Due dubbi su Big Bang ed estensione dell’Universo

[FabPan]

Metto insieme due affermazioni che ho letto riguardo le caratteristiche dello spazio fisico dell'Universo:

• i dati attualmente disponibili indicherebbero che lo spazio osservabile sia piatto o quasi piatto, con la possibilità di avere una curvatura leggermente negativa;

• se si adotta l'ipotesi di omogeneità dell'Universo su scala cosmologica, una curvatura nulla o negativa implica un Universo infinito, a meno di non ipotizzare un bordo allo spazio fisico o una topologia non banale (tipo ipertoro?)

Da qui i due dubbi che vi sottopongo.

Se l'Universo fosse infinito, deve esserlo stato dall'inizio, diciamo dal Big Bang?
Mi sembra ragionevole assumere che uno spazio finito, per quanto si possa espandere velocemente, non possa diventare infinito (in un tempo finito).

Se fosse così, allora sarebbe sbagliato pensare che i primi istanti dopo il Big Bang lo spazio fisico dell'Universo era di estensione estremamente ridotta, quindi finita?

Fabrizio

[guitar]

Guarda io ho una teoria ancora più matta ma probilmente solo perchè ignoro ancora molti studi già effettuati. Potrebbe essere che l'universo sia in realtà un essere vivente e che le galassie siano solo una sorta di cellule di quell'essere? E già che mi trovo, potrebbe essere la vita terreste una sorta di malattia o di virus? Spiegerebbe perchè l'universo è in espanzione: semplicemente e questo enorme essere vivente che sta crescendo.

[Red Hanuman]

Metto insieme due affermazioni che ho letto riguardo le caratteristiche dello spazio fisico dell'Universo:

• i dati attualmente disponibili indicherebbero che lo spazio osservabile sia piatto o quasi piatto, con la possibilità di avere una curvatura leggermente negativa;

• se si adotta l'ipotesi di omogeneità dell'Universo su scala cosmologica, una curvatura nulla o negativa implica un Universo infinito, a meno di non ipotizzare un bordo allo spazio fisico o una topologia non banale (tipo ipertoro?)

Da qui i due dubbi che vi sottopongo.

Se l'Universo fosse infinito, deve esserlo stato dall'inizio, diciamo dal Big Bang?
Mi sembra ragionevole assumere che uno spazio finito, per quanto si possa espandere velocemente, non possa diventare infinito (in un tempo finito).

Se fosse così, allora sarebbe sbagliato pensare che i primi istanti dopo il Big Bang lo spazio fisico dell'Universo era di estensione estremamente ridotta, quindi finita?

Fabrizio

Il punto è: cosa vuol dire infinito? Come volume? Può darsi, ma l'universo è quadridimensionale.
Quindi, non basta considerare il volume, ma va considerato anche il tempo.
Il tempo è finito? Potrebbe in effetti essere come una semiretta: con un'origine, ma comunque infinito.
Ma chi può oggi dire che il tempo ha una origine? Magari, si è solo convertito da dimensione spazio a dimensione tempo....
Oppure è infinito nel senso che non ha un confine? Ovvero, nel senso che non è possibile piantare una bandierina in un punto, e scriverci "fine dell'universo"? In effetti, potremmo essere in un universo con una geometria che, in 4d, corrisponde a quella della superficie di una sfera in 3d: dov'è la fine della superficie?
Magari, in una dimensione che non possiamo percepire. O magari, oltre l'universo non c'è nulla, e quindi non ha nemmeno senso pensare di piantare la bandierina, perchè non esiste separazione: c'è solo universo!
La risposta alla tua domanda dipende da come (e se) riesci a rispondere con un senso alle questioni sopra...
Comunque, prova a leggere QUI, QUI, QUI e QUI.

[Germo]

Io penso che l' universo ADESSO come SEMPRE sia finito.
La "singolarità" di 13.5 miliardi di anni fa la considero un universo a sè stante, una miniatura di quello odierno, con i componenti fondamentali degli atomi a cui siamo abituati oggi (quark, antiquark ecc...)
Penso che chi consideri l'universo infinito sia abbagliato dalla mancanza di volontà di saperne di più, dalla propria rassegnazione ad accettare le ipotesi altrui e non formulare una propria, anche se simile alle altre..
Penso, quindi, che l' universo sia finito, dato che siamo riusciti a risalire alla sua nascita e alle sue dimensioni attuali, per quanto ipotetiche, le quali fanno sempre più pensare un cosmo (che in greco significa "ordine" ma che ordinato non è ) finito, il quale ce lo fa apparire più alla nostra portata.

[FabPan]

@Red Hanuman, grazie per la risposta e i riferimenti che hai indicato.

Chiarisco che il mio ragionamento non vuole essere anti Big Bang. Al contrario, sto cercando di capire come deve essere pensato il Big Bang in uno spazio infinito, visto che alcuni modelli cosmologici prevedono entrambi.

Vorrei anche tentare di rispondere alle tue osservazioni.

Cambio un po’ l’ordine partendo dalla questione dello spazio 4-dimensionale che condiziona tutto il resto.

…, ma l'universo è quadridimensionale.
Quindi, non basta considerare il volume, ma va considerato anche il tempo.

Certamente è una osservazione in generale valida quando si applica la relatività speciale o generale. Però, per quanto ho capito, i cosmologi hanno ritenuto applicabili all'Universo su scala cosmologica ipotesi che attenuano l’effetto della relazione tra spazio e tempo. Sotto queste ipotesi è possibile adottare un sistema di riferimento nel quale si può “distinguere senza ambiguità le sezioni di spazio simultaneo (3-dimensionali) e l’asse del tempo.”(il virgolettato l'ho copiato). Per questo credo che riferendosi a queste sezioni 3d, in cosmologia, sia possibile parlare di curvatura dello spazio 3d, di spazio finito/infinito, della sua evoluzione temporale e quindi della stessa espansione che altrimenti potrebbero non avere senso. Faccio riferimento a queste ipotesi perché è dai modelli che le utilizzano che nascono anche le idee del Big Bang e della curvatura delle spazio fisico, quindi i miei dubbi.

Il punto è: cosa vuol dire infinito? Come volume?

Una definizione che ho trovato fa riferimento alla distanza tra i punti dello spazio considerato. Se questa ha un limite superiore la spazio è finito, se non lo ha è infinito (nel caso 2d superficie della sfera vs piano). Questa definizione mi sembra applicabile alle sezioni simultanee 3d di cui sopra nelle quali le distanze sono positive.

Il tempo è finito? Potrebbe in effetti essere come una semiretta: con un'origine, ma comunque infinito.

Nei modelli derivati dalle ipotesi dette sopra credo sia proprio così. Questo però non incide sulla estensione delle dimensioni spaziali che potrebbero essere comunque finite o infinite.

Ma chi può oggi dire che il tempo ha una origine? Magari, si è solo convertito da dimensione spazio a dimensione tempo....

Nelle ipotesi dette sopra, la coordinata temporale assume un ruolo di “tempo universale” e non fa questo tipo di “scherzi”. Nonostante questo si parla di curvature negative e Big Bang. Nota che il mio dubbio riguarda l’estensione dopo i primi istanti.

In effetti, potremmo essere in un universo con una geometria che, in 4d, corrisponde a quella della superficie di una sfera in 3d: dov'è la fine della superficie? Magari, in una dimensione che non possiamo percepire. O magari, oltre l'universo non c'è nulla, e quindi non ha nemmeno senso pensare di piantare la bandierina, perché non esiste separazione: c'è solo universo!

Se non capisco male l’osservazione, dai un (contro)esempio di spazio finito ed illimitato (senza bordi), ma il tuo esempio fa riferimento ad uno spazio con curvatura positiva. La mia domanda nasce proprio dal vedere considerare ipotesi di spazi a curvatura nulla o negativa che non ammettono questa possibilità, almeno nella topologia più semplice, per i quali non volendo/potendo piantare la bandierina di “fine universo” dobbiamo ritenerli infiniti.

Per quanto riguarda la dimensione nascosta, anche se ci fosse, non vedo come possa fare diventare le altre dimensioni spaziali da finite a infinite in un tempo finito.

[FabPan]

@Germo, anche a me risulta più confortevole pensare ad un universo finito, però credo non ci siano attualmente prove che sostengano l’una o l’altra ipotesi. Non credo si sia risaliti alle sue dimensioni attuali. Forse ti riferisci alle dimensioni dell’universo osservabile che è cosa diversa.

@guitar, la tua teoria come analogia può essere simpatica. Secondo te, in quale parte di questo signor Universo ci troviamo.

[Gaetano M.]

Metto insieme due affermazioni che ho letto riguardo le caratteristiche dello spazio fisico dell'Universo:

• i dati attualmente disponibili indicherebbero che lo spazio osservabile sia piatto o quasi piatto, con la possibilità di avere una curvatura leggermente negativa;

• se si adotta l'ipotesi di omogeneità dell'Universo su scala cosmologica, una curvatura nulla o negativa implica un Universo infinito, a meno di non ipotizzare un bordo allo spazio fisico o una topologia non banale (tipo ipertoro?)

Da qui i due dubbi che vi sottopongo.

Se l'Universo fosse infinito, deve esserlo stato dall'inizio, diciamo dal Big Bang?
Mi sembra ragionevole assumere che uno spazio finito, per quanto si possa espandere velocemente, non possa diventare infinito (in un tempo finito).

Se fosse così, allora sarebbe sbagliato pensare che i primi istanti dopo il Big Bang lo spazio fisico dell'Universo era di estensione estremamente ridotta, quindi finita?

Fabrizio

Secondo me poni una domanda che si contraddice. Se si accetta il Big Bang come origine dell'universo si accetta anche che l'universo sia finito.
Mi piacerebbe, comunque, avere i riferimenti dei due punti che citi.

[guitar]

@guitar, la tua teoria come analogia può essere simpatica. Secondo te, in quale parte di questo signor Universo ci troviamo.

E chi può dirlo? Non posso essere tanto presuntuoso da saperlo. Più interessante sarebbe chiedersi: questo signor Universo in che tipo di universo vive? Esiste lo spazio e il tempo come da noi o si tratta di dimensioni a noi sconosciute?
Forse è fantascenza, ma penso che ora come ora, osservando i dati di cui disponiamo, anche i credenti potrebbero avere ragione. Insomma qualsiasi assurdità potrebbe rivelarsi corretta. La storia ci insegna che è difficile confutare delle forti credenze (vedi la terra piatta o il sole che gira intorno alla terra) eppure all'epoca erano i più eminenti scienziati a crederci. Non credo che noi poveri esseri umani, nonostante le nuove conoscenze siamo troppo migliori di loro.

[Enrico Corsaro]

@FabPan, il problema è l'assunzione di base.
Se crediamo in un Big Bang, o se preferisci in un Universo primordiale di piccole dimensioni che si è espanso, allora l'Universo deve essere necessariamente finito da un punto di vista fisico.
In generale comunque, il termine infinito va usato con molta precauzione. Credo che il riferimento da te citato non sia corretto e il motivo di ciò è: una curvatura piatta o negativa causerebbe una espansione dell'Universo per un tempo teoricamente infinito, quindi renderebbe (sempre in teoria) l'Universo con dimensioni che tenderebbero all'infinito.

Non abbiamo motivo di credere comunque, sulla base delle osservazioni odierne, che l'Universo si estenda fisicamente all'infinito, quindi escluderei questa opzione. Il fatto che la geometria sia tendenzialmente piatta (sempre secondo il modello standard si intende!) o leggermente negativa, implica che l'espansione dell'Universo non si arresterà, facendo si che le sue dimensioni continuino ad aumentare senza un limite. Questo non significa che è di per sè infinito.

Tutto questo discorso comunque non è da confondere col fatto che l'Universo non ha dei bordi, o confini, delimitati. Facevo appunto l'analogia della persona che cammina sulla superficie di una sfera, non potendone mai trovare la fine.

[FabPan]

@Gaetano M. @Enrico C grazie per essere intervenuti.
La ragione dei miei dubbi credo sia quella che vi porta a dire che il Big Bang implica un Universo finito. Io non sono però certo che Big Bang ed Universo infinito siano una contraddizione perché vedo ipotizzati universi infiniti, o comunque a curvatura nulla o negativa, in contesti che non mettono in dubbio il Big Bang. Mi piacerebbe capire se sia pensabile un Big Bang in un Universo infinito o, nel caso si consolidino le ipotesi di Universo precisamente piatto, si dovrà ricorrere a topologie complesse come ipertoro o altre per ricondurre lo spazio a estensione finita.

I riferimenti richiesti da Gaetano possono essere questi.

Un riferimento accessibile in Internet può essere qui.
Nella sezione 3.3 riporta gli ultimi risultati sulla curvatura cosmologica (0.000±0.005) e la descrizione degli universi nei tre tipi di curvatura. Dal punto di vista infinito/finito la descrizione più completa è quella per l’universo a curvatura 0: estensione infinita se nella struttura più ovvia dello spazio Euclideo, ma può essere finito se in strutture più complesse come l’ipertoro. Stesso discorso vale per lo spazio a curvatura negativa, anche se qui riporta solo il caso infinito.

Altro riferimento può essere questo, dove si traggono conclusioni, forse affrettate, favorevoli ad una estensione infinita dell'Universo.

C'è anche questo modello indicato come standard della cosmologia, consistente con il Big Bang e senza curvatura spaziale.

Il mio riferimento principale e origine dei dubbi che ho esposto è stato "La segreta geometria del cosmo" di Jean-Pierre Luminet che, nonostante il titolo da settimanale di gossip, mi è sembrato molto interessante. E' in gran parte la versione divulgativa di questo articolo. Nel libro c'è anche un accenno di come potrebbe essere il Big Bang in uno spazio infinito, il principio è quello dell'Grand Hotel Hilbert. Sarebbe uno strano Big Bang rispetto a quanto avevo in mente e si legge comunemente. Comunque Luminet sembra più orientato in ogni caso verso un Universo di topologia più complessa di quella semplicemente connessa.

La citazione di curvature negative o nulle in contesti nei quali il Big Bang non era messo in dubbio li ho visti anche nel cap.5 di "Origini" di deGrasse Tyson e Goldsmith e nel cap.11 di “L’universo alle soglie del 2000” di Margerita Hack.