universo a bolle

Multiverso: gli scienziati hanno avanzato varie teorie sulla costituzione dell’Universo. Precedentemente abbiamo esposto una panoramica sui vari tipi di Universo ipotizzati. In questo articolo parleremo dell’Universo a bolle.

Concetti preliminari

Il multiverso è un’idea che postula l’esistenza contemporanea di altri universi fuori dal nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele.

Il concetto di multiverso fu proposto in modo rigoroso per la prima volta da Hugh Everett III nel 1957 con l’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica: ogni misura quantistica porta alla divisione dell’universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell’operazione di misura.

La teoria del multiverso ha avuto molte formulazioni, gli universi che lo costituiscono sono strutturalmente identici e possono esistere in stati diversi anche se possiedono le stesse leggi fisiche e gli stessi valori delle costanti fondamentali. Gli universi costituenti sono inoltre non-comunicanti, nel senso che non può esservi transito di informazioni tra di essi, anche se nell’ipotesi di Everett potenzialmente potrebbero esercitare un’azione reciproca (gravitazionale? e/o altro?).

Il cosmologo svedese Max Eric Tegmark cita: «Le dimensioni del Multiverso sono così smisurate che hanno come conseguenza che da qualche parte esistono altri esseri uguali a noi, ma non rischiamo di incontrarli. La distanza che dovremmo percorrere è così grande che il numero di chilometri ha più cifre di quante sono le particelle dell’Universo conosciuto

Teoria delle “bolle” o universo a inflazione caotica

La teoria delle bolle è la teoria del multiverso solitamente più accreditata, perché più aderente ai dati e alle misurazioni.

La formazione del nostro universo da una “bolla” del multiverso fu proposta da Andrej Linde, sulla base degli studi di Alan Guth sull’inflazione cosmologica negli anni ’80, ed è nota come teoria dell’universo a bolle.

Il concetto dell’universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un “universo genitore“.

Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia (un’idea: pensate alle bolle di vapore d’acqua quando questa bolle). Queste fluttuazioni possono creare piccole bolle e wormhole. Se la fluttuazione di energia non è molto grande, un piccolo universo a bolla può formarsi, sperimentare una qualche espansione (come un palloncino che si gonfia), ed in seguito contrarsi. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto ad un certo valore critico, dall’universo genitoriale si forma un piccolo universo a bolla che va incontro ad un’espansione a lungo termine e permette la formazione sia di materia che di strutture galattiche a grandissima scala.

Che cos’è la schiuma quantistica (spaziotemporale)?

Evoluzione storica

Per cercare di risolvere il mistero di che cosa riempia l’universo, gli scienziati esplorano da tempo la possibilità che sia fatto di bolle.

Nel 1955, il noto fisico John Archibald Wheeler ha proposto una teoria per cui, a livello quantistico, lo spaziotempo non sarebbe costante, ma “spumoso,” fatto di piccole bolle che mutano in continuazione costituite da altri mini-universi che si formano brevemente dentro al nostro.

L’ipotesi della schiuma spaziotemporale (quindi qualcosa di caotico e indefinito) si sposa bene con l’incertezza e l’indeterminismo intrinsechi al mondo quantistico.

La schiuma spaziotemporale estende l’incertezza quantistica rispetto alla posizione e al moto di una particella alla matrice stessa dell’universo, così che la sua geometria non è stabile, coerente o fissa su scala minuscola.

Wheeler aveva illustrato l’idea della schiuma spaziotemporale facendo un’analogia con la superficie dell’oceano, come ci ha spiegato poi il fisico Y. Jack Ng dell’Università del North Carolina, a Chapel Hill:

«Immagina di stare volando con un aereo sull’oceano. Ad altitudini elevate, l’oceano sembra piatto. Ma man mano che scendi di quota, inizia a mostrare le sue increspature. Abbastanza vicino alla superficie, vedi le bolle e la spuma. Analogamente, lo spaziotempo appare liscio su ampia scala; ma quando scendi abbastanza nel piccolo, lo vedrai increspato e spumoso.»

Il professor Steven Carlip dell’Università della California, a Davis, ha pubblicato una nuova ricerca (per gli addetti ai lavori cliccare qui) che si basa sulla teoria della schiuma quantistica di Wheeler per dimostrare che le bolle spaziotemporali potrebbero nascondere la costante cosmologica su grande scala.

«Ci sono molte ipotesi diverse [per risolvere il problema della costante cosmologica] e un buon segno a favore della mia ricerca è che nessuna di esse è accettata universalmente, quindi ho pensato che valesse la pena cercare un approccio che derivasse da cose che sospettiamo altrove.»

Che cos’è la schiuma quantistica (spaziotemporale)? La visione attuale

Nella schiuma spaziotemporale, ogni punto dello spaziotempo ha la grande quantità di energia vuota (stato di energia più bassa equivalente allo spazio vuoto) predetta dalla teoria quantistica, ma si comporta diversamente da altri punti. Se lo spaziotempo in un punto si comporta in un certo modo è ugualmente probabile che si verifichi l’esatto opposto in un altro punto dello spazio. Questa è la caratteristica della schiuma spaziotemporale che compensa l’energia extra e i processi di espansione su piccola scala con processi opposti che avvengono in un’altra parte dell’Universo.

Affinché funzioni tutto, bisogna supporre che, a livello quantistico (microscopico), il tempo non abbia alcuna direzione intrinseca, cioè non esiste alcuna freccia del tempo. Un’idea che molti scienziati hanno già da parecchio. Il tempo emergerebbe solo su scala macroscopica, ma a livello quantistico non esiste.

Carlip definisce la schiuma spaziotemporale come una struttura microscopica complessa. Può essere pensata come un universo in espansione formato da piccoli universi che si espandono e contraggono in ogni punto dello spaziotempo.

Verso la teoria del tutto

Un altro studio (per gli addetti ai lavori cliccare qui) esplora questo scenario in modo più approfondito. Gli autori, Qingdi Wang e William G. Unruh dell’Università della British Columbia, suggeriscono che ogni punto dello spaziotempo abbia dei cicli di espansione e contrazione. Ogni punto nello spaziotempo è un universo microciclico, che si muove all’infinto dalla singolarità al Big Bang, collassando e ricominciando da capo.

L’assunto fondamentale del lavoro di Y. Jack Ng è: non solo la schiuma spaziotemporale può essere misurata ed esplorata concettualmente, ma può anche spiegare l’accelerazione dell’universo connettendo fisica quantistica, relatività generale ed energia oscura. Ng crede che una Teoria del Tutto sia ormai a portata di mano. A proposito di questo, ha detto: «Ciò che mi interessa è andare oltre la considerazione della schiuma spaziotemporale e vedere se tanto la meccanica quantistica e la gravitazione sono fenomeni emergenti e se la termodinamica (la cui protagonista è l’entropia) custodisce la chiave per comprendere le leggi della natura

Il futuro della ricerca sulla schiuma quantistica

Concettualmente, la schiuma spaziotemporale riconcilia e spiega molti dei problemi enormi che ci sono tra la fisica quantistica e la cosmologia. Tutti gli scienziati stanno subodorando la possibilità di raggiungere traguardi epocali nel mondo della conoscenza fisica e proprio per questo sentono la necessità che siano fatti molti più studi.

Carlip sta lavorando a un modello quantitativo della schiuma spaziotemporale per integrare il modello teoretico che è al momento sul tavolo. Andare oltre un semplice modello quantitativo richiederà l’aiuto di tutti. La speranza è ancora più ambiziosa: una teoria unificata che leghi insieme meccanica quantistica, gravità e termodinamica e che spieghi tutti i misteri dell’universo.

Auguri allora e buon lavoro!