Delle centinaia di racconti che scrisse, il preferito di Isaac Asimov era “L’ultima domanda” in cui l’umanità, fondendosi con i computer, impara a rispondere alla domanda: come invertiamo l’entropia e impediamo all’universo di morire?
Per capire quanto sia importante questa domanda, immagina come sarà la fine dell’universo.
L’universo tende a un maggiore disordine a causa della seconda legge della termodinamica. L’entropia, una misura del disordine, aumenta sempre. Il disordine include non solo il disordine, ma anche la tendenza a diffondere e decadere le cose. Mentre l’universo sembra essere iniziato con un botto, finirà con un piagnucolio.
Attualmente, all’interno della linea temporale della storia dell’universo dalla nascita alla “morte”, viviamo nell’era Stelliferous. Questa era inizia con un evento chiamato ricombinazione, la formazione dei primi atomi con carica neutra.
Lo Sfondo Cosmico a Microonde, lo sfondo di radiazioni che costituisce la prima luce che possiamo vedere, è apparso in questo momento, circa 100.000 anni dopo il Big Bang. Prima della ricombinazione c’era l’era primordiale, un’epoca in cui le stelle non potevano formarsi e l’universo era una massa densa e calda di plasma.
Le prime stelle iniziarono a brillare molto più tardi, quando l’universo aveva circa 100 milioni di anni e le prime galassie si formarono dopo circa 600 milioni di anni. L’era Stelliferous continuerà fino a quando l’universo avrà circa 100 trilioni di anni, secondo le proiezioni. A quel punto, non ci sarà più carburante nell’universo e l’universo entrerà nella sua età buia.
Come nel racconto di Arthur C. Clarke, I nove miliardi di nomi di Dio, le stelle, una per una, inizieranno a spegnersi. Il nostro Sole diventerà una nana nera, un corpo di massa stellare così antico che non ne esiste ancora nessuno nell’universo.
Entro 1 quadrilione di anni, l’universo non avrà più sistemi solari. Tutti i pianeti verranno espulsi dalle proprie orbite o saranno consumati. Le galassie degenereranno, perdendo tutte le loro stelle a causa dei buchi neri o nelle profondità dello spazio intergalattico. Entro 10 quadrilioni di anni, tutta la materia nell’universo sarà decaduta in fotoni vaganti. La materia come la conosciamo non esisterà più.
Gli unici corpi massicci rimasti a questo punto saranno i buchi neri, che decadono lentamente rilasciando la radiazione di Hawking. Dopo circa un anno googol, dieci alla potenza di cento, tutti questi buchi neri saranno decaduti nel nulla. A questo punto, rimarrà essenzialmente vuoto, con solo fotoni e neutrini che si sposteranno verso un’energia sempre più bassa mentre l’universo continua ad espandersi.
È improbabile che la specie umana sopravviva anche solo per una piccola frazione di questo tempo, ma, a parte questo, c’è qualcosa che potremmo fare per fermare l’incessante marcia dell’entropia?
Asimov immaginò che gli umani si sarebbero uniti ai computer, che chiamò Analog Computers o AC, finché alla fine sarebbe rimasto un solo AC contenente tutti gli esseri senzienti. Quell’AC sarebbe quindi, magicamente, in grado di riavviare l’universo con la linea divina “Sia la luce; e c’era luce“.
Questa linea è divertente perché la luce è l’ultima cosa che rimarrà nel nostro universo insieme a molti neutrini dopo la morte per calore. Quindi, ci sarebbe già la luce. Il problema è che la luce è troppo diffusa.
La chiave per riavviare l’universo è riunire la materia o creare nuova materia dal nulla.
A tal fine, nel 1992, Lee Smolin propose la sua teoria evoluzionistica della generazione dell’universo. Egli presupponeva che gli universi potessero generarne di nuovi e, se possibile, avrebbero seguito le stesse regole di selezione naturale degli esseri viventi. Gli universi che producono più universi che sopravvivono e ne producono di più persisterebbero, conferendo le loro leggi fisiche e la loro struttura agli universi futuri in una sorta di codifica simile al DNA che sperimenteremmo come leggi della fisica.
Questa idea risolve un importante problema in cosmologia e nei fondamenti della fisica chiamato problema della messa a punto. La messa a punto è il concetto che per qualche ragione l’universo sembra appositamente sintonizzato per produrre cose come la materia stabile che porta agli esseri umani.
Piuttosto che fare appello al principio antropico che viviamo in quel tipo di universo perché siamo qui, Smolin suggerisce che gli universi si sono evoluti in quel modo, forse da universi molto più primitivi e di breve durata.
Il meccanismo con cui gli universi ne producono di nuovi è attraverso la formazione di buchi neri. Un buco nero, come un universo, contiene una singolarità o almeno una sfera di materia ed energia strettamente legata. La chiamerò una singolarità per semplicità.
La differenza è che un universo inizia con una singolarità del Big Bang nel tempo, mentre un buco nero contiene una singolarità nello spazio.
Ciò non risulta però essere un problema, perché quando la materia cade in un buco nero la sua dimensione temporale, la direzione in cui vive il tempo che scorre, si piega gradualmente verso la singolarità, così che, quando raggiunge la singolarità, la sua dimensione temporale è direttamente in essa. Se un universo si trova dall’altra parte della singolarità di un buco nero, allora la materia che vi è caduta emergerebbe semplicemente al Big Bang di un nuovo universo.
Durante la sua caduta nella singolarità, naturalmente, si confonderebbe completamente con altra materia che vi cade e qualsiasi informazione che contiene potrebbe essere cancellata o così completamente confusa da essere irrecuperabile.
La teoria del Big Bang del buco nero risolve diversi problemi in cosmologia.
Risolve il problema dell’orizzonte che è il problema che vediamo nel Cosmic Microwave Background in cui diverse parti della radiazione del cielo notturno sono troppo correlate per essere avvenute dopo l’inizio dell’universo.
L’attuale teoria dominante per spiegare questo è la teoria inflazionistica. Anche la teoria del Big Bang del buco nero è inflazionaria perché lo spaziotempo, chiamato spazio di de Sitter, che collega un universo a una singolarità del buco nero è inflazionistico nelle sue fasi iniziali, ma parte del mescolamento che spiega il problema dell’orizzonte che si verifica mentre la materia sta cadendo nel buco nero dell’universo madre.
Risolve anche il problema della planarità, che è probabilmente più importante. La teoria inflazionistica da sola ha molti problemi di messa a punto (motivo per cui otteniamo teorie completamente prive di fondamento come l’inflazione eterna). Il problema della planarità si chiede perché l’universo appaia perfettamente piatto nello spazio. Gli astrofisici lo spiegano con l’energia oscura, ma la teoria del Big Bang del buco nero lo spiega puramente dai requisiti topologici di connessione di un universo a una singolarità del buco nero. Andrà bene solo un universo spazialmente piatto. Quindi, l’energia oscura non esisterebbe nemmeno in questo modello.
Si riduce, invece, al modo in cui gli universi madri danno alla luce universi bambini, un po’ come i bambini umani hanno crani flessibili in modo da poter passare attraverso il canale del parto.
Smolin sostiene che il nostro universo è appositamente sintonizzato per produrre buchi neri e che piccoli cambiamenti nelle costanti della fisica non consentirebbero una generazione così prolifica. Ciò significa che, se gli universi sorgono dai buchi neri, il nostro universo, mentre parliamo, genera costantemente universi bambini.
Una domanda è: se tutti questi buchi neri contengono quantità di massa stellare di materia ed energia, come possono formare nuovi universi come il nostro invece che piccole galassie?
Potenzialmente succederebbe a causa del modo in cui il tempo e lo spazio si scambiano di posto all’interno di un buco nero. Qualsiasi materia che cada in un buco nero emergerà al Big Bang dell’universo bambino, non importa quando cadrà durante la vita dell’universo madre. Emergerà in diverse posizioni spaziali nel nuovo universo, ma tutte allo stesso tempo.
Quindi il Big Bang è compresso spazialmente come un buco nero dal punto di vista dell’universo madre ma compresso temporalmente dal punto di vista dell’universo bambino. Allo stesso modo, sarà temporalmente esteso nell’universo madre ma spazialmente esteso nell’universo bambino.
Ciò significa che tutta la materia che cadrà nel buco nero contribuirà al nuovo universo, non solo quella iniziale. Questa è più materia, ovviamente, ma difficilmente creerà un universo pieno di materia, finché non consideriamo che c’è un’altra fonte di contributo: lo spaziotempo stesso.
Considera un esperimento mentale: supponiamo che io abbia una stringa lunga un miliardo di anni luce e la colleghi ad ancore su due pianeti in galassie lontane. Man mano che l’universo si espande, la corda guadagnerà tensione che è energia potenziale utile. Questa è una caratteristica generale dell’universo. La sua espansione genera “antigravità” o tensione nello spaziotempo che crea energia dal nulla.
La conservazione dell’energia è qui violata perché la relatività generale non conserva l’energia su scala cosmologica. La conservazione dell’energia è il risultato della simmetria di traslazione temporale, l’idea che i risultati fisici non cambiano a seconda di quando si verificano. Poiché l’universo ha un inizio e un modo definito in cui si dispiega nella sua espansione, ogni intervallo di tempo non è esattamente intercambiabile con ogni altro intervallo. Quindi, l’espansione dell’universo crea energia su larga scala ma non molta.
Quando l’universo si espande molto rapidamente, tuttavia, molto più velocemente della velocità della luce, allora puoi creare molta materia dal nulla lanciando energia negativa oltre la sfera di Hubble. Questo è il separatore tra lo spazio che si espande più lentamente della luce e lo spazio che si espande più velocemente della luce rispetto alla tua posizione. L’espulsione di energia negativa fa ridurre la densità dell’energia del vuoto al di fuori della sfera di Hubble e in cambio ottieni materia ed energia gratuite.
Il fisico Paul Davies ha esplorato la generazione di energia e materia nel suo articolo “Mining the Universe” in cui ha considerato come si potrebbe estrarre energia illimitata da un universo in espansione. Egli osserva che la fase inflazionistica dell’universo, lo spazio di de Sitter, produce radiazione di Hawking allo stesso modo dei buchi neri. Questa radiazione di Hawking è essenzialmente energia libera.
Questo è il modo in cui la teoria inflazionistica standard spiega in primo luogo l’aspetto dell’universo, ma quando lo colleghi a un buco nero in un universo madre ottieni un quadro molto più completo. Lo spazio di de Sitter che collega l’universo bambino al buco nero nell’universo madre produce enormi quantità di materia ed energia dal nulla. Tale produzione cessa per lo più quando torna all’espansione ordinaria.
Ecco perché un buco nero, formato da una semplice massa stellare, può creare un intero universo di galassie.
Secondo recenti stime miliardi di questi buchi neri, portali verso altri universi, potrebbero essere sparsi in tutto il cosmo.
Tornando al problema di “The Last Question”, c’è un ruolo per la vita intelligente nel far ripartire l’universo?
Sembra che l’universo ed i suoi predecessori abbiano già risolto questo problema. Il tempo cessa di significare qualcosa quando si parla di universi che ne producono di nuovi, ma certamente si può parlare di una lunga fila, forse una linea infinita, di universi che hanno imparato come produrne di nuovi. Per entrare in un altro universo, dovresti semplicemente saltare in un buco nero. Questo ti ucciderebbe, ovviamente, ma la tua materia verrebbe riciclata nel nuovo universo.
Potresti chiederti se possiamo far ripartire da capo questo universo.
Affinché ciò accada, questo universo dovrebbe entrare in una fase inflazionistica in cui produce materia ed energia fresca. Se una specie fosse abbastanza intelligente da manipolare il comportamento gravitazionale di un intero universo, allora potrebbe essere fisicamente possibile. Una tale fase inflazionistica creerebbe effettivamente un universo a bolle all’interno del vecchio universo. Ma probabilmente il modo migliore per farlo sarebbe creare un buco nero, quindi siamo tornati alla soluzione che i predecessori del nostro universo hanno già scoperto.
Questo dimostra che, lungi dal bisogno di fonderci con un computer divino in un lontano futuro, siamo in realtà i prodotti di un universo dotato di un potere simile a quello di Dio, uno che potrebbe, innumerevoli volte dire: “sia la luce”, e, ogni volta che si forma un buco nero, ci sarà luce.
