It is not every day that you watch the Universe being born. But five years ago, researchers in the US published pictures of the early stages of the big bang, just 10^-34 seconds or so after it all started. Now others are getting in on the act, and in July two international teams of physicists described their own privileged views of the Universe's birth pangs.
Their pictures are not the product of fancy computer trickery. The universes are tangible enough, but scaled down: they sit in beakers on a laboratory bench top. Strange though it may seem, there are some things you can find out about unimaginably early events in the birth of the Universe by peering into a bucket of liquid. Mind you, the liquids are far from ordinary. Some experiments used “superfluid helium”, a bizarre liquid that exists at temperatures just a whisker above absolute zero. Superfluid helium does weird things, like climbing up the walls of containers and escaping. Others used liquid crystals, molecules that exists in a strange state that is partially between ordinary liquids and solids.
So what have these tubs to do with the behaviour of the early Universe? It all hinges on the baffling question of why galaxies are distributed so unevenly across the sky, clustering together in filaments separated by giants voids: Back in the 1970s, Thomas Kibble, a theoretical physicist at Imperial College, London, suggested a possible explanation. Perhaps, he said, when matters first condensed shortly after the big bang it gathered around long, thin “cracks” in the fabric of space-time, known rather whimsically as cosmic strings.
Theorists believe that cosmic strings are the leftovers from a process that separated the four fundamental forces of nature -- gravity, the electromagnetic force and the strong and weak nuclear forces -- that we see today. In the beginning, within the first split second after the big bang, there was simply a single “primeval” force. Then the individual forces began budding off in a series of abrupt transformations. Gravity separated first, followed between 10^-35 and 10^-34 seconds after the big bang by the strong force.
It was during this second defection, in a Universe about a billion billion times the temperature of the inside of a star and much, much smaller than a single hydrogen atom, that cosmic strings may have been created.
Frozen into the fabric of the Universe while it was still unimaginably small, the strings would now be stretched out into a vast, ethereal web across billions of light years. But twenty years after Kibble suggested that cosmic strings might be the seeds of the large-scale structure of the Universe, they remain just an idea. No one knows if it is even possible to see them directly in deep space. How, then, can we know if Kibble’s idea holds water?
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Non è cosa di tutti i giorni assistere alla nascita dell'universo. Eppure, cinque anni fa, dei ricercatori statunitensi pubblicarono un'istantanea delle primissime fasi di vita dell'universo, ad appena 10^-34 secondi dall'inizio di tutto. Ora è la volta di altri ricercatori: a luglio due équipe internazionali di fisici hanno descritto i travagli del parto dell'universo dal loro privilegiato punto di vista.
Le immagini non sono il prodotto di elaborate ricostruzioni al computer. Gli universi sono abbastanza tangibili, ma in scala ridotta: trovano posto dentro dei becher su un banco di laboratorio. Per quanto possa sembrare strano, ci sono informazioni, sugli eventi successi a un tempo impensabilmente prossimo alla nascita dell'universo, che si possono dedurre semplicemente osservando quanto accade in un recipiente contenente del liquido. Ovviamente, non si tratta certo di liquidi ordinari. In alcuni esperimenti si è usato dell'elio “superfluido”, un liquido dal comportamento bizzarro che esiste a temperature appena sopra lo zero assoluto. L'elio superfluido fa cose strane, come ad esempio risalire le pareti del contenitore e fuoriuscirne. Altri esperimenti hanno fatto ricorso ai cristalli liquidi, molecole in uno stato intermedio tra il solido e il liquido.
Cosa c'entrano questi liquidi con il comportamento del primo universo? Tutto ruota intorno alla spinosa questione del perché le galassie sono distribuite nel cosmo in modo così irregolare, addensate in ammassi filamentosi separati da giganteschi spazi vuoti. Negli anni Settanta Thomas Kibble, fisico teorico dell'Imperial College di Londra, suggerì una possibile spiegazione. Forse, disse, la materia nella sua prima fase di vita subito dopo il big bang si è addensata intorno a lunghe, sottili “crepe” nella struttura dello spazio-tempo, note con il nome piuttosto stravagante di stringhe cosmiche.
I teorici ritengono che le stringhe cosmiche siano i residui del processo che separò le quattro forze fondamentali della natura da noi oggi osservate: la gravitazionale, l’elettromagnetica, la nucleare forte e la nucleare debole. In origine, nella primissima frazione di secondo dopo il big bang, c’era un’unica forza “primordiale”. Poi cominciarono a emergere le singole forze in una serie di bruschi processi di trasformazione. La prima a separarsi fu la forza di gravità, seguita tra 10^-35 e 10^-34 secondi dopo il big bang dalla nucleare forte.
Fu durante questa seconda defezione, in un universo alla temperatura circa un miliardo di miliardi di volte superiore a quella all’interno di una stella e molto, molto più piccolo di un atomo di idrogeno, che si sono forse create le stringhe cosmiche.
Congelate nella struttura dell’universo finché questo era ancora inconcepibilmente piccolo, le stringhe si sarebbero ora dilatate a formare una ragnatela celeste che si estende per miliardi di anni luce. Ma a vent’anni di distanza dalla teoria di Kibble che vede le stringhe cosmiche all’origine della struttura su larga scala dell’universo, le stringhe cosmiche rimangono solo un’ipotesi. Nessuno sa dire se, almeno, sia possibile osservarle direttamente nelle profondità dello spazio. Ma come facciamo allora a sapere se l’idea di Kibble regga oppure no?
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