Creazione senza fine dal nulla

di Avi Loeb per Scientific American
Gli astronauti descrivono il vuoto e l’oscurità dello spazio lontano dalla Terra come un’esperienza sorprendente. Così ha fatto il poeta Rainer Maria Rilke in una poesia che mi è stata inviata per posta elettronica dallo scrittore Dror Burstein. Senza essersi mai avventurato nello spazio (ovviamente), Rilke scrisse un secolo fa: “Notte, rabbrividendo al mio riguardo, ma in te così fermo; creazione inesauribile, che resiste oltre il destino della terra“.
Esiste un’interpretazione scientifica moderna del poema di Rilke?
La realtà è che lo spazio non è né vuoto né oscuro. Anche al di fuori delle galassie, un astronauta potrebbe trovare almeno un protone, in media, in ogni metro cubo. Inoltre, un elettrone e mezzo miliardo di fotoni e neutrini, tutti rimasti dal big bang. Tuttavia, si potrebbe ingenuamente immaginare che lo spazio tra queste particelle sia vuoto. In effetti, i primi atomisti nell’antica Grecia pensavano che il vuoto fosse letteralmente nulla.
Non è così. Una frazione dominante del budget di massa cosmica – circa due terzi – è attualmente associata all’energia oscura che pervade il vuoto, esercitando una repulsiva spinta gravitazionale sulla materia e accelera l’espansione dell’universo. Le ultime misurazioni indicano che il vuoto si comporta come la costante cosmologica che Albert Einstein aggiunse alle sue equazioni un secolo fa quando considerò l’ipotetica possibilità di un universo statico, in cui la gravità attrattiva della materia è bilanciata dalla repulsione dal vuoto.
Il nostro universo attuale non solo si sta espandendo, ma lo fa in modo uniforme entro una parte su 100.000, anche per le regioni sui lati opposti del nostro orizzonte cosmico che non abbiamo ancora potuto guardare. La spiegazione popolare di questo apparente enigma è l’inflazione cosmica, un periodo iniziale durante il quale il vuoto ha innescato un’espansione accelerata per un tempo limitato, così che le regioni che erano inizialmente vicine e in contatto causale sono state infine separate così tanto che ora sono su lati opposti del nostro cielo. Se questa ipotesi fosse corretta, il vuoto ha dominato l’espansione sia all’inizio che alla fine della nostra storia cosmica.
Se sentiamo il bisogno di trovare il vuoto, possiamo immaginare una regione ipotetica al di fuori del volume osservato del nostro universo dove la costante cosmologica svanisce e non c’è materia. Questa regione sarebbe vuota? La risposta è, ancora una volta, no. Secondo la meccanica quantistica, sperimenterà ancora fluttuazioni del vuoto, con particelle virtuali che entrano ed escono brevemente dall’esistenza. La realtà di queste fluttuazioni transitorie è stata indicata sperimentalmente attraverso una serie di effetti. Ad esempio, quando due piastre metalliche sono poste parallelamente l’una all’altra, limitano la lunghezza d’onda delle fluttuazioni elettromagnetiche virtuali nello spazio tra di loro, determinando una forza tra di loro, il cosiddetto effetto Casimir.
Allo stesso modo, l’interazione tra le fluttuazioni del vuoto e l’elettrone in un atomo di idrogeno, produce una differenza di energia tra gli stati ² S _1/2 e ² P _1/2 dell’elettrone e produce lo spostamento di Lamb tra i loro livelli di energia. Inoltre, un campo elettrico abbastanza forte può accelerare elettroni e positroni virtuali dal vuoto, in modo che si materializzino in particelle reali e diano origine all’effetto Schwinger della creazione di coppie. In analogia, la forte gravità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero genera radiazione termica dal vuoto e provoca l’evaporazione di Hawking di questa pura struttura spaziotemporale.
In effetti, la radiazione termica esce dal vuoto non solo nei buchi neri, ma in tutti i sistemi che possiedono orizzonti causali. Ad esempio, una sonda in accelerazione ha un orizzonte Rindler dal quale rileva un bagno termico di radiazione, fornendo l’effetto Unruh. Allo stesso modo, l’orizzonte di un universo in accelerazione esponenziale mostra una temperatura di de Sitter. Durante l’inflazione cosmica accelerata, le fluttuazioni del vuoto sono state generate e potenzialmente hanno seminato le strutture odierne di galassie e ammassi di galassie. Se questo è ciò che è accaduto, dobbiamo la nostra esistenza alle prime fluttuazioni quantistiche. La vita seminata dal vuoto.
Ma possiamo considerare anche altre questioni fondamentali. Dato che gli atomisti si sbagliavano e il vuoto non si trova da nessuna parte, cosa c’era prima del big bang? Il nostro universo è emerso da una fluttuazione del vuoto? Queste domande possono essere risolte solo nell’ambito di una teoria predittiva della gravità quantistica che combini meccanica quantistica e gravità, che non abbiamo ancora. Fino a quando non sarà sviluppata, non scopriremo le nostre radici cosmiche.
Come nell’effetto Schwinger, è concepibile che una violenta fluttuazione del vuoto possa potenzialmente creare un universo bambino. Se ciò sia possibile dipende da dettagli sottili ed è un argomento di ricerca attiva, che ho studiato di recente come l’inversione temporale di un collasso in un buco nero, con Paul Chesler, un borsista postdottorato alla Black Hole Initiative di Harvard .
Un canale di nascita artificiale potrebbe avere implicazioni interessanti per le nostre origini cosmiche. Se il nostro universo fosse stato creato nel laboratorio di un’altra civiltà, si potrebbe immaginare una sequenza infinita di piccoli universi nati l’uno dall’altro da civiltà che hanno sviluppato l’utero tecnologico capace di dare vita a nuovi universi. In questo caso, il cordone ombelicale del nostro big bang avrebbe la sua origine in un laboratorio.
Un universo è il dono più grande che uno sperimentatore possa sperare di ottenere dal vuoto. All’interno, il regalo potrebbe contenere i primi atomisti che considerano il vuoto come vuoto, seguito da scienziati che finiscono per creare un nuovo universo da esso. Che interpretazione spettacolare sarebbe della frase di Rilke: “creazione inesauribile, che resiste oltre il destino della terra“.
https://www.scientificamerican.com/article/endless-creation-out-of-nothing/