La cosmologia ciclica conforme (in inglese Conformal Cyclic Cosmology, abbreviato CCC) è un modello cosmologico di universo ciclico, proposto dal 2001 in poi dal matematico e fisico teorico Roger Penrose e dal collega Vahe Gurzadyan, che postula che la fine dell'universo sia l'inizio di uno nuovo, dato che la bassa entropia successiva alla morte termica dell'Universo (il momento in cui invece l'entropia è massima) sarebbe la stessa che c'era prima del Big Bang, a causa dell'evaporazione dei buchi neri.
In quanto priva delle grandezze fisiche di spazio e di tempo, tale condizione, simile alle condizioni della lunghezza di Planck, genererebbe un nuovo Big Bang per fluttuazione e grazie alla spinta dell'accelerazione, nel quadro di un universo ciclico, infinito nel tempo ma non nello spazio. Questo modello è una variante e un superamento dell'universo ciclico classico, ma anche della teoria dello stato stazionario e dell'universo statico, ed è basato principalmente su una nuova interpretazione della relatività generale, conciliata con la meccanica quantistica e tramite l'uso dello spaziotempo di Minkowski e della geometria conforme al posto dell'universo di de Sitter e della geometria euclidea.
Il modello accetta l'espansione dell'universo fino al dissolvimento completo della materia e all'assorbimento della luce da parte dei buchi neri, postulando che a quel punto ciò che rimarrebbe sarebbe del tutto simile alla condizione dell'iniziale singolarità gravitazionale. Nella CCC l'universo attraversa cicli infiniti (chiamati "eoni"), con ogni futuro infinito intervallo di spaziotempo che si presenta come ripetizione di ogni precedente iterazione, ed è identificato con la singolarità gravitazionale del Big Bang. La CCC si pone come un'alternativa alle più diffuse teorie cosmologiche. Penrose afferma che una prova del suo modello sarebbe contenuta nella radiazione di fondo e nelle onde scoperte in essa, che sarebbero i residui materiali degli universi precedenti (i cosmologi solitamente attribuiscono a fluttuazioni quantistiche espanse dall'inflazione, quindi alle onde gravitazionali, tali cerchi concentrici), in particolare collisioni ed esplosioni di buchi neri supermassicci.
La CCC si propone - in contrasto con la teoria dell'inflazione - di risolvere i numerosi problemi lasciati aperti dalle ipotesi precedenti, ed è basato secondo i sostenitori su teorie fisiche e matematiche accettate, come la rielaborazione delle fondamentali equazioni di Einstein.Introduzione e risvolto di copertina del libro di Penrose Dal Big Bang all'eternità Molti fisici considerano comunque questa teoria come parte della cosmologia non standard, dato che nega il Big Bang classico e le sue implicazioni nel modello Lambda-CDM.
Presentazione
Osservando la mappa della radiazione cosmica, Penrose e Gurzadyan notarono la presenza di una serie di cerchi concentrici all'interno della CMB, all'interno dei quali la variazione di temperatura è molto inferiore a quanto si aspettavano, un fatto che mostra come l'anisotropia non sia del tutto casuale. I due scienziati ritennero che questi cerchi derivino da collisioni fra buchi neri supermassicci. L'aspetto più singolare di questi cerchi è che, secondo i calcoli dei ricercatori, alcuni dei cerchi più grandi dovrebbero essersi formati prima del Big Bang. La scoperta non implicava che non ci sia stato un Big Bang, piuttosto fornì un indizio della possibilità di vivere in universo ciclico. Penrose aveva già in precedenza studiato possibili modelli cosmologici ciclici in relazione a un altro problema della teoria inflazionaria dell'universo, ossia che essa non è in grado di spiegare perché ci fosse una così bassa entropia all'inizio dell'universo. Lo stato di bassa entropia era essenziale per la formazione della materia complessa. L'idea di base di Penrose è che quando un universo si è espanso quanto più possibile, i buchi neri evaporando perderanno tutta l'informazione che contengono, rimuovendo così l'entropia. A questo punto potrebbe iniziare un nuovo eone con uno stato di bassa entropia.
Secondo Penrose, un tempo sostenitore della teoria che prevedeva il "nulla prima del Big Bang" - che sostituì quella sostenuta dal suo maestro, Dennis Sciama, la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e altri -, afferma nel libro Dal Big Bang all'eternità che l'infinitamente grande, ad ogni fine dell'universo, forse equivarrà all'infinitamente piccolo, e l'universo apparentemente freddo e morto potrebbe così dare origine ad un nuovo Big Bang (la bassa entropia sarebbe la stessa della nascita del primo universo), anche se diverso da quello della teoria del Big Bounce. L'attuale universo sarebbe uno degli infiniti "eoni" (ognuno della durata approssimativa di 10100 anni, ovvero 1 seguito da 100 zeri, un numero chiamato Googol) che costituiscono l'eterno universo (il termine "eone", ripreso da Penrose, è la traduzione del termine religioso orientale kalpa, che indica in queste tradizioni un periodo variabile fino a 1,28 trilioni di anni). Non vennero esclusi a priori né l'inflazione (criticata da Penrose) né il multiverso, anche se i calcoli teorici non confermarono questi argomenti.
Questa teoria tenta di conciliare le leggi relativistiche con la meccanica quantistica (in alternativa alla teoria delle stringhe con la Teoria M, all'inflazione e alla gravità quantistica a loop), senza però scardinare i fondamenti minimi del modello standard delle interazioni fondamentali e della cosmologia.Gurzadyan VG, Penrose R, "On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky", Eur.Phys.J. Plus 128 (2013) 22; https://arxiv.org/abs/1302.5162
Le onde gravitazionali distorcono la trama dello spaziotempo e, secondo Penrose e il suo collega Vahe Gurzadyan, lasciano traccia del loro passaggio in forma di questi anelli concentrici. Inoltre si afferma che non ci può essere un inizio (singolarità), se prima non c'è qualcosa. L'assenza del Big Bang
La radiazione di fondo è anisotropa, ovvero la sua temperatura subisce fluttuazioni di circa una su 100.000, e queste fluttuazioni (principale sostegno della teoria del Big Bang) dovrebbero essere casuali, e risalenti al periodo dell'inflazione. Penrose e Gurzadyan hanno scoperto però la presenza di una serie di cerchi concentrici all'interno della radiazione, all'interno dei quali la variazione di temperatura è molto inferiore all'atteso, un fatto che mostra come l'anisotropia non sia del tutto casuale. I due scienziati ritengono che questi cerchi derivino da collisioni fra buchi neri supermassicci che avrebbero rilasciato enormi "lampi di energia". Secondo Penrose e Gurzadyan lo scontro dei due buchi neri, che ha determinato i cerchi, sarebbe avvenuto proprio al termine dell'eone precedente a quello del nostro universo.
Penrose sostiene che, se rimangono solo i fotoni e la materia rimane inerte allo stato di subparticelle, si fermerà il tempo, poiché i fotoni non hanno massa sufficiente. Se si ferma il tempo e lo spazio, lo spaziotempo cessa di esistere, le sue leggi anche e l'universo enorme e dilatato, diverrà equivalente a un universo microscopico, e, per effetto delle leggi di conservazione della materia e della massa, produrrà un nuovo universo. Questo accadrà non in seguito ad una contrazione gravitazionale come nel Big Bounce e nel Big Crunch, ma grazie alla dissoluzione dell'universo precedente causata dall'espansione in un Big Freeze e dall'azione dei buchi neri, che assorbiranno tutta la materia ed evaporeranno nella radiazione di Hawking (portando con sé anche l'entropia o "disordine" cosmico, che dovrebbe essere al massimo), producendo così un cosmo simile a quello pre-Big Bang, a livello strettamente fisico.
Spiegazione dell'accelerazione dell'universo Penrose si spinge ad affermare che l'universo in accelerazione è la spinta di un futuro Big Bang o comunque una rinascita dell'universo; ha calcolato che una certa quantità di radiazione gravitazionale deve essere preservata attraverso il confine tra eoni. Penrose suggerisce che questa radiazione gravitazionale supplementare può essere sufficiente a spiegare l'accelerazione cosmica osservata, senza fare ricorso al campo di materia derivato dall'ipotetica enorme quantità di energia oscura, e senza prevedere l'inflazione per spiegare l'omogeneità dell'universo..Recensione di Dal Big Bang all'eternità
Penrose sostiene che la sua teoria sia l'unica che possa far coincidere tutti i dati raccolti e le formulazioni teoriche come la radiazione di Hawking, a differenza delle altre, che giudica teorie incomplete e con forzature fisiche e matematiche, nonché incongruenze legate alla geometria dello spaziotempo (da cui il termine "conforme") - un esempio di questa "geometria perfetta" (Penrose cita, come padre della "geometria conforme", Eugenio Beltrami) è la cosiddetta tassellatura di Penrose - e all'entropia dell'Universo.
Teoria fisica nei dettagli Costruzione matematica di base La costruzione base ideata da Penrose è collegata ad un insieme di sequenza numerabile di un certo numero di sequenze di spaziotempo, aperte e basate sulla metrica di Friedmann - Lemaître - Robertson - Walker (FLRW). Ognuna rappresenta un Big Bang seguito da un'infinita futura espansione. Il fisico ha notato che i "confini conformi", previsti dai calcoli del suo diagramma di Penrose (estensione dei calcoli teorici di Minkowski e della mappa conforme), nel passato, hanno una copia di spaziotempo di FLWR, la quale può essere "fissa" e diventare il futuro "confine conforme" di un altro spaziotempo, dopo un adeguato ridimensionamento conforme. In particolare, ogni singolo FLRW viene moltiplicato per il quadrato di un fattore conforme che si avvicina all'infinito verso lo zero; questo provoca un sostanziale "schiacciamento verso il basso" del futuro confine conforme, verso un'ipersuperficie conforme normale (che è anch'essa spaziotempo, se c'è una costante cosmologica positiva, come noi oggi crediamo, che sia essa l'energia oscura, l'energia del vuoto, la quintessenza o altro). Il risultato di questi complessi calcoli è una nuova soluzione delle equazioni di Einstein, che Penrose ha utilizzato per rappresentare l'intero universo, il quale risulta composto da una sequenza di settori spaziotemporali che Penrose chiama "eoni".
Implicazioni fisiche La caratteristica e conseguenza importante di questa costruzione, per la fisica delle particelle e la meccanica quantistica, è che, dato che i bosoni obbediscono alle leggi della teoria di campo conforme, si comporteranno nello stesso modo negli eoni come nelle controparti FLRW originali (questo corrisponde, classicamente, al fatto che la struttura di un cono di luce è conservata da un riscalamento conforme). Per tali particelle, il confine tra eoni non è un limite al tutto, ma solo una superficie simile allo spazio, che può essere attraversata come qualsiasi altra cosa. I fermioni, invece, restano confinati in un dato eone.
Riassumendo, le soluzioni efficaci a quesiti insoluti, che si presenterebbero se la CCC fosse verificata, sarebbero molteplici : l'eliminazione della singolarità gravitazionale del Big Bang (dove la gravità diventa infinita e la relatività non funziona più) come inizio di tutto una soluzione conveniente per il paradosso dell'informazione del buco nero, che fa sì che i dati informativi vadano persi, secondo la teoria della radiazione di Hawking; secondo Penrose, i fermioni devono essere irreversibilmente convertiti in radiazioni durante l'evaporazione del buco nero, per conservare la cosiddetta morbidezza dei confini conformi, durante il passaggio da un eone all'altro. coerenza con la legge della conservazione della massa spiegazione dei cerchi concentrici nella CMB (residui di collisioni di enormi buchi neri supermassicci) spiegazione (radiazione superstite) e funzione (preparare il nuovo Big Bang) dell'accelerazione dell'universo possibilità di non ricorrere all'inflazione per spiegare l'omogeneità dell'universo