Molti cosmologi credono che la struttura dell'universo sia il risultato di fluttuazioni quantistiche che si sono verificate durante la prima espansione. A conferma di questa ipotesi, però, si è dimostrato finora molto impegnativo, poiché è difficile distinguere tra fluttuazioni primordiali quantistiche e classiche quando si analizzano i dati cosmologici esistenti.

Due ricercatori dell'Università della California e del Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Germania hanno recentemente ideato un test basato sulla nozione di non-gaussianità primordiale che potrebbe aiutare ad accertare l'origine della struttura cosmica. Nella loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , sostengono che rilevare la non-gaussanità primordiale potrebbe aiutare a determinare se i modelli dell'universo hanno avuto origine da fluttuazioni quantistiche o classiche.

"Una delle idee più belle di tutta la scienza è che la struttura che abbiamo osservato nel cosmo sia il risultato di fluttuazioni quantistiche nell'universo primordiale che sono state poi allungate da una rapida espansione accelerata, "Rafael Porto, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questo paradigma 'inflazionistico' fa molte previsioni che sono state confermate dai dati, tuttavia la natura quantistica del seme primordiale è estremamente difficile da dimostrare direttamente."

La ragione principale per cui è così difficile dimostrare l'origine quantistica della struttura dell'universo è che l'inflazione potrebbe aver allungato anche le perturbazioni classiche, risultando in una distribuzione delle galassie molto simile. Nella loro carta, Porto e il suo collega Daniel Green hanno introdotto l'idea che mentre le fluttuazioni quantistiche e classiche avrebbero portato a distribuzioni di galassie simili, alcuni modelli particolari differirebbero nelle strutture di origine quantistica. L'osservazione di questi modelli potrebbe quindi consentire ai ricercatori di testare l'origine della struttura cosmica.

"Gran parte del formalismo che abbiamo usato per studiare i modelli delle galassie nel cielo è simile al modo in cui i fisici delle particelle studiano i processi di scattering nei collisori, " ha spiegato Porto. "In cosmologia si parla di 'correlazioni, ' mentre in fisica delle particelle si parla di 'ampiezze, ' ma c'è molto in comune tra i due. Utilizzando alcuni principi fisici di base e simmetrie, abbiamo dimostrato che i meccanismi classici avrebbero prodotto un gran numero di particelle e di conseguenza una firma molto specifica nel modello delle galassie, come "urti" nei dati del collisore."

Porto e Green hanno mostrato che una firma cosmologica simile alla presenza di "protuberanze" nei dati del collisore può indicare che la struttura dell'universo ha avuto origine dalle fluttuazioni classiche. D'altra parte, l'assenza di questi "dossi" suggerirebbe che le fluttuazioni quantistiche di punto zero fossero gli agenti chiave dietro la formazione della struttura cosmica.

"Le persone hanno già provato a trovare una firma per l'origine quantistica della struttura e hanno scoperto che l'effetto è soppresso di 115 ordini di grandezza, quello è uno 0.... 115 volte… 1 effetto, Porto ha aggiunto. “Abbiamo dimostrato che, mentre questo è difficile da osservare a causa della contaminazione da altre fonti durante il processo di formazione della struttura, se c'è un segnale primordiale, l'effetto delle perturbazioni classiche è l'ordine 1. Ciò significa che abbiamo ottenuto un miglioramento di 115 ordini di grandezza rispetto alle proposte precedenti."

Negli ultimi decenni, i cosmologi che studiano l'origine della struttura dell'universo hanno principalmente cercato la cosiddetta polarizzazione "modalità B" nel fondo cosmico a microonde (CMB), poiché questa polarizzazione potrebbe essere un prodotto di effetti gravitazionali quantistici primordiali durante l'inflazione. Piuttosto che cercare la polarizzazione in "modalità B" come indicatore degli effetti gravitazionali quantistici, Porto e Green hanno ribaltato il problema e hanno scoperto che un altro schema, nota come "configurazione piegata per le funzioni di correlazione, " porta il seme delle fluttuazioni classiche.

"C'è una lunga storia di persone che testano la meccanica quantistica in laboratorio usando qualcosa chiamato le disuguaglianze di Bell, " Green ha detto a Phys.org. "L'idea essenziale è che, se hai un sistema quantistico, ci sono alcuni tipi di misurazioni che puoi fare che esporranno la vera natura quantomeccanica dello stato. La sfida in cosmologia è che (1) l'universo che osserviamo è fondamentalmente classico e (2) non possiamo eseguire "esperimenti, ' poiché non possiamo manipolare lo stato dell'universo. La novità del nostro lavoro è che abbiamo mostrato che si può ancora dire che proveniva da uno stato quantomeccanico in un lontano passato, nonostante questi grandi ostacoli."

Il recente studio di Porto e Green introduce un nuovo metodo per testare l'ipotesi che la struttura dell'universo sia di natura quantistica. Essenzialmente, i ricercatori teorizzano che se non è possibile osservare un "bump" nella cosiddetta configurazione piegata delle funzioni di correlazione non gaussiane, la struttura dell'universo avrebbe avuto origine dalle fluttuazioni dello zero quantistico, come nella fisica classica, il vuoto è vuoto.

La cartina di tornasole introdotta nel loro articolo differisce notevolmente dai test di meccanica quantistica precedentemente proposti e quindi aggira molti dei problemi associati a questi test. Nel loro lavoro futuro, Porto e Green intendono studiare se il loro test potrebbe essere applicato anche a esperimenti di laboratorio sui sistemi quantistici.

"Dan e io ora stiamo anche pensando a come le idee sull'informazione quantistica possano ulteriormente individuare la natura del seme primordiale e in termini più pratici anche aiutarci a fornire un algoritmo più veloce per simulare l'evoluzione dell'universo, forse come faranno un giorno i computer quantistici, " ha detto Porto.

© 2020 Scienza X Rete