L'evoluzione del cosmo dopo il Big Bang.
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  • Ultima modifica dell'articolo:24 Novembre 2022

“L’ultima stella si raffredderà lentamente e svanirà. Con il suo trapasso, l’universo tornerà ad essere un vuoto, senza luce né vita né significato”. Così ha avvertito il fisico Brian Cox nella recente serie della BBC Universe. Lo sbiadimento di quell’ultima stella sarà solo l’inizio di un’epoca infinitamente lunga e oscura. Tutta la materia alla fine sarà consumata da mostruosi buchi neri, che a loro volta evaporeranno nei più deboli barlumi di luce. Lo spazio si espanderà sempre di più finché anche quella luce fioca non potrà più interagire. L’attività cesserà.

Lo farà? Stranamente, alcuni cosmologi credono che un precedente, freddo oscuro universo vuoto come quello che si trova nel nostro lontano futuro potrebbe essere stato la fonte del nostro stesso Big Bang.

La prima questione

Ma prima di arrivare a questo, diamo un’occhiata a come è nato il “materiale” – la materia fisica. Se stiamo cercando di spiegare le origini della materia stabile fatta di atomi o molecole, non c’era certamente nulla di tutto ciò intorno al Big Bang, né per centinaia di migliaia di anni dopo. In effetti abbiamo una comprensione abbastanza dettagliata di come i primi atomi si siano formati da particelle più semplici una volta che le condizioni si fossero raffreddate abbastanza da rendere stabile la materia, e di come questi atomi siano stati successivamente fusi in elementi più pesanti all’interno delle stelle. Ma questa comprensione non risolve la questione se qualcosa sia venuto dal nulla.

Quindi pensiamo più indietro. Le prime particelle di materia di qualsiasi tipo a vita lunga furono protoni e neutroni, che insieme costituiscono il nucleo atomico. Questi sono nati circa un decimillesimo di secondo dopo il Big Bang. Prima di quel momento, non c’era davvero materia. Ma la fisica ci consente di continuare a tracciare la linea temporale all’indietro, fino a processi fisici che precedono qualsiasi materia stabile.

Questo ci porta alla cosiddetta “grande epoca unificata”. Ormai siamo nel regno della fisica speculativa, poiché non possiamo produrre abbastanza energia nei nostri esperimenti per sondare il tipo di processi che erano in corso in quel momento. Ma un’ipotesi plausibile è che il mondo fisico fosse costituito da un brodo di particelle elementari di breve durata, inclusi i quark, i mattoni di protoni e neutroni. C’era sia materia che “antimateria” in quantità approssimativamente uguali: ogni tipo di particella di materia, come il quark, ha una compagna “immagine specchio” di antimateria, che è quasi identica a se stessa, differendo solo in un aspetto. Tuttavia, materia e antimateria si annichilano in un lampo di energia quando si incontrano, il che significa che queste particelle sono state costantemente create e distrutte.

Ma come sono nate queste particelle in primo luogo? La teoria quantistica dei campi ci dice che anche un vuoto, presumibilmente corrispondente allo spaziotempo vuoto, è pieno di attività fisica sotto forma di fluttuazioni energetiche. Queste fluttuazioni possono dare origine a particelle che fuoriescono, per poi scomparire poco dopo. Questo può sembrare un capriccio matematico piuttosto che fisica reale, ma tali particelle sono state individuate in innumerevoli esperimenti.

Lo stato di vuoto spaziotemporale ribolle di particelle costantemente create e distrutte, apparentemente “dal nulla”. Ma forse tutto questo ci dice davvero che il vuoto quantistico è (nonostante il suo nome) un qualcosa piuttosto che un nulla. Il filosofo David Albert ha criticato in modo memorabile i resoconti del Big Bang che promettono di ottenere qualcosa dal nulla in questo modo.

Immagine di una simulazione delle fluttuazioni del vuoto quantistico.
Simulazione delle fluttuazioni quantistiche del vuoto in cromodinamica quantistica. Wikimedia/Ahmed Neutron

Supponiamo di chiederci: da dove è nato lo spaziotempo stesso? Quindi possiamo continuare a portare l’orologio ancora più indietro, nell’antica “epoca di Planck” – un periodo così indietro nella storia dell’universo che le nostre migliori teorie della fisica falliscono. Questa era si è verificata solo un decimilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo dopo il Big Bang. A questo punto, lo spazio e il tempo stessi divennero soggetti a fluttuazioni quantistiche. I fisici di solito lavorano separatamente con la meccanica quantistica, che governa il micromondo delle particelle, e con la relatività generale, che si applica su grandi scale cosmiche. Ma per comprendere veramente l’epoca di Planck, abbiamo bisogno di una teoria completa della gravità quantistica, che unisca le due.

Non abbiamo ancora una teoria perfetta della gravità quantistica, ma ci sono tentativi, come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop. In questi tentativi, lo spazio e il tempo ordinari sono generalmente visti come emergenti, come le onde sulla superficie di un oceano profondo. Ciò che sperimentiamo come spazio e tempo è il prodotto di processi quantistici che operano a un livello microscopico più profondo, processi che non hanno molto senso per noi come creature radicate nel mondo macroscopico.

Nell’epoca di Planck, la nostra comprensione ordinaria dello spazio e del tempo si rompe, quindi non possiamo più fare affidamento nemmeno sulla nostra comprensione ordinaria di causa ed effetto. Nonostante ciò, tutte le teorie candidate sulla gravità quantistica descrivono qualcosa di fisico che stava avvenendo nell’epoca di Planck: un precursore quantistico dello spazio e del tempo ordinari. Ma da dove viene?

Anche se la causalità non si applica più in alcun modo ordinario, potrebbe essere ancora possibile spiegare una componente dell’universo dell’epoca di Planck nei termini di un’altra. Sfortunatamente, ormai anche la nostra migliore fisica non riesce completamente a fornire risposte. Fino a quando non faremo ulteriori progressi verso una “teoria del tutto”, non potremo dare alcuna risposta definitiva. Il massimo che possiamo dire con sicurezza in questa fase è che la fisica finora non ha trovato esempi confermati di qualcosa che nasce dal nulla.

Cicli da quasi nulla

Per rispondere veramente alla domanda su come qualcosa possa nascere dal nulla, dovremmo spiegare lo stato quantistico dell’intero universo all’inizio dell’epoca di Planck. Tutti i tentativi in ​​tal senso rimangono altamente speculativi. Alcuni di loro fanno appello a forze soprannaturali come un designer. Ma altre possibili spiegazioni rimangono nel regno della fisica, come un multiverso, che contiene un numero infinito di universi paralleli, o modelli ciclici dell’universo, nati e rinati.

Il fisico vincitore del premio Nobel 2020 Roger Penrose ha proposto un modello intrigante ma controverso per un universo ciclico soprannominato “cosmologia ciclica conforme“. Penrose è stato ispirato da un’interessante connessione matematica tra uno stato dell’universo molto caldo, denso e piccolo – come era al Big Bang – e uno stato dell’universo estremamente freddo, vuoto ed espanso – come sarà nel lontano futuro. La sua teoria radicale per spiegare questa corrispondenza è che quegli stati diventano matematicamente identici quando vengono portati ai loro limiti. Per quanto paradossale possa sembrare, una totale assenza di materia potrebbe essere riuscita a dare origine a tutta la materia che vediamo intorno a noi nel nostro universo.

In quest’ottica, il Big Bang nasce da un quasi nulla. Questo è ciò che rimane quando tutta la materia in un universo è stata consumata in buchi neri, che a loro volta sono evaporati in fotoni, persi nel vuoto. L’intero universo nasce quindi da qualcosa che, visto da un’altra prospettiva fisica, è quanto di più vicino si possa ottenere dal nulla. Ma quel niente è ancora una specie di qualcosa. È ancora un universo fisico, per quanto vuoto.

Come può lo stesso stato essere un universo freddo e vuoto da una prospettiva e un universo caldo e denso da un’altra? La risposta sta in un complesso procedimento matematico chiamato “rescaling conforme”, una trasformazione geometrica che di fatto altera le dimensioni di un oggetto ma ne lascia inalterata la forma.

Penrose ha mostrato come lo stato denso freddo e lo stato denso caldo potrebbero essere messi in relazione da tale ridimensionamento in modo che corrispondano rispetto alle forme dei loro spazio-tempo, anche se non alle loro dimensioni. È, ammettiamolo, difficile capire come due oggetti possano essere identici in questo modo quando hanno dimensioni diverse, ma Penrose sostiene che la dimensione come concetto cessa di avere senso in ambienti fisici così estremi.

Nella cosmologia ciclica conforme, la direzione della spiegazione va da vecchio e freddo a giovane e caldo: lo stato caldo e denso esiste a causa dello stato freddo e vuoto. Ma questo “perché” non è quello familiare – di una causa seguita nel tempo dal suo effetto. Non è solo la dimensione che cessa di essere rilevante in questi stati estremi: anche il tempo lo fa. Lo stato denso freddo e lo stato denso caldo si trovano in effetti su diverse linee temporali. Lo stato freddo e vuoto continuerebbe per sempre dal punto di vista di un osservatore nella sua stessa geometria temporale, ma lo stato caldo e denso a cui dà origine effettivamente una nuova linea temporale tutta sua.

Può aiutare a comprendere lo stato caldo e denso come prodotto dallo stato freddo e vuoto in qualche modo non causale. Forse dovremmo dire che lo stato caldo e denso emerge da, o è radicato in, o realizzato dallo stato freddo e vuoto. Queste sono idee distintamente metafisiche che sono state ampiamente esplorate dai filosofi della scienza, specialmente nel contesto della gravità quantistica in cui la causa e l’effetto ordinari sembrano rompersi. Ai limiti delle nostre conoscenze, fisica e filosofia diventano difficili da districare.

Evidenze sperimentali?

La cosmologia ciclica conforme offre alcune risposte dettagliate, anche se speculative, alla domanda sulla provenienza del nostro Big Bang. Ma anche se la visione di Penrose fosse confermata dai futuri progressi della cosmologia, potremmo pensare che non avremmo ancora risposto a una domanda filosofica più profonda: una domanda sulla provenienza della realtà fisica stessa. Come è nato l’intero sistema dei cicli? Quindi alla fine ci ritroviamo con la pura domanda sul perché ci sia qualcosa piuttosto che niente – una delle più grandi domande della metafisica.

Ma il nostro focus qui è sulle spiegazioni che rimangono nel regno della fisica. Ci sono tre ampie opzioni per la domanda più profonda su come sono iniziati i cicli. Non poteva avere alcuna spiegazione fisica. Oppure potrebbero esserci cicli che si ripetono all’infinito, ciascuno un universo a sé stante, con lo stato quantistico iniziale di ciascun universo spiegato da qualche caratteristica dell’universo precedente. Oppure potrebbe esserci un singolo ciclo e un singolo universo che si ripete, con l’inizio di quel ciclo spiegato da qualche caratteristica della sua stessa fine. Gli ultimi due approcci evitano la necessità di eventi non causati e questo conferisce loro un fascino distintivo. Nulla sarebbe lasciato inspiegabile dalla fisica.

Penrose prevede una sequenza di infiniti nuovi cicli per ragioni in parte legate alla sua interpretazione preferita della teoria quantistica. Nella meccanica quantistica, un sistema fisico esiste in una sovrapposizione di molti stati diversi allo stesso tempo e ne “sceglie uno” a caso solo quando lo misuriamo. Per Penrose, ogni ciclo coinvolge eventi quantistici casuali che si rivelano in un modo diverso, il che significa che ogni ciclo sarà diverso da quelli precedenti e successivi. Questa è in realtà una buona notizia per i fisici sperimentali, perché potrebbe permetterci di intravedere il vecchio universo che ha dato origine al nostro attraverso deboli tracce, o anomalie, nella radiazione residua del Big Bang vista dal satellite Planck.

Penrose e i suoi collaboratori ritengono di aver già individuato queste tracce, attribuendo modelli nei dati di Planck alla radiazione dei buchi neri supermassicci nell’universo precedente. Tuttavia, le loro affermazioni affermate sono state contestate da altri fisici e la giuria rimane fuori.

Mappa della radiazione cosmica di fondo a microonde.
Mappa della radiazione cosmica di fondo a microonde. ESA e la collaborazione Planck

Nuovi cicli infiniti sono la chiave della visione di Penrose. Ma esiste un modo naturale per convertire la cosmologia ciclica conforme da una forma multiciclo a una forma a ciclo unico. Quindi la realtà fisica consiste in un singolo ciclo attraverso il Big Bang fino a uno stato massimamente vuoto in un lontano futuro – e poi di nuovo intorno allo stesso Big Bang, dando origine di nuovo allo stesso universo.

Quest’ultima possibilità è coerente con un’altra interpretazione della meccanica quantistica, chiamata interpretazione dei molti mondi. L’interpretazione dei molti mondi ci dice che ogni volta che misuriamo un sistema che è in sovrapposizione, questa misurazione non seleziona casualmente uno stato. Invece, il risultato della misurazione che vediamo è solo una possibilità, quella che si verifica nel nostro universo. Gli altri risultati delle misurazioni si verificano tutti in altri universi in un multiverso, effettivamente tagliato fuori dal nostro. Quindi, non importa quanto sia piccola la possibilità che qualcosa accada, se ha una possibilità diversa da zero, allora si verifica in qualche mondo parallelo quantistico. Ci sono persone come te là fuori in altri mondi che hanno vinto alla lotteria, o sono state travolte tra le nuvole da un bizzarro tifone, o si sono incendiate spontaneamente, o hanno fatto tutte e tre le cose contemporaneamente.

Alcune persone credono che tali universi paralleli possano essere osservabili anche nei dati cosmologici, come impronte causate da un altro universo in collisione con il nostro.

La teoria quantistica a molti mondi dà una nuova svolta alla cosmologia ciclica conforme, anche se non una con cui Penrose è d’accordo. Il nostro Big Bang potrebbe essere la rinascita di un singolo multiverso quantistico, contenente infiniti universi diversi che si verificano tutti insieme. Tutto il possibile accade, poi accade ancora e ancora e ancora.

Un antico mito

Per un filosofo della scienza, la visione di Penrose è affascinante. Apre nuove possibilità per spiegare il Big Bang, portando le nostre spiegazioni oltre la normale causa ed effetto. È quindi un ottimo banco di prova per esplorare i diversi modi in cui la fisica può spiegare il nostro mondo. Merita più attenzione da parte dei filosofi.

Per un amante del mito, la visione di Penrose è bellissima. Nella forma multiciclo preferita da Penrose, promette infiniti nuovi mondi nati dalle ceneri dei loro antenati. Nella sua forma a ciclo unico, è un’impressionante re-invocazione moderna dell’antica idea dell’ouroboros, o serpente del mondo. Nella mitologia norrena, il serpente Jörmungandr è figlio di Loki, un abile imbroglione, e del gigante Angrboda. Jörmungandr si consuma la coda e il cerchio creato sostiene l’equilibrio del mondo. Ma il mito dell’uroboro è stato documentato in tutto il mondo, anche nell’antico Egitto.

Immagine di ouroboros in pietra scolpita sulla tomba di Tutankhamon
Ouroboros sulla tomba di Tutankhamon. Djehouty/Wikimedia

L’uroboro dell’unico universo ciclico è davvero maestoso. Contiene nel suo ventre il nostro universo, così come ognuno degli strani e meravigliosi universi possibili alternativi consentiti dalla fisica quantistica – e nel punto in cui la sua testa incontra la coda, è completamente vuoto ma scorre anche con energia a temperature di cento miliardi di miliardi di trilioni di gradi Celsius. Anche Loki, il mutaforma, sarebbe rimasto impressionato.

Autore

Alastair WilsonUniversità di Birmingham