L’idea di un multiverso costituito da “universi paralleli” è un popolare tropo di fantascienza. Tuttavia, è nel regno delle possibilità scientifiche.
È importante affermare fin dall’inizio che l’esistenza (o meno) del multiverso è una conseguenza della nostra attuale comprensione delle leggi fondamentali della fisica – non è venuta dalle menti di fisici stravaganti che leggono troppi libri di fantascienza.
Esistono diverse versioni del multiverso. La prima e forse più popolare versione viene dalla meccanica quantistica, che governa il mondo degli atomi e delle particelle. Suggerisce che una particella può trovarsi in molti stati possibili contemporaneamente, finché non misuriamo il sistema e ne sceglie uno. Secondo un’interpretazione, tutte le possibilità quantistiche che non abbiamo misurato si realizzano in altri universi.
Inflazione eterna
La seconda versione, il multiverso cosmologico, nasce come conseguenza dell’inflazione cosmica. Per spiegare il fatto che l’universo oggi sembra più o meno simile ovunque, il fisico Alan Guth ha proposto nel 1981 che l’universo primordiale abbia subito un periodo di espansione accelerata. Durante questo periodo di inflazione, lo spazio è stato allungato in modo tale che la distanza tra due punti qualsiasi è stata allontanata più velocemente della velocità della luce.
La teoria dell’inflazione ha anche predetto l’esistenza dei semi primordiali che sono cresciuti in strutture cosmologiche come stelle e galassie. Questo è stato trionfalmente rilevato nel 2003 dalle osservazioni di minuscole fluttuazioni di temperatura nel fondo cosmico a microonde, che è la luce rimasta dal Big Bang. Successivamente è stato misurato con squisita precisione dagli esperimenti spaziali WMAP e Planck.
A causa di questo notevole successo, l’inflazione cosmica è ora considerata la teoria de facto dell’universo primordiale dalla maggior parte dei cosmologi.
Ma c’era una conseguenza (forse non intenzionale) dell’inflazione cosmica. Durante l’inflazione, lo spazio viene allungato e levigato su scale molto grandi, di solito molto più grandi dell’universo osservabile. Tuttavia, l’inflazione cosmica deve finire ad un certo punto, altrimenti il nostro universo non sarebbe stato in grado di evolversi fino a quello che è oggi.
Ma i fisici si sono presto resi conto che se l’inflazione fosse davvero vera, alcune regioni dello spazio-tempo avrebbero continuato a gonfiarsi anche se l’inflazione fosse finita nelle altre. Le regioni che continuano a gonfiarsi possono essere considerate un universo separato e in espansione. Questo processo continua all’infinito, con universi in espansione che producono universi ancora più in espansione, creando un multiverso di universi.
Questo fenomeno è soprannominato “inflazione eterna“. Descritta per la prima volta dai fisici Paul Steinhardt e Alex Vilenkin nel 1983, l’inflazione eterna è rimasta un curioso artefatto dell’inflazione cosmica fino all’inizio del 21° secolo, quando è stata combinata con un’idea della teoria delle stringhe per produrre una spiegazione controversa ma convincente del perché le nostre leggi fisiche sono cosa sono oggi.
La teoria delle stringhe non è ancora stata dimostrata, ma al momento è la nostra migliore speranza per una teoria del tutto, che unisca la meccanica quantistica e la gravità. Tuttavia, le teorie delle stringhe fisicamente realistiche devono possedere dieci o più dimensioni (piuttosto che le nostre normali tre dimensioni spaziali più il tempo). Quindi, per descrivere il nostro universo attuale, sei o più di queste dimensioni devono essere “compattate” – raggomitolate in modo tale da non poterle vedere.
La procedura matematica per questo è nota. Il problema (alcuni potrebbero dire la caratteristica) di questo processo è che ci sono almeno 10.500 modi per fare questa compattazione – e questo incredibile insieme di possibilità è chiamato il “paesaggio delle stringhe“. Ogni compattazione produrrà un diverso insieme di leggi fisiche, potenzialmente corrispondenti a un diverso universo. Ciò pone due domande cruciali: a che punto siamo nel panorama delle stringhe e perché?
L’inflazione eterna fornisce un’elegante risposta alla prima domanda: ogni universo in espansione del multiverso realizza un punto diverso nel paesaggio delle stringhe, quindi tutte le possibili leggi fisiche possono esistere da qualche parte nel multiverso. Ma perché il nostro universo è così bravo a produrre vita intelligente come noi? Bene, alcuni universi dovrebbero, statisticamente parlando, essere come il nostro – e noi viviamo nell’universo in cui le nostre leggi fisiche sono quelle che osserviamo.
Tuttavia, questo punto di vista è molto controverso: molti sostengono che non sia un argomento scientifico e ha stimolato un’indagine approfondita.
Testabilità
L’ovvia sfida con il multiverso è la sua osservabilità. Supponiamo che esista, è allora possibile osservare gli altri universi, anche in linea di principio? Per il multiverso quantistico, la risposta è no: universi diversi non comunicano. Ma nel multiverso inflazionistico la risposta è “sì, se siamo fortunati”.
Poiché i diversi universi occupano lo stesso spazio fisico, gli universi vicini potrebbero in linea di principio scontrarsi tra loro, possibilmente lasciando reliquie e impronte nel nostro universo osservabile. Una collaborazione di ricerca condotta da Hiranya Peiris dell’University College di Londra e Matthew Johnson del Perimeter Institute ha dimostrato che tali collisioni dovrebbero effettivamente lasciare impronte sullo sfondo cosmico a microonde (luce rimasta dal Big Bang) che possono essere cercate – anche se finora, queste firme non sono state trovate.
La prossima sfida è teorica. Alcuni teorici hanno suggerito che la maggior parte degli universi nel panorama delle stringhe sono in realtà matematicamente incoerenti, incapaci di esistere nel modo in cui esiste il nostro universo. Esistono invece in una palude di soluzioni – e in particolare, le soluzioni della teoria delle stringhe che consentono l’inflazione cosmica sembrano essere difficili da trovare.
C’è un profondo disaccordo tra i teorici delle stringhe e i cosmologi sul fatto che la teoria delle stringhe possa descrivere l’inflazione, anche in linea di principio. Questo enigma è sia irritante che eccitante: suggerisce che una delle due idee è sbagliata, una delle quali porterà a una rivoluzione nella fisica teorica.
Infine, la stessa premessa dell’inflazione cosmica viene ora messa in discussione. La ragion d’essere dell’inflazione cosmica è che, indipendentemente dall’aspetto dell’universo primordiale, l’inflazione guiderebbe dinamicamente il cosmo verso l’universo liscio che vediamo oggi. Tuttavia, non è mai stato rigorosamente indagato se l’inflazione cosmica possa effettivamente iniziare in primo luogo.
Questo perché le equazioni che descrivono l’inizio del processo sono troppo complicate per essere risolte analiticamente. Ma questa domanda viene ora rigorosamente testata da diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo, incluso il King’s College di Londra, dove la potenza del moderno calcolo ad alte prestazioni viene utilizzata per risolvere queste equazioni precedentemente intrattabili.
Autore
Eugene Lim, King’s College di Londra
