Quasi tutti hanno familiarità con il Big Bang, l'idea che un'atmosfera incredibilmente calda, denso universo è esploso in quello che conosciamo oggi. Ma cosa sappiamo di ciò che è successo prima?

Nella ricerca per risolvere diversi enigmi scoperti nelle condizioni iniziali del Big Bang, gli scienziati hanno sviluppato una serie di teorie per descrivere l'universo primordiale, il più riuscito dei quali, noto come inflazione cosmica, descrive come l'universo si sia drammaticamente espanso di dimensioni in una fugace frazione di secondo proprio prima del Big Bang.

Ma per quanto successo abbia avuto la teoria inflazionistica, polemiche hanno portato a dibattiti attivi nel corso degli anni.

Alcuni ricercatori hanno sviluppato teorie molto diverse per spiegare gli stessi risultati sperimentali che finora hanno sostenuto la teoria inflazionistica. In alcune di queste teorie, l'universo primordiale si contraeva invece di espandersi, e il Big Bang faceva quindi parte di un Big Bounce.

Alcuni ricercatori, tra cui Avi Loeb, il Frank B. Baird, Jr. Professore di Scienze e presidente del Dipartimento di Astronomia, hanno sollevato preoccupazioni sulla teoria, suggerendo che la sua adattabilità apparentemente infinita lo rende quasi impossibile da testare.

"La situazione attuale per l'inflazione è che è un'idea così flessibile ... non può essere falsificata sperimentalmente, " Ha detto Loeb. "Non importa quale risultato delle persone osservabili stabilite per misurare si rivelerebbe essere, ci sono sempre dei modelli di inflazione che possono spiegarlo". gli esperimenti possono solo aiutare a definire alcuni dettagli del modello nel quadro della teoria inflazionaria, ma non può testare la validità del quadro stesso. Però, la falsificabilità dovrebbe essere un segno distintivo di qualsiasi teoria scientifica.

È qui che entra in gioco Xingang Chen.

Professore anziano di astronomia, Chen ei suoi collaboratori da molti anni hanno sviluppato l'idea di utilizzare qualcosa che ha chiamato un "orologio standard primordiale" come sonda dell'universo primordiale. Insieme a Loeb e Zhong-Zhi Xianyu, un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica, Chen ha applicato questa idea alle teorie non inflazionistiche dopo aver appreso di un intenso dibattito nel 2017 che si chiedeva se le teorie inflazionistiche facessero previsioni. In un articolo pubblicato come suggerimento dell'editore in Lettere di revisione fisica , il team ha elaborato un metodo che può essere utilizzato per falsificare sperimentalmente la teoria dell'inflazione.

Nel tentativo di trovare qualche caratteristica che possa separare l'inflazione da altre teorie, il team ha iniziato identificando la proprietà che definisce le varie teorie:la storia evolutiva delle dimensioni dell'universo primordiale. "Per esempio, durante l'inflazione, per definizione la dimensione dell'universo cresce in modo esponenziale, " Xianyu ha detto. "In alcune teorie alternative, la dimensione dell'universo si contrae, in alcuni molto lentamente e in altri molto velocemente.

"Gli osservabili convenzionali che le persone hanno proposto finora hanno difficoltà a distinguere le diverse teorie perché questi osservabili non sono direttamente correlati a questa proprietà, " ha continuato. "Quindi volevamo trovare quali sono gli osservabili che possono essere collegati a quella proprietà che definisce".

I segnali generati dall'orologio standard primordiale possono servire a questo scopo.

Quell'orologio, Chen ha detto, è qualsiasi tipo di particella elementare massicciamente pesante nell'universo energetico primordiale. Tali particelle dovrebbero esistere in qualsiasi teoria, e oscillano a una frequenza regolare, proprio come l'ondeggiare del pendolo di un orologio.

L'universo primordiale non era del tutto uniforme. Le fluttuazioni quantistiche sono diventate i semi della struttura su larga scala dell'universo di oggi e una fonte chiave di informazioni su cui i fisici si affidano per conoscere cosa è successo prima del Big Bang. La teoria delineata da Chen suggerisce che i tic dell'orologio standard generassero segnali che venivano impressi nella struttura di quelle fluttuazioni. E poiché gli orologi standard in diversi universi primordiali lascerebbero diversi modelli di segnali, Chen ha detto, potrebbero essere in grado di determinare quale teoria dell'universo primordiale è più accurata.

"Se immaginiamo tutte le informazioni che abbiamo appreso finora su ciò che è accaduto prima del Big Bang si trovano in un rullino di fotogrammi, quindi l'orologio standard ci dice come dovrebbero essere riprodotti questi fotogrammi, " Chen ha spiegato. "Senza alcuna informazione sull'orologio, non sappiamo se il film debba essere riprodotto in avanti o all'indietro, veloce o lento, proprio come non siamo sicuri se l'universo primordiale si stesse gonfiando o contraendo, e quanto velocemente lo ha fatto. Questo è dove sta il problema. L'orologio standard indicava l'ora su ciascuno di questi fotogrammi quando il film è stato girato prima del Big Bang, e ci dice di cosa tratta questo film."

Il team ha calcolato come dovrebbero apparire questi segnali di clock standard nelle teorie non inflazionistiche, e ha suggerito come cercarli nelle osservazioni astrofisiche. "Se si trovasse uno schema di segnali che rappresenta un universo in contrazione, "Xianyu ha detto, "falsificare l'intera teoria inflazionistica, indipendentemente da quali modelli dettagliati si costruiscono."

Il successo di questa idea sta nella sperimentazione. "Questi segnali saranno molto sottili da rilevare, " Ha detto Chen. "La nostra proposta è che ci dovrebbero essere una sorta di campi enormi che hanno generato queste impronte e abbiamo calcolato i loro modelli, ma non sappiamo quanto sia grande l'ampiezza complessiva di questi segnali. Può essere che siano molto deboli e molto difficili da rilevare, quindi ciò significa che dovremo cercare in molti posti diversi.

"La radiazione cosmica di fondo a microonde è un posto, " ha continuato. "La distribuzione delle galassie è un'altra. Abbiamo già iniziato a cercare questi segnali e ci sono già dei candidati interessanti, ma abbiamo ancora bisogno di più dati".

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.