Come “morirà” l’universo? Ipotesi in tempi “infiniti”
di Paolo Di Sia
Abbiamo introdotto in un precedente intervento alcune tra le ipotesi più accreditate relativamente alla “morte” dell’universo in tempi “finiti”. La ricerca teorica e le interpretazioni dei risultati sperimentali ad oggi evidenziati hanno portato anche all’elaborazione di teorie relative ad una morte dell’universo in tempi “infiniti”.
Alcune di esse sono simili tra loro, differiscono per alcuni significativi dettagli.
Abbiamo:
a) modelli in cui l’universo in sé non è eterno, ma è parte di un universo più grande: abbiamo due varianti, il multiverso nella teoria del mondo-brana e l’universo ecpirotico.
b) l’universo come parte di un’eterna riproduzione di nuovi universi: abbiamo due varianti, la teoria delle bolle e la selezione naturale cosmologica.
a) Il multiverso è un ipotetico insieme di universi, detti anche “universi paralleli”, in numero finito o infinito, a cui apparterrebbe anche il nostro universo, comprendendo tutto ciò che esiste e può esistere, ossia la totalità dello spazio, il tempo, la materia, l’energia, le leggi e le costanti fisiche. La struttura del multiverso, la natura di ogni universo al suo interno e il rapporto tra i vari universi che lo costituiscono dipendono dalle ipotesi iniziali del multiverso specifico considerato.
Il fisico statunitense Brian Greene, uno dei più importanti studiosi della teoria delle superstringhe e professore alla Columbia University dal 1996, ha ipotizzato vari possibili scenari di multiverso, che vanno da semplici estrapolazioni dei modelli cosmologici a quelli basate sulla teoria quantistica dei campi, la teoria delle stringhe e la logica pura. Egli ha definito attentamente il ragionamento che sta dietro ogni proposta e i motivi per cui potrebbe essere vera, attraverso argomentazioni razionali convincenti. Essendo però tali modelli molto lontani dagli standard di testabilità sperimentale tipici del metodo scientifico, molti sono scettici e pensano che le argomentazioni siano più nel dominio della speculazione filosofica che nella scienza propriamente detta.
I tipi di multiverso proposti da Greene sono nove:
1) Se lo spazio si estende per sempre, un infinito numero di domini simili al nostro potrebbe trovarsi al di là della parte di universo che possiamo vedere.
2) Alcune versioni della teoria inflazionaria (teoria che prevede che l’universo all’inizio della sua vita abbia avuto un periodo di ultra-veloce accelerazione di espansione) prevedono l’esistenza di innumerevoli altri universi, con caratteristiche diverse da quelle del nostro universo.
3) la teoria delle stringhe (teoria accreditata, assieme alla gravità quantistica, a teoria ultima del tutto) suggerisce che il nostro universo potrebbe essere uno dei tanti “mondi-brana” in 4 dimensioni fluttuante in uno spazio-tempo con più di 4 dimensioni. La teoria del “mondo-brana” ipotizza che le extra-dimensioni richieste dalle teorie del tutto non siano microscopiche, ma estese addirittura più delle tre dimensioni spaziali che tutti noi percepiamo nella vita quotidiana. Questa teoria ipotizza che l’universo sia un oggetto tridimensionale immerso in un iperspazio ad 11 dimensioni. La parola “brana” deriva dalle “membrane” n-dimensionali, che sono ipotizzate dalla “teoria madre” delle superstringhe.
4) Il mondo-brana precedente può coinvolgere “universi ciclici”, che cioè ciclicamente si ripresentano.
5) Il mondo-brana precedente può coinvolgere variazioni dei parametri fisici che risultano possibili all’interno della teoria delle stringhe.
6) Si collega all’idea quanto-meccanica che molti mondi possono esistere simultaneamente come rami della funzione d’onda dell’universo.
7) Questa ipotesi è legata all’idea che l’universo sia una “proiezione olografica”, come un ologramma mostrato in una qualsiasi proiezione olografica, che non è un oggetto reale, né tridimensionale come appare, ma solo un prodotto della proiezione di un fascio di luce laser. Un oggetto che “appare” di natura tridimensionale, ma che nasce da un’immagine bidimensionale impressa sul supporto della pellicola olografica. Come la tridimensionalità dell’oggetto olografico proiettato è solo un’illusione percepita da chi guarda, convinto di avere davanti un oggetto reale, così anche l’universo che ci appare “reale” potrebbe essere solo una “proiezione” di una realtà diversa.
8) Ipotesi secondo cui noi viviamo in uno di una serie di universi artificiali creati come simulazioni su un computer super-avanzato.
9) Ipotesi che sostiene che sarebbe una necessità filosofica il fatto che ogni universo possibile deve essere realizzato da qualche parte, nel “più grande di tutti i multiversi”.
Greene porta anche una prova indiretta per sostenere l’idea del multiverso, relativa ai valori dei parametri fisici, i quali sembrano essere “finemente” messi a punto per consentire la nostra vita. Se, ad esempio, la forza che attualmente causa l’espansione accelerata dell’universo fosse stata diversa anche di poco, le galassie non esisterebbero e ciò non avrebbe permesso all’uomo di essere in questo universo. In modo analogo, l’intensità della forza nucleare forte permette agli atomi, e quindi a tutti noi (in quanto costituiti di atomi), di esistere. Quest’ultimo ragionamento è di tipo “antropico”.
L’universo ecpirotico è legato alla cosiddetta “teoria del mondo-brana” o “cosmologia di brana”, teoria legata alla teoria delle stringhe, in particolare alla “teoria-M” (teoria madre che cerca di unificare in un’unica sintesi tutte le teorie di stringa studiate). La teoria del mondo-brana, come prima anticipato, ipotizza che le extra-dimensioni siano estese e che l’universo sia una 3-brana tridimensionale immersa in un iperspazio ad 11 dimensioni. La materia presente nell’universo non può però “uscire” dal mondo-brana ed entrare così nell’iperspazio che la contiene, ma solo “fluttuare” in esso. Queste brane, ognuna rappresentante un mondo-brana, possono essere presenti solo in un particolare universo, non possono fluttuare “liberamente” nell’iperspazio. In conseguenza di ciò, le particelle materiali e le particelle mediatrici delle forze (eccetto la gravità che è associata alle particelle chiamate gravitoni) non possono uscire da quel preciso universo. I gravitoni invece, a differenza delle altre forze mediatrici, consentirebbero la trasmissione della forza di gravità da un universo ad un altro tramite l’iperspazio. La materia presente in un universo potrebbe quindi interagire attraverso la gravità con la materia presente in un altro universo. Questa ipotesi avvalorerebbe la bassa intensità dell’interazione gravitazionale, considerando che parte dei gravitoni virtuali emessi da una particella massiva in un particolare universo fluttuerebbero nell’iperspazio interagendo con la materia di altri universi. Questo modello potrebbe anche fornire una spiegazione al fenomeno della materia oscura, grande e assai dibattuto problema cosmologico.
b) La teoria delle bolle fa parte delle varie elaborazioni relative al multiverso. Il nostro universo sarebbe solo una delle infinite “bolle” che costituiscono il multiverso. A scale piccolissime di lunghezza, dell’ordine della scala di Planck (circa 1 milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro), dove la fisica quantistica non può essere evitata e deve essere tenuta in debita considerazione, la spazio sarebbe teatro di fluttuazioni di energia e transizioni di fase.
Questo fenomeno è legato al principio di indeterminazione di Heisenberg ed ha tra i suoi effetti quello della cosiddetta “schiuma quantistica”, una realtà non statica ed “effervescente” dello spazio-tempo a queste piccolissime scale. La schiuma quantistica potrebbe comportare la creazione di piccolissimi universi a bolla (tante bolle “figli” da un universo “genitore”), che si espandono costantemente o si contraggono dopo la piccola espansione iniziale. Se la fluttuazione supera un determinato valore critico prevale l’espansione a lungo termine, e ciò permette la formazione di materia e di strutture galattiche a grandissima scala, per arrivare a noi.
La selezione naturale cosmologica è un modello cosmologico che prevede la nascita di vari universi che formano un multiverso infinito da un universo precedente, attraverso una selezione probabilistica (simile alla teoria della selezione naturale di Darwin) come il più adatto alla vita intelligente. Le caratteristiche di questo modello differiscono da quelle del multiverso della teoria delle stringhe. La singolarità del Big Bang si formerebbe da un “buco bianco”, che è il punto di “uscita” di un buco nero di un altro universo. In questo modello le leggi della termodinamica e le leggi basilari della natura non sarebbero violate, poiché le informazioni e la materia sopravviverebbero uscendo dal buco bianco, dopo aver abbandonato l’universo precedente sede del buco nero. Anche le precedenti teoria delle bolle e teoria del multiverso a brane relativo alla teoria delle stringhe (universo ecpirotico) ammettono la possibilità di una selezione naturale cosmologica di molti universi, anche se non da un buco nero. In analogia alla teoria di Darwin della selezione naturale, la dinamica di questi modelli spiegherebbe la nascita e la vita di universi “adatti” a vivere e contemporaneamente la scomparsa di altri, poiché inadatti a causa di leggi fisiche diverse e inadeguate.
Attualmente molte persone e anche uomini di scienza considerano queste creazioni scientifiche come appartenenti al dominio della speculazione pura e della filosofia; al contrario, oltre all’eleganza e alla bellezza matematica delle leggi costituenti i modelli, vi sono altri che cercano possibili elementi di prova anche indiretta dei modelli in questione. In ogni caso il loro fascino, che rimanda al tutto e alla ricerca della verità, è grande e avvincente, sia per gli “addetti ai lavori”, sia per chiunque ami in generale il bello e il vero.
di Paolo Di Sia leggi anche: Come “morirà” l’universo ? Ipotesi in tempi “finiti”
Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
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