica
Big Bang dalla schiuma quantistica
La teoria più diffusa tra i fisici del modello standard della cosmologia, in accordo con la fisica quantistica, è quella che individua la nascita dell'universo da uno spaziotempo primordiale dove, a causa di fluttuazioni quantistiche, si formerebbero e svanirebbero continuamente microregioni spaziotemporali della lunghezza di Planck (schiuma quantistica), analogamente a quanto accade nel vuoto quantistico con la continua comparsa e annichilazione reciproca di particelle e antiparticelle virtuali.
In presenza in una microregione di spaziotempo di un campo scalare metastabile (alla cui particella, non ancora identificata, è stato dato il nome generico di inflatone), dotato di un'elevata energia del vuoto (falso vuoto), una transizione di fase darebbe origine in modo casuale a un'espansione inflazionaria formando un intero universo. Tale processo, rispettando la legge di conservazione dell'energia, potrebbe avvenire con un bilancio energetico equivalente a zero, che si riprodurrebbe nell'universo neoformato, dove energia positiva della materia e negativa gravitazionale si equivarrebbero (universo a energia totale nulla)Stephen Hawking, La teoria del tutto, pag. 88. Da questo processo, al termine della fase inflazionaria, scaturirebbe il plasma di particelle originario del Big bang, quando il campo scalare si stabilizzerebbe in uno stato di minima energia consentendo la prosecuzione dell'espansione a ritmi standard. Secondo tale visione, il Big Bang perderebbe quindi il significato originario di "inizio del tutto", rappresentando il risultato di un evento di inflazione cosmica.Asimmetrie-ottobre 2014
L'universo sarebbe quindi una sorta di "pasto gratis" (espressione di Alan Guth), scaturito da un nulla che in realtà non è tale, poiché spaziotempo ed energia, in senso quantistico, sarebbero "sempre" esistiti.
Stato iniziale senza confini e cosmologie top-down
Lo stato di Hartle-Hawking o teoria dello stato senza confini (in inglese detto anche "no-boundary proposal" cioè progetto senza confini) è una teoria fisica e un modello cosmologico sull'origine dell'universo, nell'ambito del modello standard, ipotizzata da James Hartle e Stephen Hawking. In questa teoria il Big Bang non deriva da una singolarità gravitazionale iniziale ma da uno "stato iniziale senza confini" (da cui il nome di no-boundary proposal), descritto come una sorta di "cupola". L'universo - o meglio, uno stato primordiale a densità altissima di energia e temperatura, assai simile a un buco nero - sarebbe quindi autosufficiente e auto-creato, mentre lo spaziotempo ad un certo punto si sarebbe espanso per un evento come la fluttuazione da questo falso vuoto di tipo quantistico.Hawking: la fisica dimostra che l'universo si auto-creato Il tempo reale, per convenzione, è considerato finito e con un inizio, ma grazie all'uso del tempo immaginario, non vi sono confini.
Lo stato di Hartle-Hawking si collocherebbe cronologicamente come periodo precedente all'era di Planck e all'inflazione. Esso è inoltre descritto come l'inizio dell'universo o del multiverso, oltre il quale non ha senso domandarsi che cosa esistesse prima, poiché nulla esisteva. Il Big Bang sarebbe quindi una fase successiva a questo stato eterno precedente a tutto: essendo come un confine di una sfera o ellissoide, non si potrebbe viaggiare prima di esso (se non esiste il multiverso), come non si può essere più a nord del polo terrestre. Arrivare alla singolarità nuda diventa impossibile come nel paradosso dello stadio di Zenone.
Insieme a Thomas Hertog, al CERN, nel 2006, Hawking ideò uno sviluppo ulteriore della sua proposta senza confini, la "cosmologia top-down" (dalle strutture grandi alle piccole, un modello di Fine-tuned Universe e nell'ambito della teoria M e dell'interpretazione a molti mondi), per cui l'universo non aveva alcuno stato unico iniziale, e quindi è inappropriato per i fisici tentare di formulare una teoria che cerchi di predire la configurazione attuale dell'universo partendo da un preciso stato iniziale. La cosmologia top-down di Hawking postula che il presente possa selezionare il passato da una sovrapposizione di molte possibili storie (la cosiddetta somma sulle storie di Richard Feynman o integrale sui cammini). Secondo questa teoria matematica è inevitabile scoprire le attuali costanti fisiche del nostro universo, dato che l'attuale universo "seleziona" soltanto quelle storie passate che hanno portato alle condizioni presenti.S. W. Hawking, T. Hertog, Populating the Landscape: A Top Down Approach Come nell'interpretazione a molti mondi, le storie fallimentari sono terminate, proprio come nella selezione naturale. In questo modo si fornisce una spiegazione antropica per il motivo per cui ci troviamo in un universo che permette l'esistenza della materia stabile e della vita, senza per questo dover invocare l'esistenza di molteplici universi, cosa che Hawking comunque non esclude affatto.
Inflazione eterna e Teoria delle bolle
L'inflazione eterna è un modello nel quale la fase di espansione accelerata dell'universo dovuta all'inflazione continua per sempre, almeno in alcune regioni. L'inflazione eterna è prevista da molti modelli differenti di inflazione cosmica. Il modello originale di Alan Guth di inflazione includeva una fase di falso vuoto con energia del vuoto positiva. Nell'inflazione eterna parti dell'universo in quella fase si espandono inflativamente e solo occasionalmente decadono a uno stato di energia minore, non inflazionario, chiamato anche stato fondamentale. Dato che queste regioni si espandono a tassi esponenziali, l'intero volume dell'universo cresce indefinitamente e sempre più rapidamente, fino alla riproduzione di un nuovo falso vuoto da cui originerebbe un nuovo universo.
La teoria comprende anche la cosiddetta variante dell'inflazione caotica o teoria delle bolle (in inglese "Bubble Theory"), proposta da Andrej LindeUn sunto efficace della qui menzionata teoria e della vicenda delle sue prime formulazioni si può rinvenire nell'articolo scritto dal medesimo Andrej Linde: Un universo inflazionario che si autoriproduce, in "Cosmologia" - Le Scienze quaderni n.117., un modello di cosmologia frattale nel quale l'inflazione eterna condurrebbe per forza di cose a postulare un multiverso, cioè l'esistenza contemporanea di molti o infiniti universi ciascuno originato da una propria bolla di inflazione e con le proprie leggi fisiche.
Cosmologia della gravità quantistica a loop: il Big Bounce
La gravità quantistica a loop (LQG, dal termine inglese Loop Quantum Gravity), conosciuta anche coi termini di gravità a loop, geometria quantistica e relatività generale canonica quantistica, è stata proposta quale teoria quantistica dello spazio-tempo che cerca di unificare le teorie della meccanica quantistica e della relatività generale.Secondo questa teoria lo spaziotempo sarebbe costituito da anelli (in inglese loop) di dimensioni infinitesime, di 10−35 metri, ossia dieci miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di nanometri. Questi anelli infinitamente piccoli possono contenere una certa quantità di energia che non può mai diventare infinita come in una singolarità gravitazionale, che viene esclusa dalla teoria.
Su questa concezione si basa la teoria del Big Bounce (in inglese "Grande Rimbalzo"), elaborata dal fisico tedesco Martin Bojowald, esperto di gravità quantistica, e dal suo team della Pennsylvania State University, pubblicata nel luglio 2007 su Nature Physics online. La teoria si occupa dell'origine e della fine dell'Universo visibile e di cosa ci fosse "prima" dell'Universo. Si tratta di una variante della teoria dell'universo oscillante secondo la quale l'universo si espanderà fino ad un certo punto e poi si ritrarrà in uno stato simile a quello del Big Bang, quindi si verificherà una nuova nascita (il Big Bounce), con la ripetizione del processo per l'eternità.
Il processo si svolgerebbe in un universo chiuso, che tiene però conto delle scoperte sull'universo in accelerazione e della meccanica quantistica, oltre che della relatività generale. Lo spostamento verso il rosso cosmologico è quindi, come nel modello ciclico originale, caratteristico dell'espansione mentre lo spostamento verso il blu della contrazione. Alcuni sostengono che a causa delle dimensioni del cosmo vediamo "il passato", ossia l'universo che si stava allontanando dopo il Big Bang, ma in realtà abbia già cominciato a contrarsi. Anche nel caso che l'energia oscura si riveli una quintessenza, sarebbe possibile il verificarsi di un Big Bounce se tale costante decadesse o divenisse (o ritornasse) attrattiva anziché repulsiva.
È stata proposta un'estensione della teoria che permetterebbe di colmare la lacuna temporale fra il big bounce e l'inizio dell'inflazione, derivando in modo completo la cosmologia standard e facendo risalire allo stesso big bounce le fluttuazioni quantistiche riscontrabili nella successiva fase inflazionaria.
Teorie molto simili sono inoltre sostenute da altri fisici che si occupano di gravità quantistica, come Leonardo Fernández-Jambrina, Ruth Lazkoz, Peter Lynds, Nikodem Popławski, Parampreet Singh..
Modelli della teoria delle stringhe
In fisica teorica, la teoria delle stringhe (letteralmente in inglese string significa "corda") è una teoria, ancora in fase di sviluppo, che tenta di conciliare la meccanica quantistica con la relatività generaleSunil Mukhi(1999)"The Theory of Strings: A Detailed Introduction", e che si spera pertanto possa costituire una teoria del tutto. Sue evoluzioni sono la teoria delle superstringhe e la teoria M.
Si fonda sul principio secondo cui la materia, la radiazione e, sotto certe ipotesi, lo spazio e il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche fondamentali che, a seconda del numero di dimensioni in cui si sviluppano, vengono chiamate stringhe oppure p-brane. Anche queste teorie presuppongono due o più universi, fino ad un multiverso. Modello ciclico nella teoria M
Selezione naturale cosmologica
La selezione naturale cosmologica è un modello cosmologico proposto da Lee Smolin, esperto di cosmologia quantistica e gravità dei quanti ma presente anche in altri modelli, che prevede la nascita di vari universi (che formano un infinito ed eterno multiverso) da un universo precedente tramite un buco bianco/buco nero, in modo che venga selezionato probabilisticamente, analogamente a quanto accade in biologia con la legge dell'evoluzione scoperta da Charles Darwin (in cui vince la lotta per la sopravvivenza l'organismo più adattabile), il più adatto alla vita intelligente (secondo il metro di giudizio "umano"). In questo modo è nato, casualmente, questo attuale universo, dove si trova la Terra.
Modello di Baum-Frampton