Va molto di moda l’idea che esista un multiverso, idea che discende da una delle teorie di maggior successo della scienza del 20° secolo, cioè l’inflazione cosmica, che ha preceduto e dato origine al caldo Big Bang. Questo perché sappiamo come funzionano generalmente i campi quantistici, e se l’inflazione è un campo quantistico (cosa che sospettiamo fortemente), allora ci sarà sempre più spazio “ancora in fase di inflazione”.
Ogni volta e ovunque l’inflazione finisca, si verifica un caldo Big Bang. Se l’inflazione e la teoria quantistica dei campi sono entrambe corrette, il Multiverso è una necessità.
Inflazione cosmica e Multiverso
Quando guardiamo l’Universo oggi, non ci parla direttamente del multiverso ma ci racconta contemporaneamente due storie su se stesso. Una di queste storie è scritta sulla superficie di come ci appare e include le stelle e le galassie che vediamo, come sono raggruppate e come si muovono, e di quali ingredienti sono fatte. Questa è una storia relativamente semplice e che abbiamo imparato semplicemente osservando l’Universo che vediamo.
Ma l’altra storia è come l’Universo è diventato quello che è oggi, ed è una storia che richiede un po’ più di lavoro per essere svelata. Certo, possiamo osservare gli oggetti a grandi distanze, e questo ci dice com’era l’Universo in un lontano passato: quando fu emessa per la prima volta la luce che ci arriva oggi. Ma dobbiamo combinare le osservazioni con le nostre teorie sull’Universo – le leggi della fisica nel quadro del Big Bang – per interpretare ciò che è accaduto nel passato.
Quando lo facciamo, vediamo prove straordinarie che il Big Bang caldo è stato preceduto e avviato da una fase precedente: l’inflazione cosmica. Ma affinché l’inflazione possa darci un Universo coerente con ciò che osserviamo, c’è un’appendice inquietante che ci accompagna nel viaggio: l’idea che esista un multiverso.
Quindi, ecco perché i fisici sostengono a stragrande maggioranza che un multiverso debba esistere.
Dall’inizio di tutto al multiverso
Negli anni ’20, le prove erano già schiaccianti del fatto che non solo le numerose spirali ed ellittiche nel cielo erano in realtà intere galassie a sé stanti, ma che quanto più lontana si stabiliva che una tale galassia fosse, tanto maggiore era l’entità dello spostamento sistematico della sua luce. lunghezze d’onda più lunghe.
Sebbene inizialmente fossero state suggerite diverse interpretazioni, una ad una svanirono con l’aumentare delle prove osservative finché ne rimase solo una: l’Universo stesso era in fase di espansione cosmologica, come una pagnotta di pane con uvetta che sta lievitando, dove erano incorporati oggetti legati come le galassie (ad esempio, l’uvetta). in un Universo in espansione (ad esempio, l’impasto).
Se oggi l’Universo si sta espandendo e la radiazione al suo interno viene spostata verso lunghezze d’onda più lunghe ed energie più basse, allora in passato l’Universo doveva essere più piccolo, più denso, più uniforme e più caldo. Finché qualsiasi quantità di materia e radiazione farà parte di questo Universo in espansione, l’idea del Big Bang produce tre previsioni esplicite e generiche:
- una rete cosmica su larga scala le cui galassie crescono, si evolvono e si raggruppano in modo più ricco nel tempo,
- uno sfondo a bassa energia di radiazione di corpo nero, residuo di quando gli atomi neutri si formarono per la prima volta nell’Universo caldo e primordiale,
- rapporti specifici degli elementi più leggeri – idrogeno, elio, litio e i loro vari isotopi – che esistono anche in regioni che non hanno mai formato stelle.
Tutte e tre queste previsioni sono state confermate dalle osservazioni, ed è per questo che il Big Bang regna sovrano come la nostra teoria principale sull’origine del nostro Universo, così come tutti gli altri suoi concorrenti sono caduti in disparte. Tuttavia, il Big Bang descrive solo come era il nostro Universo nelle sue primissime fasi; non spiega perché avesse quelle proprietà.
In fisica, se conosci le condizioni iniziali del tuo sistema e quali sono le regole a cui obbedisce, puoi prevedere in modo estremamente accurato – fino ai limiti della tua potenza computazionale e dell’incertezza inerente al tuo sistema – come evolverà arbitrariamente quel mondo nel lontano futuro.
Ma quali condizioni iniziali doveva avere il Big Bang al suo inizio per darci l’Universo che abbiamo? È un po’ una sorpresa, ma quello che scopriamo è che:
- doveva esserci una temperatura massima che fosse significativamente (almeno circa un fattore di ~1000) inferiore alla scala di Planck, che è il punto in cui le leggi della fisica vengono meno,
- l’Universo doveva essere nato con fluttuazioni di densità approssimativamente della stessa grandezza su tutte le scale,
- il tasso di espansione e la densità totale di materia ed energia devono essere bilanciati quasi perfettamente: almeno ~ 30 cifre significative,
- deve essere nato con le stesse condizioni iniziali – stessa temperatura, densità e spettro di fluttuazioni – in tutti i luoghi, anche quelli causalmente disconnessi,
- e la sua entropia deve essere stata molto, molto inferiore a quella odierna, di un fattore di trilioni su trilioni.
Ogni volta che ci troviamo di fronte a una questione di condizioni iniziali: in sostanza, perché il nostro sistema è partito in questo modo? – abbiamo solo due opzioni. Possiamo fare appello all’inconoscibile, dicendo che è così perché era l’unico modo possibile e non se ne può sapere altro, oppure possiamo provare a trovare un meccanismo per impostare e creare le condizioni che conosciamo. Questo secondo percorso è ciò che i fisici chiamano “appello alla dinamica”, in cui tentiamo di ideare un meccanismo che faccia tre cose importanti.
- Deve riprodurre ogni successo prodotto dal modello che sta cercando di sostituire, in questo caso il caldo Big Bang. Questi capisaldi precedenti devono tutti emergere da qualsiasi meccanismo che proponiamo.
- Deve spiegare ciò che il Big Bang non può spiegare: le condizioni iniziali con cui ha avuto inizio l’Universo. Questi problemi che rimangono inspiegati solo all’interno del Big Bang devono essere spiegati da qualunque nuova idea si presenti.
- deve fare nuove previsioni che differiscono da quelle della teoria originale, e tali previsioni devono portare a una conseguenza che sia in qualche modo osservabile, verificabile e/o misurabile.
L’unica idea che abbiamo avuto che soddisfacesse questi tre criteri è stata la teoria dell’inflazione cosmica, che ha ottenuto successi senza precedenti su tutti e tre i fronti.
Ciò che l’inflazione sostanzialmente dice è che l’Universo, prima che fosse caldo, denso e pieno di materia e radiazioni ovunque, era in uno stato in cui era dominato da una grandissima quantità di energia inerente allo spazio stesso: una sorta di energia del campo o del vuoto. Solo che, a differenza dell’energia oscura odierna, che ha una densità di energia molto piccola (l’equivalente di circa un protone per metro cubo di spazio), la densità di energia durante l’inflazione era enorme: circa 10 25 volte maggiore di quella dell’energia oscura odierna!
Quindi, come si arriva al multiverso?
Ed ecco come si arriva dall’inflazione al multiverso: il modo in cui l’Universo si espande durante l’inflazione è diverso da quello a cui siamo abituati. In un Universo in espansione con materia e radiazione, il volume aumenta mentre il numero di particelle rimane lo stesso, e quindi la densità diminuisce. Poiché la densità energetica è correlata al tasso di espansione, l’espansione rallenta nel tempo. Ma se l’energia è intrinseca allo spazio stesso, allora la densità energetica rimane costante, e così anche il tasso di espansione.
Il risultato è quella che conosciamo come espansione esponenziale, dove dopo un periodo di tempo molto breve, l’Universo raddoppia di dimensioni, e con il tempo che passa, raddoppia di nuovo, e così via. In brevissimo tempo – una piccola frazione di secondo – una regione che inizialmente era più piccola della più piccola particella subatomica può dilatarsi fino a diventare più grande dell’intero Universo visibile oggi.
Durante l’inflazione, l’Universo si allunga fino a raggiungere dimensioni enormi. Nel processo si compiono un numero enorme di cose, tra cui:
- l’Universo osservabile si dilata, indipendentemente da quale sia la sua curvatura iniziale, fino a renderlo indistinguibile da un universo piatto,
- prendendo qualunque condizione iniziale esistesse nella regione che iniziò a gonfiarsi estendendola attraverso l’intero Universo visibile,
- creando minuscole fluttuazioni quantistiche e allungandole attraverso l’Universo, in modo che siano quasi le stesse su tutte le scale di distanza, ma di entità leggermente inferiore su scale più piccole (quando l’inflazione sta per finire),
- convertendo tutta l’energia del campo “inflazionistico” in materia e radiazione, ma solo fino a una temperatura massima ben al di sotto della scala di Planck (ma paragonabile alla scala di energia inflazionistica),
- creando uno spettro di fluttuazioni di densità e temperatura che esistono su scale più grandi dell’orizzonte cosmico e che sono adiabatiche (di entropia costante) e non isotermiche (di temperatura costante) ovunque.
Ciò riproduce i successi del Big Bang caldo non inflazionistico, fornisce un meccanismo per spiegare le condizioni iniziali del Big Bang e produce una serie di nuove previsioni che differiscono da un inizio non inflazionistico. A partire dagli anni ’90 e fino ai giorni nostri, le previsioni dello scenario inflazionistico concordano con le osservazioni, distinte dal Big Bang caldo non inflazionistico.
Il fatto è che c’è una quantità minima di inflazione che deve verificarsi per riprodurre l’Universo che vediamo, e ciò significa che ci sono determinate condizioni che l’inflazione deve soddisfare per avere successo. Possiamo modellare l’inflazione come una collina, dove finché si rimane in cima si gonfia, ma non appena si rotola giù nella valle sottostante, l’inflazione termina e trasferisce la sua energia nella materia e nella radiazione.
Se lo fai, scoprirai che ci sono alcune “forme di collina”, o ciò che i fisici chiamano “potenziali”, che funzionano e altre che non funzionano. La chiave per farlo funzionare è che la cima della collina deve avere una forma sufficientemente piatta. In termini semplici, se si pensa al campo inflazionistico come a una palla in cima a quella collina, è necessario che rotoli lentamente per la maggior parte della durata dell’inflazione, acquistando velocità e rotolando rapidamente solo quando entra nella valle, ponendo fine all’inflazione.
Abbiamo quantificato la lentezza con cui l’inflazione deve muoversi, il che ci dice qualcosa sulla forma di questo potenziale. Finché la parte superiore è sufficientemente piatta, l’inflazione può funzionare come una soluzione praticabile per l’inizio del nostro Universo.
Ma ora, è qui che le cose si fanno interessanti. L’inflazione, come tutti i campi che conosciamo, deve essere un campo quantistico per sua stessa natura. Ciò significa che molte delle sue proprietà non sono determinate esattamente, ma hanno piuttosto una distribuzione di probabilità. Più tempo si lascia passare, maggiore sarà la distribuzione. Invece di far rotolare una palla puntiforme giù da una collina, in realtà stiamo facendo rotolare una funzione d’onda di probabilità quantistica giù da una collina.
Allo stesso tempo, l’Universo si sta gonfiando, il che significa che si sta espandendo in modo esponenziale in tutte e tre le dimensioni. Se prendessimo un cubo 1 per 1 per 1 e lo chiamassimo “il nostro Universo”, potremmo osservare il cubo espandersi durante l’inflazione. Se occorre un piccolo lasso di tempo perché la dimensione di quel cubo raddoppi, allora diventa un cubo 2 x 2 x 2, che richiede 8 dei cubi originali per essere riempito.
Lascia trascorrere la stessa quantità di tempo e diventa un cubo 4 x 4 x 4, che necessita di 64 cubi originali per essere riempito. Lasciamo trascorrere di nuovo quel tempo e otterremo un cubo 8 x 8 x 8, con un volume di 512. Dopo solo circa 100 “tempi di raddoppio”, avremo un universo con circa 10 90 cubi originali al suo interno .
Fin qui tutto bene. Ora, diciamo che abbiamo una regione in cui quella palla quantistica inflazionistica rotola giù nella valle. L’inflazione finisce lì, l’energia del campo viene convertita in materia e radiazione e avviene qualcosa che conosciamo come un Big Bang caldo. Questa regione potrebbe avere una forma irregolare, ma è necessario che si sia verificata un’inflazione sufficiente per riprodurre i successi osservativi che vediamo nel nostro Universo.
La domanda allora diventa: cosa succede al di fuori di quella regione?
Se la teoria dell’inflazione è valida il multiverso è quasi inevitabile
Ecco il problema: se imponi di ottenere un’inflazione sufficiente affinché il nostro Universo possa esistere con le proprietà che vediamo, allora al di fuori della regione in cui termina l’inflazione, l’inflazione continuerà. Se chiedi “qual è la dimensione relativa di quelle regioni”, scoprirai che se vuoi che le regioni in cui l’inflazione finisce siano abbastanza grandi da essere coerenti con le osservazioni, allora le regioni in cui non finisce sono esponenzialmente più grandi, e la disparità peggiora col passare del tempo.
Anche se esiste un numero infinito di regioni in cui l’inflazione finisce, ce ne saranno un numero infinito di regioni in cui persisterà. Inoltre, le varie regioni in cui termina – dove si verificano i Big Bang caldi – saranno tutte causalmente disconnesse, separate da più regioni di spazio in espansione.
In parole povere, se ogni Big Bang caldo avviene in un Universo “bolla”, allora le bolle semplicemente non si scontrano. Ciò con cui ci ritroveremo è un numero sempre maggiore di bolle sconnesse col passare del tempo, tutte separate da uno spazio in costante espansione.
Ecco cos’è il multiverso e perché gli scienziati accettano la sua esistenza come posizione predefinita. Abbiamo prove schiaccianti del Big Bang caldo, e anche del fatto che il Big Bang ebbe inizio con una serie di condizioni che non hanno una spiegazione de facto. Se aggiungiamo una spiegazione per ciò – l’inflazione cosmica – allora l’inflazione dello spaziotempo che ha dato origine al Big Bang crea una serie di nuove previsioni. Molte di queste previsioni sono confermate dall’osservazione, ma anche altre previsioni emergono come conseguenze dell’inflazione.
Uno di questi è l’esistenza di una miriade di Universi, di regioni sconnesse tra loro, ciascuna con il proprio Big Bang caldo, che compongono quello che conosciamo come multiverso quando li prendi tutti insieme. Ciò non significa che i singoli universi che compongono questo multiverso abbiano regole, leggi o costanti fondamentali diverse, o che tutti i possibili risultati quantistici che puoi immaginare si verifichino in qualche altra sacca del multiverso.
Ciò non significa nemmeno che il multiverso sia reale, poiché si tratta di una previsione che non possiamo verificare, convalidare o falsificare. Ma se la teoria dell’inflazione è valida, e i dati lo dicono, il multiverso è quasi inevitabile.
