Nascita quantistica dell’universo: un multiverso frattale in eterna crescita

Secondo i modelli quantistici, le galassie come la Via Lattea sono cresciute da deboli rughe nel tessuto dello spaziotempo. La densità della materia in queste rughe era leggermente maggiore rispetto alle aree circostanti e questa differenza è stata amplificata durante il gonfiaggio, consentendo loro di attirare ancora più materia. Da questi densi semi primordiali sono cresciute le strutture cosmiche che vediamo oggi

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In alcune sacche di spazio, ben oltre i limiti delle nostre osservazioni“, ha scritto il cosmologo Dan Hooper dell’Università di Chicago, riferendosi alla teoria dell’inflazione eterna e del multiverso inflazionistico: “le leggi della fisica potrebbero essere molto diversi da quelli che troviamo nel nostro universo locale. Potrebbero esistere diverse forme di materia, che sperimentano diversi tipi di forze. In questo senso, quelle che chiamiamo ‘le leggi della fisica’, invece di essere un fatto universale della natura, potrebbero essere un fatto ambientale, che varia da luogo a luogo, o di volta in volta”.

Penso di sapere come è nato l’universo“, ha detto Andrei Linde, fisico teorico russo-americano e professore di fisica Harald Trap Friis alla Stanford University. Linde è uno dei principali autori della teoria dell’universo inflazionario, nonché della teoria dell’inflazione eterna e del multiverso inflazionario.

Secondo i modelli quantistici, le galassie come la Via Lattea sono cresciute da deboli rughe nel tessuto dello spaziotempo. La densità della materia in queste rughe era leggermente maggiore rispetto alle aree circostanti e questa differenza è stata amplificata durante il gonfiaggio, consentendo loro di attirare ancora più materia. Da questi densi semi primordiali sono cresciute le strutture cosmiche che vediamo oggi. “Le galassie sono figlie di fluttuazioni quantistiche casuali prodotte durante i primi 10-35 secondi dopo la nascita dell’universo“, ha detto Linde.

Di conseguenza, l’universo diventa un multiverso, un frattale in eterna crescita composto da molte parti esponenzialmente grandi“, ha scritto Linde. “Queste parti sono così grandi che per tutti gli scopi pratici sembrano universi separati“.

Una notte d’estate del 1981, mentre era ancora un ricercatore junior presso l’Istituto di Fisica Lebedev di Mosca, Andrei Linde fu colpito da una rivelazione. Incapace di contenere la sua eccitazione, svegliò sua moglie, Renata Kallosh, e le sussurrò: “Penso di sapere come è nato l’universo“.

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Kallosh, una fisica teorica lei stessa, mormorò alcune parole incoraggianti e si riaddormentò. “Solo la mattina dopo mi sono resa conto del pieno impatto di ciò che mi aveva detto Andrei“, ha ricordato Kallosh, ora professore di fisica allo Stanford Institute for Theoretical Physics.

Il momento eureka notturno di Linde aveva a che fare con un problema di cosmologia con cui lui e altri teorici, incluso Stephen Hawking, avevano lottato.

 

Un anno prima, un postdoc di 32 anni presso lo SLAC National Accelerator Laboratory di nome Alan Guth aveva scioccato la comunità dei fisici proponendo un’audace modifica alla teoria del Big Bang. Secondo l’idea di Guth, che chiamò “inflazione“, il nostro universo eruttò da uno stato di vuoto e subì un breve periodo di espansione più veloce della luce. In meno di un miliardesimo di un trilionesimo di un trilionesimo di secondo, lo spazio-tempo è raddoppiato più di 60 volte da un granello subatomico a un volume molte volte più grande dell’universo osservabile.

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Guth immaginò la potente forza repulsiva che alimentava la crescita esponenziale dell’universo come un campo di energia che inondava lo spazio. Quando l’universo si è dispiegato, questo “campo di inflazione” è decaduto e la sua energia sparsa è stata trasfigurata in una fioritura infuocata di materia e radiazione. Questo perno, dal nulla al qualcosa e dall’atemporalità al tempo, segnò l’inizio del Big Bang. Ha anche spinto Guth a scherzare notoriamente sul fatto che l’universo inflazionistico fosse un “ultimo pranzo gratis“.

L’inflazione è bellezza e comoda. Spiega in un colpo solo perché l’universo è così grande, perché è nato caldo e perché la sua struttura sembra essere così piatta e uniforme su vaste distanze. C’era solo un problema: non funzionava.

Per concludere il disimballaggio dello spazio-tempo, Guth ha preso in prestito un trucco dalla meccanica quantistica chiamato “tunneling” per consentire al suo campo di inflazione di saltare in modo casuale e istantaneo da uno stato energetico più alto e meno stabile a uno più basso, aggirando così una barriera che non poteva essere ridimensionata dalla fisica classica.

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Ma un’ispezione più attenta ha rivelato che il tunneling quantistico ha causato il decadimento del campo di inflazione in modo rapido e non uniforme, risultando in un universo che non era né piatto né uniforme. Consapevole del fatale difetto della sua teoria, Guth ha scritto alla fine del suo articolo sull’inflazione: “Sto pubblicando questo articolo nella speranza che … incoraggi gli altri a trovare un modo per evitare le caratteristiche indesiderabili dello scenario inflazionistico“.

La risposta di Linde a Guth

Alla richiesta di Guth ha risposto Linde, che in quella fatidica notte d’estate si è reso conto che l’inflazione non richiede il tunneling quantistico per funzionare. Invece, il campo di inflazione potrebbe essere modellato come una palla che rotola giù da una collina di energia potenziale che ha una pendenza molto bassa, quasi piatta. Mentre la palla rotola pigramente in discesa, l’universo si sta gonfiando e mentre si avvicina al fondo, l’inflazione rallenta ulteriormente e alla fine finisce. Ciò ha fornito una “graziosa uscita” allo stato inflazionistico che mancava nel modello di Guth e ha prodotto un cosmo come quello che osserviamo. Per distinguerlo dal modello originale di Guth pur rendendogli omaggio, Linde ha soprannominato il suo modello “nuova inflazione“.

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Modelli di teoria dell’inflazione

Quando Linde e Kallosh si trasferirono a Stanford nel 1990, gli esperimenti avevano iniziato a raggiungere la teoria. Le missioni spaziali hanno scoperto variazioni di temperatura nel bagliore energetico del Big Bang – chiamato radiazione cosmica di fondo a microonde – che ha confermato una previsione sorprendente fatta dagli ultimi modelli inflazionistici. Questi modelli aggiornati avevano vari nomi – “inflazione caotica”, “inflazione eterna”, “inflazione caotica eterna” e molti altri – ma condividevano tutti in comune l’uscita aggraziata a cui Linde ha aperto la strada.

Fluttuazione quantistica “impronte digitali” 

L’inflazione prevedeva che queste fluttuazioni quantistiche avrebbero lasciato impronte sulla radiazione di fondo dell’universo sotto forma di regioni più calde e più fredde, e questo è esattamente ciò che due esperimenti, soprannominati COBE e WMAP, hanno scoperto. “Dopo gli esperimenti COBE e WMAP, l’inflazione ha iniziato a diventare parte del modello standard della cosmologia“, ha detto Shamit Kachru.

“Universi tascabili” -Nuove regioni gonfiabili nell’universo

Linde e altri, in seguito, si resero conto che le stesse fluttuazioni quantistiche che hanno prodotto le galassie possono dare origine a nuove regioni gonfiabili nell’universo. Anche se l’inflazione è terminata nel nostro vicinato cosmico locale 13,8 miliardi di anni fa, potrebbe ancora continuare in regioni dello spazio sconnesse oltre i limiti del nostro universo osservabile. La conseguenza è un mare di spazio-tempo in continua espansione punteggiato da “universi tascabili” come il nostro proprio dove l’inflazione è cessata.

Di conseguenza, l’universo diventa un multiverso, un frattale in eterna crescita composto da molte parti esponenzialmente grandi“, ha scritto Linde. “Queste parti sono così grandi che per tutti gli scopi pratici sembrano universi separati“.

Linde ha portato l’idea del multiverso ancora oltre proponendo che ogni universo tascabile potrebbe avere proprietà diverse, una conclusione che anche alcuni teorici delle stringhe hanno raggiunto indipendentemente.

“Un luna park cosmico pieno di specchi che distorcono la realtà”

Non è che le leggi della fisica siano diverse in ogni universo, ma lo è il modo in cui si realizzano“, ha detto Linde. “Un’analogia è la relazione tra acqua liquida e ghiaccio. Sono entrambi H2O ma realizzati in modo diverso”.

Il multiverso di Linde è come un luna park cosmico pieno di specchi che distorcono la realtà. Alcuni universi tascabili risplendono di vita, mentre altri sono nati morti perché sono stati maledetti con troppo poche (o troppe) dimensioni, o con una fisica incompatibile con la formazione di stelle e galassie. Un numero infinito sono le nostre repliche esatte, ma infinitamente di più sono solo quasi repliche. In questo momento, potrebbero esserci innumerevoli versioni di voi che abitate in mondi con storie divergenti dalle nostre in modi grandi e piccoli. In un multiverso in espansione infinita, tutto ciò che può accadere accadrà.

L’ultimo “pranzo gratis”

L’universo inflazionistico non è solo il pranzo gratuito definitivo, è l’unico pranzo in cui vengono serviti tutti i piatti possibili“, ha detto Linde.

Sebbene inquietante per alcuni, questo aspetto eterno dell’inflazione era proprio ciò che un piccolo gruppo di teorici delle stringhe stava cercando per aiutare a spiegare una scoperta a sorpresa che stava sconvolgendo il mondo della fisica: l’energia oscura.

L’ultima parola

Alla domanda, “gli universi tascabili di Linde saranno soggetti alle stesse leggi della fisica del nostro Universo“, Brian Keating, Distinguished Professor of Physics presso il Center for Astrophysics & Space Sciences dell’Università della California, San Diego, ha dichiarato: “No, non necessariamente. Non è obbligatorio che le proprietà dello spazio-tempo siano coerenti da un universo all’altro. Né è impossibile che le leggi della logica e della matematica siano coerenti in tutto l’universo”. Ciò ha portato alcuni fisici come Paul Steinhart ad affermare che il concetto di multiverso non è un argomento autoconsistente o appropriato con le tradizioni del metodo scientifico.

Non così sicuro dell’esistenza del ‘pranzo gratis’ di Linde, l’astrofisico di Harvard Avi Loeb ha dichiarato in un’intervista al Daily Galaxy : “I progressi nella conoscenza scientifica sono resi possibili da test sperimentali di idee teoriche. La fisica è un dialogo con la natura, non un monologo. Sto aspettando con impazienza una proposta di test sperimentale dell’idea del multiverso”.