Ci sono solo poche domande, quando le poniamo, che ci costringono a fare i conti con la natura fondamentale dell’esistenza. Da dove viene il nostro universo? Qualcosa potrà mai lasciare il nostro Universo e, in tal caso, riemergerà mai altrove? Siamo veramente vincolati dalla seconda legge della termodinamica, che indica che l’entropia deve aumentare per sempre nel nostro universo, qualunque cosa facciamo, o c’è una scappatoia? E, alla fine di tutto, cosa succederà alla materia, all’energia, allo spazio e al tempo una volta avvenuta la morte per calore del nostro Universo?
Queste domande non hanno ancora una risposta completa oggi, anche con tutta la conoscenza che abbiamo raccolto nel corso degli anni. Tuttavia, vale la pena rifletterci.
“Quando il nostro universo finirà, inizierà un nuovo universo in tutto il nuovo spazio vuoto?”
Questa è una possibilità affascinante da considerare. Ecco cosa sappiamo oggi sull’opportunità per il nostro universo di rinascere di nuovo.
Ci sono due strumenti incredibilmente potenti che, quando li combiniamo, ci permettono di imparare cos’è che compone l’Universo. Il primo strumento è la Relatività Generale di Einstein, e in particolare la soluzione esatta per un Universo che è uniformemente riempito di “roba”. Il secondo strumento è la capacità di identificare le distanze e le velocità di recessione di vari oggetti in una varietà di momenti nella storia dell’Universo.
Basandoci solo su questi strumenti, possiamo capire:
- di cosa è fatto l’Universo,
- quale frazione di energia è in ogni diverso componente,
- e come quelle densità energetiche frazionarie si evolveranno nel tempo
All’inizio, ad esempio, l’Universo era principalmente radiazione: sotto forma di fotoni e neutrini. Più tardi, fu soprattutto materia: sotto forma di materia oscura e materia normale. E solo di recente, cosmologicamente parlando, l’energia oscura è diventata la componente dominante dell’Universo, ma con il passare del tempo le cosepeggioreranno.
La maggior parte delle forme di energia – come la materia o la radiazione – sono basate su particelle: quanti di energia. Man mano che l’Universo si espande, il volume aumenta, ma il numero di particelle al suo interno rimane lo stesso. Sia per la materia che per la radiazione, ciò significa che la densità deve diminuire: se hai la stessa quantità di “materiale” ma il volume è maggiore, la tua densità è inferiore.
Ma l’energia oscura è diversa: è una forma di energia inerente allo spazio stesso. Man mano che l’Universo si espande, il volume aumenta, mentre la densità di energia (l’energia per unità di volume) rimane costante. Questa differenza è importante.
Normalmente, mentre l’Universo si espande e la densità di energia diminuisce, anche la velocità di espansione diminuisce; l’Universo si espande più lentamente col passare del tempo. Ma se la densità di energia rimane costante, il tasso di espansione non diminuirà, ma rimarrà a un valore costante e inarrestabile.
Ciò porta all’espansione esponenziale, dove alla fine ogni oggetto non legato nell’Universo accelererà lontano da ogni altro oggetto, portando a un Universo in espansione, ma vuoto.
Quelli di voi che hanno familiarità con la cosmologia moderna potrebbero riconoscere questa descrizione – di un Universo in continua espansione che non è pieno di materia o radiazioni, ma di energia intrinseca allo spazio stesso – da un punto diverso della nostra storia.
Questo è esattamente ciò che crediamo sia avvenuto durante l’inflazione cosmica: un’espansione esponenziale in cui dominava l’energia inerente allo spazio vuoto. Alla fine, quell’energia ha subito una transizione, dall’essere inerente allo spazio all’essere “scaricata” in particelle e antiparticelle: un evento che ora identifichiamo come l’inizio del Big Bang caldo.
Molti hanno ipotizzato, nel corso degli anni, che questi due periodi di tempo potessero essere correlati. Se il nostro Universo è iniziato dalle conseguenze della natura in espansione dello spazio vuoto e finirà nello stesso stato, una volta che tutte le galassie e i buchi neri saranno decaduti, la fine di un Universo potrebbe effettivamente corrispondere a la nascita di un altro Universo?
Il nostro Universo potrebbe essere sorto dalla morte di uno precedente, e la morte del nostro Universo potrebbe preannunciare l’inizio di uno nuovo?
Il tuo primo pensiero potrebbe essere quello di obiettare sulla base della termodinamica. Dopo tutto, la seconda legge della termodinamica ci dice che l’entropia aumenta sempre, eppure il concetto che le cose potrebbero essere “le stesse” all’inizio e alla fine dell’Universo chiaramente non rientra in questa idea.
In una varietà di epoche in tutto l’Universo, per esempio, possiamo calcolare l’entropia dell’Universo in termini di k B: costante di Boltzmann. All’inizio del Big Bang caldo, subito dopo la fine dell’inflazione, l’entropia era ~ 10 88 k B, che è un numero grande, ma finito.
Allora, l’entropia era dominata dalle radiazioni. Oggi, 13,8 miliardi di anni più tardi, l’entropia è molto più alta: più simile a ~ 10 103 k B, dove l’entropia è dominata da buchi neri (in realtà, il buco nero al centro della Via Lattea, da sola, ha un entropia di ~ 10 91 k B:. Più grande dell’entropia di tutto l’Universo al momento del Big Bang).
Con l’energia oscura il tempo ci porta, in modo efficace, alla fine dell’Universo, l’entropia sarà un enorme 10 123 k B: circa 35 ordini di grandezza più grande che all’inizio. Ma devi ricordare che c’è una grande differenza tra l’entropia, che aumenta sempre, e la densità di entropia, che può diminuire in un universo in espansione. Finché l’entropia totale aumenta, siamo a posto agli occhi della seconda legge della termodinamica.
Ciò lascia, al meglio delle nostre conoscenze, quattro possibilità di come un nuovo Universo potrebbe iniziare dalle nostre “ceneri”.
1.) L’universo potrebbe collassare di nuovo. È vero che l’energia oscura sembra essere una sorta di energia inerente allo spazio stesso, facendo sì che l’Universo non solo si espanda, ma che l’espansione acceleri. Tuttavia, non abbiamo alcuna prova che la forza e il segno dell’energia oscura rimarranno sempre una costante. Certo, la migliore prova che abbiamo sembra dimostrarlo, ma dobbiamo rimanere aperti alla possibilità che l’energia oscura si evolva nel tempo.
Se succedesse, uno degli scenari plausibili è che l’energia oscura decada in qualche altra forma di energia, mentre un altro è che alla fine si inverte in segno: da positivo a negativo. Se si verificasse uno di questi scenari, è possibile – in caso di inversione di segno, che il destino dell’Universo venga alterato. Invece di espandersi per sempre fino a quando l’Universo non sarà freddo e vuoto, l’Universo cesserà di espandersi, inizierà a contrarsi e collasserà.
Anche se questo potrebbe portare a una serie di risultati, tra cui un “nuovo Universo” che sorge dai resti di quello vecchio, non sorgerebbe dallo spazio vuoto, ma da tutta la materia e l’energia che si ricompongono in un punto.
2.) L’Universo accelera nella sua espansione a causa del rafforzamento dell’energia oscura, innescando una rinascita. Stranamente, tuttavia, anche l’esatto opposto di questo scenario potrebbe portare a un nuovo universo rinato. E se, invece di rimanere costante, l’energia oscura diventasse più forte nel tempo? L’energia inerente allo spazio non rimarrebbe solo a una densità di energia costante, ma la densità di energia – l’entità dell’energia oscura in qualsiasi regione dello spazio – aumenterà effettivamente nel tempo.
A causa della relazione tra lo spazio, il tempo, l’espansione dell’Universo e la densità di energia di ogni cosa nell’Universo, questo fa sì che il tasso di espansione cresca nel tempo, senza una fine in vista. Ad un certo punto, il tasso di espansione può essere grande come lo era durante la fase dell’inflazione cosmica che ha preceduto il Big Bang. Finché l’energia nello spazio stesso decadrà in particelle e antiparticelle che potrebbe innescare un altro Big Bang caldo.
È interessante notare che l’obiettivo scientifico del Nancy Roman Telescope della NASA, precedentemente noto come WFIRST, è misurare se l’energia oscura cambia nel tempo e, in tal caso, come, con la maggiore precisione di sempre: fino a ~ 1% di variazioni da una vera costante cosmologica .
3.) Forse l’energia oscura potrebbe decadere, innescando l’inizio di un universo molto diverso. Questo di solito ha un nome più breve: decadimento del vuoto. Per qualche ragione, abbiamo un universo con energia oscura al suo interno, in cui l’energia inerente allo spazio non è zero, ma ha un valore positivo, diverso da zero.
Puoi immaginare che ciò sia dovuto al fatto che non siamo in fondo a una collina, ma piuttosto in quello che chiamiamo un falso minimo: un punto basso – come una valle – ma non il più basso di tutti i punti possibili.
Se l’Universo non fosse di natura quantistica, resteremmo semplicemente nella valle. Tuttavia, in un universo quantistico, rimane possibile un “tunnel quantistico” nel vero minimo: uno stato energetico ancora più basso. Se ciò accadesse, tuttavia, un certo numero di cose sarebbero impazzite.
Le leggi della fisica e i valori delle costanti fondamentali cambierebbero.
L’energia precedentemente inerente allo spazio diminuirebbe.
Il che farebbe sì che nuovi quanti, come particelle e antiparticelle, vengano “strappati” dal vuoto.
Il che innescherebbe un nuovo Big Bang, anche se molto più basso di energia, più freddo e meno denso dell’originale.
Forse ci vorrebbero trilioni di anni perché anche una singola transizione atomica avvenga in questo nuovo Universo, ma se non abbiamo imparato nient’altro da Einstein, è che il tempo, come lo spazio, è relativo all’osservatore.
4.) I buchi neri potrebbero essere “porte d’accesso” ad altri universi. Questa è forse l’idea più eccitante, ma potrebbe essere inevitabile. Al centro di ogni buco nero c’è una singolarità: un punto in cui il tempo e lo spazio si rompono. Tuttavia, se il tuo buco nero ruota, quella singolarità viene spalmata in un “anello” o un cerchio unidimensionale.
Se cadi in un buco nero rotante, alcuni calcoli di fisica teorica molto interessanti suggeriscono che non raggiungerai mai la singolarità, ma che piuttosto una volta attraversato l’orizzonte degli eventi, ciò che sperimenterai è qualcosa di stranamente simile all’inflazione cosmica e finirai in un nuovo Universo.
Sebbene non abbiamo un modo noto per testare questo scenario, si tratta di un’idea che porta a una serie di affascinanti connessioni possibili.
Il decadimento di un buco nero, tramite la radiazione di Hawking, potrebbe emulare ciò che vediamo nell’Universo come energia oscura? L’epoca inflazionistica che ha dato il via al nostro Universo potrebbe essere nata da un buco nero in un universo precedente? E, se potessimo cadere in un buco nero e sopravvivere in qualche modo al viaggio, ci troveremmo in un altro universo completamente diverso dal nostro?
Allo stato attuale, le prove migliori indicano che l’energia oscura è una costante, che non capovolgerà i segnali, non si indebolirà, rafforzerà o decadrà e che i buchi neri sono biglietti unidirezionali per l’oblio. Ci aspettiamo pienamente che l’Universo continui ad espandersi con una densità di energia costante, con oggetti distanti e non legati che si allontanano l’uno dall’altro a velocità sempre crescenti.
Mentre le stelle, le galassie e persino i buchi neri al suo interno decadono, il nostro Universo diventa sempre più silenzioso, con tutte le attività che alla fine soccombono alla morte per calore: dove non sarà più possibile estrarre energia da nulla.
Ma molti risultati affascinanti che differiscono dallo scenario standard sono ancora in gioco, e potrebbero ancora realizzarsi.
Se l’energia oscura si evolve o il vuoto decade, potrebbe emergere un nuovo stato, ricco di particelle. Se alcune delle idee di fisica teorica più selvaggia che circondano i buchi neri si rivelassero vere, potrebbero essere finestre o persino porte di accesso ad altri universi.
E se ci fosse una connessione tra l’energia oscura e l’inflazione, forse il nostro Universo non è il primo del suo genere, e forse non sarà nemmeno l’ultimo del suo genere. Quando ci troviamo ai margini delle frontiere dell’ignoto, siamo costretti a guardare con meraviglia, aperti a ogni possibilità che non sia ancora esclusa. Con una maggiore quantità di dati, potremmo trovare qualcosa che rivoluziona la nostra visione di come tutto un giorno finirà.
