Multiverso: potrebbe esserci un universo parallelo identico al nostro?

Una delle idee più convincenti di tutta la fisica sembra pura finzione, ma potrebbe effettivamente descrivere la nostra realtà: l’idea di un multiverso. Nello scenario del multiverso, ciò che conosciamo come il nostro universo è solo uno dei tanti universi che esistono indipendentemente e simultaneamente in parallelo al nostro.

Sebbene non ci siano prove convincenti che indichino l’esistenza o la non esistenza del multiverso, questo scenario ci fornisce una ricca area per l’esplorazione, poiché le previsioni della sua esistenza sono saldamente radicate in fenomeni di fisica teorica che sono definitivamente noti per esistere.

Se presumiamo che:

  • il caldo Big Bang, che ha dato origine all’universo osservabile come lo conosciamo, è stato preceduto dall’inflazione cosmica,
  • che tutte le particelle e i campi all’interno dell’universo sono fondamentalmente di natura quantistica,

allora l’esistenza di un multiverso è quasi inevitabile.

Questo apre un ricco regno di possibilità fisiche che non solo includono l’idea degli universi paralleli, ma apre potenzialmente alla possibilità che potrebbero essercene un numero infinito. Se è così, potrebbero anche esserci universi paralleli là fuori identici al nostro, dove la realtà “si biforca” ogni volta che si verifica un risultato quantistico.

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Ecco cosa è possibile all’interno di una considerazione scientifica del multiverso.

Concezione artistica in scala logaritmica dell’universo osservabile. Le galassie lasciano il posto a strutture su larga scala e al plasma caldo e denso del Big Bang alla periferia. Questo ‘bordo’ è un confine solo nel tempo. (Credit: Pablo Carlos Budassi; Unmismoobjetivo/Wikimedia Commons)

La motivazione per un multiverso

Per capire perché i fisici affermano che dovrebbe esistere un multiverso, devi prima capire alcuni fatti sull’universo che osserviamo.

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Un fatto è che c’è un limite alla parte dell’universo a cui possiamo accedere: un confine nel tempo. L’universo come possiamo vederlo iniziò circa 13,8 miliardi di anni fa in un evento noto come Big Bang caldo, dove l’universo era caldo, denso, pieno di materia e radiazioni, e si stava espandendo, raffreddandosi e gravitando da quello stato iniziale. Più si guarda indietro nello spazio, più si guarda indietro nel tempo, fino al confine del caldo Big Bang: 13,8 miliardi di anni fa nel tempo e 46,1 miliardi di anni luce di distanza nello spazio.

Tuttavia, non puoi tornare a tempi arbitrariamente antichi, perché se l’universo avesse superato una certa temperatura e densità, avrebbe proprietà che sappiamo non avere. Invece, le osservazioni sono molto più coerenti con l’idea che il caldo Big Bang sia stato preceduto e creato da un periodo di inflazione cosmica, che ha:

  • allungato la curvatura dell’universo in modo che fosse indistinguibile da piatto,
  • gonfiato via qualsiasi relitto problematico e inosservato ad alta energia che si prevede si formi a temperature elevate,
  • ha dato all’universo la stessa densità di energia ovunque,
  • con fluttuazioni quantistiche, che si verificano durante l’inflazione, sovrapposte a quello sfondo energetico uniforme.

Quando l’inflazione finisce, otteniamo un Big Bang caldo con le proprietà necessarie per riprodurre l’universo osservabile.

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Le fluttuazioni iniziali che sono state impresse sul nostro universo osservabile durante l’inflazione possono entrare in gioco solo al livello dello 0,003% circa, ma quelle minuscole imperfezioni portano a fluttuazioni di temperatura e densità che appaiono nel fondo cosmico a microonde e che seminano la struttura su larga scala che esiste oggi. Senza inflazione cosmica, non c’è spiegazione per queste condizioni iniziali. (Credito: Chris Blake e Sam Moorfield)

In genere, ci piace visualizzare l’inflazione come un semplice campo: ha determinate proprietà che influenzano lo spazio su cui è presente il campo. Finché il campo rimane in questo stato inflazionistico, dove il tessuto dello spazio ha una grande energia inerente ad esso, lo spazio si espanderà inesorabilmente ed esponenzialmente, in modo che la distanza tra due punti raddoppi successivamente ad ogni intervallo di tempo che passa.

Finché il campo rimane in questo stato inflazionistico, l’inflazione continua, allungando il tessuto dello spazio, diluendo tutto in esso, tutto fino a quando il campo non decade. In quel momento, l’inflazione finisce, poiché l’energia viene convertita in materia e radiazione, l’universo si riscalda a una temperatura molto alta (ma non arbitrariamente alta), e questo significa l’inizio del caldo Big Bang.

Tuttavia, in realtà, sappiamo che qualunque campo guidi l’inflazione è estremamente probabile che sia di natura quantistica. Ciò significa che, man mano che l’inflazione continua, c’è una certa probabilità che il campo “rotoli” nella valle dove l’inflazione finisce, una certa probabilità che non accada e che l’inflazione continui, e anche una certa probabilità che il campo “rotoli” ” nella direzione sbagliata, portandoci più lontano dalla fine dell’inflazione. E – ecco la parte controintuitiva – poiché l’universo in espansione crea continuamente nuovo spazio, tutte queste possibilità possono verificarsi contemporaneamente in diverse regioni dell’universo in espansione.

L’inflazione termina (in alto) quando una palla rotola nella valle. Ma il campo inflazionistico è quantistico (al centro), che si estende nel tempo. Mentre molte regioni dello spazio (viola, rosso e ciano) vedranno la fine dell’inflazione, molte altre (verde, blu) vedranno continuare l’inflazione, potenzialmente per l’eternità (in basso). (Credito: E. Siegel)

Questo crea uno scenario affascinante da considerare. Finché l’inflazione si è verificata, cosa che abbiamo abbondanti prove che ha fatto in base a ciò che è impresso nel nostro universo, implica l’esistenza di un multiverso. Quello che sta succedendo è quanto segue:

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  • si verifica l’inflazione,
  • allungando l’universo e creando nuovo spazio,
  • poi in alcuni punti il ​​campo “rotola” a valle, ponendo fine all’inflazione,
  • che si traduce nella creazione del caldo Big Bang in quelle regioni: quello che potremmo chiamare “un universo”,
  • ma a separare quegli universi è uno spazio più gonfiato, dove l’inflazione non finisce ma continua,
  • e così viene creato nuovo spazio mentre l’universo si espande,
  • mentre in alcuni luoghi il campo rotola a valle portando l’inflazione alla fine in quei punti generando più Big Bang più caldi e più universi,
  • mentre l’inflazione continua nelle regioni dove non è finita, creando più spazio,

e così via.

La cosa affascinante è che è abbastanza facile dimostrare che se vuoi creare uno scenario in cui otteniamo abbastanza inflazione per impostare il Big Bang caldo con le proprietà che osserviamo, otterrai sempre un multiverso: dove nascono sempre universi indipendenti e disconnessi, separati per sempre l’uno dall’altro dallo spazio che continua a gonfiarsi per l’eternità, mentre continuano a generarsi nuovi universi e nuovi Big Bang caldi. Finché abbiamo questa parte della storia corretta e le prove indicano in modo schiacciante che l’abbiamo, l’esistenza di un multiverso è prevista dalla migliore scienza dei giorni nostri.

Da uno stato preesistente, l’inflazione prevede che una serie di universi verrà generata man mano che l’inflazione continua, ciascuno completamente disconnesso dall’altro, separato da uno spazio più inflazionato. (Credito: Nicolle Rager Fuller)

Questi universi sono correlati?

A questo punto dobbiamo entrare in un territorio speculativo. Sappiamo che l’inflazione deve avvenire a una scala energetica che è significativamente al di sotto della scala energetica di Planck, altrimenti vedremmo segnali nel nostro universo che non esistono.

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Ciò che non sappiamo, tuttavia, è estremamente importante. Non sappiamo come sia iniziata l’inflazione, né se abbia avuto un inizio; è possibile che l’inflazione sia uno stato predefinito dell’universo che accade eternamente, fino a quando non finisce nella nostra regione dello spazio e il nostro universo è stato generato.

Non sappiamo se ci siano proprietà entangled tra questi diversi universi all’interno del multiverso; non sappiamo se tutti gli universi che vengono generati hanno le stesse leggi fisiche e costanti fondamentali, o se ci sono dinamiche che governano queste leggi e costanti che in qualche modo vengono “impostate” durante l’inflazione o la transizione finale al caldo Big Bang.

Inoltre, non abbiamo idea di come quantificare le probabilità di questi diversi risultati: ciò che i cosmologi che ci lavorano chiamano il problema della misura. Si prevede che questi universi esistano, ma non sappiamo quanti ce ne siano, se o come siano correlati e quali somiglianze o differenze abbiano rispetto al nostro universo.

Una rappresentazione dei diversi “mondi” paralleli che potrebbero esistere in altre tasche del multiverso. (Credito: Pixabay/dominio pubblico)

Tuttavia, l’aspettativa – basata su ciò che possiamo misurare all’interno del nostro universo e ciò che possiamo calcolare in base alle proprietà quantistiche che possiedono le particelle e i campi conosciuti – è che le leggi e le costanti dovrebbero essere le stesse tra gli universi, ma le condizioni specifiche dovrebbero essere diverse.

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Cosa significa questo?

Significa che le proprietà complessive di ogni universo dovrebbero essere le stesse, perché hanno un’origine comune: dalla fine dello stesso campo inflazionistico. Ciò significa che ogni universo dovrebbe nascere con la stessa densità energetica media, le stesse leggi, le stesse simmetrie, le stesse quantità conservate e leggi di conservazione, lo stesso Modello Standard, le stesse regole della Relatività Generale e molte altre proprietà.

Le grandi differenze, semplicemente, dovrebbero presentarsi sotto forma di fluttuazioni quantistiche che si sovrappongono a questo sfondo uniforme: 1 parte su 30.000 imperfezioni che hanno fornito i semi della struttura cosmica nel nostro universo. Queste dovrebbero essere casuali e su tutte le scale, e il nostro universo dovrebbe essere solo uno tra un insieme di possibili risultati straordinariamente ampio.

Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l’inflazione si estendono attraverso l’universo e quando l’inflazione termina, diventano fluttuazioni di densità. Questo porta, nel tempo, alla struttura su larga scala osservata nell’universo di oggi e alle fluttuazioni di temperatura osservate nel CMB. Le fluttuazioni sono un processo casuale, il che significa che non esistono due universi equivalenti se il numero totale di universi è finito e troppo piccolo. (Credit: E. Siegel, ESA/Planck, task force interagenzia DOE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)

Eppure, se ne hai abbastanza di questi universi che nascono, alla fine dovrebbe essercene uno con le stesse precise proprietà iniziali del nostro. Ricorda che tutto ciò che esiste nel nostro universo è finito: c’è un numero finito di particelle, una quantità finita di energia, una quantità finita di tempo in cui possono verificarsi interazioni tra quanti e un numero finito di possibili esiti. Anche se questi numeri sono astronomicamente grandi, non sono infiniti.

Potrebbe essere o meno la stessa storia quando si tratta del numero di universi generati dall’inflazione. Se l’inflazione è andata avanti per un periodo di tempo finito, allora il numero di universi che otteniamo aumenta esponenzialmente con il tempo, ma rimane sempre finito. Se l’inflazione è andata avanti per un tempo infinito, allora il numero di universi deve essere infinito e tutte le possibilità consentite devono essersi verificate in qualche universo.

L’idea di Universi paralleli, applicata al gatto di Schrödinger. Per quanto divertente e avvincente sia questa idea, senza una regione di spazio infinitamente grande in cui contenere queste possibilità, anche l’inflazione non creerà abbastanza universi per contenere tutte le possibilità che 13,8 miliardi di anni di evoluzione cosmica ci hanno portato. (Credito: Christian Schirm/Wikimedia Commons)

Isolato o interattivo?

Se l’inflazione è andata avanti solo per un periodo di tempo finito, possiamo affermare con forza, in base a come il numero di universi aumenta con il tempo rispetto a come il numero di possibili esiti all’interno di un singolo universo aumenta con il tempo, che non esistono universi paralleli equivalenti al nostro all’interno del multiverso.

Quando parliamo dell’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica, un numero finito di universi è insufficiente per contenere tutti i possibili risultati. Abbiamo bisogno di un’infinità di mondi, che a sua volta richiede una durata infinita all’inflazione per rendere possibile un universo parallelo identico al nostro.

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Ma se l’inflazione fosse andata avanti per un tempo infinito, allora l’esistenza di universi paralleli identici non è solo possibile, ma obbligatoria. Non importa quanto grande diventi un numero finito, anche se tende all’infinito nel tempo, non diventerà mai infinito dopo un tempo finito.

All’interno del nostro universo osservabile, c’è solo un numero finito di particelle, una quantità finita di tempo in cui interagiscono tra loro e un numero finito di possibili risultati. Se esiste un numero infinito di universi come il nostro che ora esistono, ogni possibile insieme di risultati dovrebbe essere rappresentato in almeno un universo. (Credito: Jaime Salcido/Collaborazione EAGLE)

Pertanto, anche se esiste un numero astronomico di possibili risultati che potrebbero essersi verificati, comprese le interazioni quantistiche con un insieme continuo di risultati consentiti, un numero infinito di universi paralleli deve contenerli tutti.

Tuttavia, anche se tali universi paralleli esistono all’interno di un multiverso più ampio, anche se ce ne sono un numero infinito, non tutti gli effetti immaginabili sono possibili. Non è possibile trasferire nulla tra universi, ad esempio.

Anche se ogni universo fosse emerso dalla stessa piccola regione di spazio, poiché puoi tracciare due punti qualsiasi in uno spazio- tempo in espansione finché non sono arbitrariamente vicini tra loro, nessuna informazione può mai essere trasferita tra di loro; non sono più causalmente connessi.

Se la “bolla” che ha dato origine al nostro Universo si scontrasse con un’altra nelle prime fasi, ne deriverebbe una caratteristica simile a un livido. Non ci sono tali firme trovate nelle nostre osservazioni, indicando che il quadro standard dell’inflazione, in cui universi distinti non interagiscono, rimane valido. (Credit: Stephen Feeney, Matt Johnson, Daniel Mortlock, Hiranya Peiris/UCL)

Non c’è retrocausalità che si verifica; ciò che accade in un universo non può influenzare un altro. Sappiamo come quantificare cosa accadrebbe, durante l’inflazione, se due universi si scontrassero, si fondessero o interagissero in altro modo, e possiamo affermare definitivamente che non esistono prove del genere che ciò sia avvenuto nel nostro universo.

Inoltre, le possibilità quantistiche che ora esistono per il nostro universo sono possibili solo per eventi futuri i cui risultati sono già stati determinati. L’idea che più storie possano sovrapporsi per creare la realtà che abitiamo ora – spesso colloquialmente noto come effetto Mandela – è un esempio fisicamente inammissibile di pseudoscienza, non supportato da alcuna prova.

Un’illustrazione di universi multipli e indipendenti, scollegati causalmente l’uno dall’altro in un oceano cosmico in continua espansione, è una rappresentazione dell’idea del multiverso. Durante l’inflazione, ovunque l’inflazione finisca, otteniamo un caldo Big Bang, qualcosa che è chiaramente accaduto qui ~ 13,8 miliardi di anni fa. Ma se l’inflazione sia iniziata e come, in caso affermativo, non è una domanda a cui attualmente possiamo rispondere. (Credito: Ozytive/dominio pubblico)

È straordinariamente allettante considerare la possibilità che tutti i nostri errori e decisioni sbagliate, e le conseguenze che ne sono derivate per noi stessi e per gli altri, possano avere avuto esiti diversi altrove. In un altro momento in un altro luogo, forse c’era una versione di te che ha preso decisioni migliori in un momento critico, e quella versione di te, in un altro universo, sta vivendo una vita migliore e abita in un mondo migliore per questo.

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L’idea del multiverso, e in particolare degli universi paralleli che identici al nostro fino a quelle decisioni critiche, ci offre la speranza che le nostre decisioni passate non siano così immutabili come crediamo attualmente.

Eppure, non è affatto ciò che indica la scienza.

Anche se l’inflazione è in corso da un tempo infinito, tutto ciò che accade negli altri universi esistenti non è in alcun modo correlato a ciò che sta accadendo o è accaduto nel nostro universo; il nostro passato è fondamentalmente scritto. Non ci sono opportunità che sorgono in uno scenario multiverso per riscriverlo o per importare, da un altro universo, un risultato che si è rivelato diverso.

Il multiverso può essere inevitabile e gli universi paralleli possono essere possibili, ma non influenzano il nostro universo in alcun modo misurabile o osservabile. Oltre i limiti della scienza, tutto ciò che abbiamo è speculazione. Fino a quando non avremo prove, non potranno essere rilasciate ulteriori dichiarazioni definitive.

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