Impressione artistica di un Multiverso – dove il nostro Universo è solo uno dei tanti. Secondo la… ricerca, quantità variabili di energia oscura hanno poco effetto sulla formazione delle stelle. Questo solleva la prospettiva della vita in altri universi – se il Multiverso esiste.
Jaime Salcido/simulazioni della EAGLE Collaboration
L’Universo è tutto quello che c’è mai stato, tutto quello che c’è, e tutto quello che ci sarà mai. Almeno, questo è ciò che ci viene detto, e questo è ciò che è implicito nella parola stessa “Universo”. Ma qualunque sia la vera natura dell’Universo, la nostra capacità di raccogliere informazioni su di esso è fondamentalmente limitata.
Sono passati solo 13,8 miliardi di anni dal Big Bang, e la velocità massima a cui qualsiasi informazione può viaggiare – la velocità della luce – è finita. Anche se l’intero Universo può essere veramente infinito, l’Universo osservabile è limitato. Secondo le idee principali della fisica teorica, tuttavia, il nostro Universo potrebbe essere solo una minuscola regione di un multiverso molto più grande, all’interno del quale sono contenuti molti Universi, forse anche un numero infinito. Alcune di queste cose sono vere e proprie scienze, ma altre non sono altro che speculazioni, pensieri velleitari. Ecco come capire quali sono. Ma prima, un po’ di background.
C’è un’ampia serie di prove scientifiche che supportano l’immagine dell’Universo in espansione… e del Big Bang. L’intera massa-energia dell’Universo è stata rilasciata in un evento della durata di meno di 10^-30 secondi; la cosa più energetica mai accaduta nella storia del nostro Universo.
NASA / GSFC
L’Universo oggi ha alcuni fatti che sono relativamente facili, almeno con strutture scientifiche di livello mondiale, da osservare. Sappiamo che l’Universo è in espansione: possiamo misurare le proprietà delle galassie che ci insegnano sia la loro distanza che la velocità con cui sembrano allontanarsi da noi. Più sono lontane, più velocemente sembrano allontanarsi. Nel contesto della Relatività Generale, questo significa che l’Universo si sta espandendo.
E se l’Universo si sta espandendo oggi, questo significa che era più piccolo e più denso in passato. Estrapolando abbastanza indietro, si scopre che le cose sono anche più uniformi (perché la gravità impiega del tempo per far raggruppare le cose) e più calde (perché lunghezze d’onda più piccole per la luce significano energie/temperature più alte). Questo ci riporta al Big Bang.
Un’illustrazione della nostra storia cosmica, dal Big Bang ad oggi, nel contesto… dell’Universo in espansione. La prima equazione di Friedmann descrive tutte queste epoche, dall’inflazione al Big Bang fino al presente e al futuro, in modo perfettamente accurato, anche oggi.
NASA / WMAP science team
Ma il Big Bang non è stato il vero inizio dell’Universo! Possiamo solo estrapolare fino a una certa epoca nel tempo prima che le previsioni del Big Bang si rompano. Ci sono diverse cose che osserviamo nell’Universo che il Big Bang non può spiegare, ma una nuova teoria che imposta il Big Bang – l’inflazione cosmica – può farlo.
Le fluttuazioni quantiche che avvengono durante l’inflazione si allungano nell’Universo, e quando… l’inflazione finisce, diventano fluttuazioni di densità. Questo porta, nel tempo, alla struttura su larga scala nell’Universo di oggi, così come le fluttuazioni di temperatura osservate nella CMB.
E. Siegel, con immagini derivate da ESA/Planck e dalla DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research
Negli anni ’80, un gran numero di conseguenze teoriche dell’inflazione sono state elaborate, tra cui:
- come dovrebbero essere i semi della struttura su larga scala,
- che le fluttuazioni di temperatura e densità dovrebbero esistere su scale più grandi dell’orizzonte cosmico,
- che tutte le regioni dello spazio, anche con fluttuazioni, dovrebbero avere entropia costante,
- e che ci dovrebbe essere una temperatura massima raggiunta dal Big Bang caldo.
Negli anni 1990, 2000 e 2010, queste quattro previsioni sono state confermate osservativamente con grande precisione. L’inflazione cosmica è vincente.
L’inflazione fa espandere lo spazio in modo esponenziale, il che può far apparire molto rapidamente piatto qualsiasi spazio preesistente… curvo o non liscio. Se l’Universo è curvo, ha un raggio di curvatura che è almeno centinaia di volte più grande di quello che possiamo osservare.
E. Siegel (L); il tutorial di cosmologia di Ned Wright (R)
L’inflazione ci dice che, prima del Big Bang, l’Universo non era pieno di particelle, antiparticelle e radiazione. Invece, era pieno di energia inerente allo spazio stesso, e questa energia ha causato l’espansione dello spazio ad un tasso rapido, inesorabile ed esponenziale. Ad un certo punto, l’inflazione finisce, e tutta (o quasi) quell’energia viene convertita in materia ed energia, dando origine al caldo Big Bang. La fine dell’inflazione, e quello che è noto come il riscaldamento del nostro Universo, segna l’inizio del Big Bang caldo. Il Big Bang avviene ancora, ma non è l’inizio vero e proprio.
L’inflazione prevede l’esistenza di un enorme volume di Universo non osservabile oltre la parte che possiamo… osservare. Ma ci dà anche più di questo.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Se questa fosse la storia completa, tutto quello che avremmo sarebbe un Universo estremamente grande. Avrebbe le stesse proprietà ovunque, le stesse leggi ovunque, e le parti al di là del nostro orizzonte visibile sarebbero simili a dove siamo noi, ma non sarebbe giustificatamente chiamato multiverso.
Fino a quando, cioè, ci si ricorda che tutto ciò che esiste fisicamente deve essere intrinsecamente quantistico in natura. Anche l’inflazione, con tutte le incognite che la circondano, deve essere un campo quantistico.
La natura quantistica dell’inflazione significa che finisce in alcune “tasche” dell’Universo e continua… in altre. Ha bisogno di rotolare giù per la collina metaforica e nella valle, ma se è un campo quantico, la diffusione significa che finirà in alcune regioni mentre continuerà in altre.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
Se poi si richiede che l’inflazione abbia le proprietà che hanno tutti i campi quantistici:
- che le sue proprietà abbiano incertezze intrinseche,
- che il campo sia descritto da una funzione d’onda,
- e che i valori di quel campo possano diffondersi nel tempo,
si raggiunge una conclusione sorprendente.
Ovunque si verifichi l’inflazione (cubi blu), essa dà origine a un numero esponenzialmente maggiore di regioni di spazio a… ogni passo avanti nel tempo. Anche se ci sono molti cubi dove l’inflazione finisce (X rosse), ci sono molte più regioni dove l’inflazione continuerà nel futuro. Il fatto che questo non finisca mai è ciò che rende l’inflazione “eterna” una volta che inizia.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
L’inflazione non finisce ovunque contemporaneamente, ma piuttosto in luoghi selezionati e disconnessi in un dato momento, mentre lo spazio tra questi luoghi continua a gonfiarsi. Ci dovrebbero essere molteplici, enormi regioni di spazio dove finisce l’inflazione e inizia un Big Bang caldo, ma non possono mai incontrarsi, perché sono separate da regioni di spazio in espansione. Ovunque inizi l’inflazione, è quasi garantito che continui per un’eternità, almeno in alcuni punti.
Dove l’inflazione finisce per noi, abbiamo un Big Bang caldo. La parte di Universo che osserviamo è solo una parte di questa regione in cui l’inflazione è finita, con più Universo non osservabile al di là di questo. Ma ci sono innumerevoli regioni, tutte scollegate l’una dall’altra, con la stessa identica storia.
Un’illustrazione di molteplici universi indipendenti, causalmente scollegati l’uno dall’altro in un… oceano cosmico in continua espansione, è una rappresentazione dell’idea del Multiverso. In una regione dove inizia il Big Bang e finisce l’inflazione, il tasso di espansione calerà, mentre l’inflazione continua tra due regioni di questo tipo, separandole per sempre.
Ozytive / Public domain
Questa è l’idea del multiverso. Come potete vedere, si basa su due aspetti indipendenti, ben stabiliti e ampiamente accettati della fisica teorica: la natura quantistica del tutto e le proprietà dell’inflazione cosmica. Non c’è un modo noto per misurarla, proprio come non c’è modo di misurare la parte non osservabile del nostro Universo. Ma le due teorie che ne sono alla base, l’inflazione e la fisica quantistica, hanno dimostrato di essere valide. Se hanno ragione, allora il multiverso è una conseguenza ineluttabile, e noi ci viviamo dentro.
L’idea del multiverso afferma che esiste un numero arbitrariamente grande di universi come il nostro, ma… questo non significa necessariamente che ci sia un’altra versione di noi là fuori, e certamente non significa che ci sia alcuna possibilità di imbattersi in una versione alternativa di se stessi… o in qualsiasi cosa di un altro universo.
Lee Davy / flickr
E allora? Non è un granché, no? Ci sono un sacco di conseguenze teoriche che sono inevitabili, ma che non possiamo conoscere con certezza perché non possiamo testarle. Il multiverso è una di una lunga serie di quelle. Non è una realizzazione particolarmente utile, solo un’interessante previsione che scaturisce da queste teorie.
Perciò perché così tanti fisici teorici scrivono articoli sul multiverso? Sugli universi paralleli e la loro connessione al nostro attraverso questo multiverso? Perché sostengono che il multiverso è collegato al paesaggio di stringhe, alla costante cosmologica e persino al fatto che il nostro universo è finemente sintonizzato per la vita?
Perché anche se è ovviamente una cattiva idea, non ne hanno di migliori.
Il paesaggio di stringhe può essere un’idea affascinante e piena di potenziale teorico, ma… non predice nulla che possiamo osservare nel nostro universo. Questa idea di bellezza, motivata dalla risoluzione di problemi ‘innaturali’, non è sufficiente da sola per elevarsi al livello richiesto dalla scienza.
Università di Cambridge
Nel contesto della teoria delle stringhe, c’è un enorme insieme di parametri che potrebbero, in linea di principio, assumere quasi qualsiasi valore. La teoria non fa previsioni per loro, quindi dobbiamo inserirli a mano: i valori di aspettativa dei vuoti di stringa. Se avete sentito parlare di numeri incredibilmente grandi come il famoso 10500 che appare nella teoria delle stringhe, i possibili valori dei vuoti di stringa sono ciò a cui si riferiscono. Non sappiamo cosa siano, o perché abbiano i valori che hanno. Nessuno sa come calcolarli.
Una rappresentazione dei diversi “mondi” paralleli che potrebbero esistere in altre sacche del… multiverso.
Pubblico dominio
Così, invece, alcune persone dicono “è il multiverso!” La linea di pensiero va così:
- Non sappiamo perché le costanti fondamentali hanno i valori che hanno.
- Non sappiamo perché le leggi della fisica sono quelle che sono.
- La teoria delle stringhe è un quadro che potrebbe darci le nostre leggi della fisica con le nostre costanti fondamentali, ma potrebbe darci altre leggi e/o altre costanti.
- Pertanto, se abbiamo un enorme multiverso, dove molte regioni diverse hanno leggi e/o costanti diverse, una di queste potrebbe essere la nostra.
Il grande problema è che non solo questo è enormemente speculativo, ma non c’è ragione, data l’inflazione e la fisica quantistica che conosciamo, di presumere che uno spaziotempo in espansione abbia leggi o costanti diverse in regioni diverse.
Non sei impressionato da questa linea di ragionamento? Non lo è praticamente nessun altro.
Quanto è probabile o improbabile che il nostro universo abbia prodotto un mondo come la Terra? E quanto sarebbero plausibili queste… probabilità se le costanti fondamentali o le leggi che governano il nostro universo fossero diverse? A Fortunate Universe, dalla cui copertina è stata tratta questa immagine, è uno di questi libri che esplora queste questioni.
Geraint Lewis e Luke Barnes
Come ho spiegato prima, il Multiverso non è una teoria scientifica in sé. Piuttosto, è una conseguenza teorica delle leggi della fisica come sono meglio comprese oggi. È forse anche una conseguenza inevitabile di quelle leggi: se hai un universo inflazionario governato dalla fisica quantistica, questo è qualcosa con cui sei praticamente destinato a finire. Ma – proprio come la Teoria delle Stringhe – ha alcuni grossi problemi: non predice nulla che abbiamo osservato e che non possiamo spiegare senza di essa, e non predice nulla di definitivo che possiamo andare a cercare.
Visualizzazione di un calcolo della teoria quantistica dei campi che mostra particelle virtuali nel vuoto quantistico…. Anche nello spazio vuoto, questa energia del vuoto è non-zero. Se abbia lo stesso valore costante in altre regioni del multiverso è qualcosa che non possiamo sapere, ma non c’è alcuna motivazione perché sia così.
Derek Leinweber
In questo Universo fisico, è importante osservare tutto ciò che possiamo, e misurare ogni bit di conoscenza che possiamo racimolare. Solo dall’insieme dei dati disponibili possiamo sperare di trarre conclusioni valide e scientifiche sulla natura del nostro universo. Alcune di queste conclusioni avranno implicazioni che potremmo non essere in grado di misurare: l’esistenza del multiverso deriva da questo. Ma quando le persone sostengono di poter trarre conclusioni sulle costanti fondamentali, le leggi della fisica o i valori delle stringhe vacue, non stanno più facendo scienza; stanno speculando. Il wishful thinking non sostituisce i dati, gli esperimenti o gli osservabili. Finché non li avremo, siate consapevoli che il multiverso è una conseguenza della migliore scienza che abbiamo a disposizione oggi, ma non fa alcuna previsione scientifica che possiamo mettere alla prova.