Cosa c’è al di là di tutto ciò che possiamo vedere? La domanda può sembrare senza risposta. Tuttavia, alcuni cosmologi hanno una risposta: il nostro universo è una bolla che si gonfia. Al di fuori di esso esistono più universi a bolle, tutti immersi in un mare in eterna espansione ed energia: il multiverso.
L’idea si sta polarizzando. Alcuni fisici stanno abbracciando l’ipotesi del multiverso per spiegare perché la nostra bolla sembra così speciale (solo alcune bolle potrebbero ospitare la vita), mentre altri rifiutano la teoria per non fare previsioni verificabili (poiché predice tutti gli universi concepibili). Ma alcuni ricercatori si aspettano di non essere ancora abbastanza intelligenti da elaborare le precise conseguenze della teoria.
Ora, vari team stanno sviluppando nuovi modi per dedurre esattamente come si muove il multiverso e cosa succede quando quegli universi a bolle entrano in collisione.
“È un tiro lungo“, ha detto Jonathan Braden, un cosmologo dell’Università di Toronto che è coinvolto nello sforzo, ma è una ricerca di prove “per qualcosa che pensavi di non poter mai testare“.
Multiverso ed inflazione eterna
L’ipotesi del multiverso è nata dagli sforzi per comprendere la nascita del nostro universo. Nella struttura su larga scala dell’universo, i teorici vedono segni di un’espansione esplosiva durante l’infanzia del cosmo. All’inizio degli anni ’80, mentre i fisici studiavano come lo spazio avrebbe potuto iniziare – e fermarsi – a dilatarsi, emerse un quadro inquietante.
I ricercatori si sono resi conto che mentre lo spazio potrebbe aver smesso di dilatarsi qui (nel nostro universo a bolle) e lì (in altre bolle), gli effetti quantistici potrebbero continuare a gonfiare la maggior parte dello spazio, un’idea nota come inflazione eterna.
La differenza tra gli universi a bolle e l’ambiente circostante si riduce all’energia dello spazio stesso. Quando lo spazio è il più vuoto possibile e non può perdere più energia, esiste in quello che i fisici chiamano un “vero” stato di vuoto. Pensa a una palla che giace sul pavimento: non può cadere oltre. Ma i sistemi possono anche avere stati di vuoto “falsi”. Immagina una palla in una ciotola su un tavolo. La palla può rotolare un po’ rimanendo più o meno ferma. Ma una scossa abbastanza grande la sbalzerà dal tavolo e finirà sul pavimento, nel vero vuoto.
Nel contesto cosmologico, lo spazio può rimanere bloccato in modo simile in un falso stato di vuoto. Un granello di falso vuoto occasionalmente si rilasserà nel vero vuoto (probabilmente attraverso un evento quantistico casuale), e questo vero vuoto si gonfierà verso l’esterno come una bolla che si gonfia, banchettando con l’energia in eccesso del falso vuoto, in un processo chiamato decadimento del falso vuoto.
È questo processo che potrebbe aver avviato il big bang del nostro cosmo. “Una bolla del vuoto avrebbe potuto essere il primo evento nella storia del nostro universo“, ha detto Hiranya Peiris, cosmologa all’University College di Londra.
Ma i fisici fanno fatica a prevedere come si comportano le bolle del vuoto. Il futuro di una bolla dipende da innumerevoli piccoli dettagli che si sommano. Anche le bolle cambiano rapidamente – le loro pareti si avvicinano alla velocità della luce mentre si dilatano verso l’esterno – e sono caratterizzate da casualità e ondulazione meccanica quantistica.
Presupposti diversi su questi processi danno previsioni contrastanti, senza alcun modo per dire quali potrebbero assomigliare alla realtà. È come se “avessi preso in considerazione molte cose che sono molto difficili da affrontare per i fisici e le hai pasticciate tutte insieme dicendo: ‘Vai avanti e scopri cosa sta succedendo‘”, ha detto Braden.
Dal momento che non possono produrre vere bolle di vuoto nel multiverso, i fisici ne hanno cercato analoghi digitali e fisici.
Un gruppo ha recentemente indotto un comportamento simile a una bolla di vuoto da una semplice simulazione.
I ricercatori, tra cui John Preskill, un importante fisico teorico del California Institute of Technology, hanno iniziato con “la versione più infantile di questo problema a cui si possa pensare“, come ha detto il coautore Ashley Milsted: una riga di circa 1.000 frecce digitali che potrebbero puntare verso l’alto o verso il basso.
Il punto in cui una serie di frecce puntate principalmente in alto incontrava una serie di frecce in gran parte puntate verso il basso indicava un muro di bolle e, lanciando le frecce, i ricercatori potevano far muovere e scontrare le pareti di bolle. In determinate circostanze, questo modello imita perfettamente il comportamento di sistemi più complicati in natura.
I ricercatori speravano di usarlo per simulare il falso decadimento del vuoto e le collisioni di bolle.
All’inizio la semplice configurazione non ha funzionato in modo realistico. Quando le pareti delle bolle si sono schiantate l’una contro l’altra, hanno rimbalzato perfettamente, senza nessuno degli intricati riverberi o deflussi di particelle previsti (sotto forma di frecce capovolte che si increspano lungo la linea).
Ma dopo aver aggiunto alcuni accenti matematici, il team ha visto i muri in collisione che hanno vomitato particelle energetiche, con più particelle che apparivano man mano che le collisioni diventano più violente.
Ma i risultati, che sono apparsi in un preprint nel dicembre del 2020, prefigurano un vicolo cieco in questo problema per il calcolo tradizionale. I ricercatori hanno scoperto che quando le particelle risultanti si mescolano, diventano “entangled“, entrando in uno stato quantistico condiviso.
Il loro stato diventa esponenzialmente più complicato con ogni particella aggiuntiva, soffocando le simulazioni anche sui supercomputer più potenti.
Per questo motivo, i ricercatori affermano che ulteriori scoperte sul comportamento delle bolle potrebbero dover attendere computer quantistici maturi, dispositivi i cui elementi computazionali (qubit) possono gestire l’entanglement quantistico perché lo sperimentano in prima persona.
Nel frattempo, altri ricercatori sperano che la natura faccia i conti per loro.
Michael Spannowsky e Steven Abel, fisici della Durham University nel Regno Unito, credono di poter eludere i calcoli complicati utilizzando un apparato che gioca secondo le stesse regole quantistiche del vuoto. “Se puoi codificare il tuo sistema su un dispositivo realizzato in natura, non devi calcolarlo“, ha detto Spannowsky. “Diventa più un esperimento che una previsione teorica“.
Quel dispositivo è noto come un quantum annealer. Un computer quantistico limitato, e specializzato nella risoluzione di problemi di ottimizzazione consentendo ai qubit di cercare la configurazione a più bassa energia disponibile, un processo non dissimile dal falso decadimento del vuoto.
