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Is our Universe math based?

La recente scoperta del bosone di Higgs, o di una particella che gli assomiglia tanto, è stata prevista allo stesso modo con cui è stato scoperto Nettuno e le onde radio: la matematica. Una volta Galileo affermò che il nostro Universo è una grande libro scritto nel linguaggio della matematica. Dunque, la domanda è: come mai l’Universo sembra avere una struttura matematica e cosa vuol dire? Nel suo libro “Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality“, edito da Knopf, il cosmologo Max Tegmark tenta di spiegare il perchè l’Universo non sia esattamente descritto dalla matematica ma che invece sia la matematica stessa un ‘gigantesco oggetto matematico’ nel quale tutti noi facciamo parte integrante e che è a sua volta immerso in una struttura ancora più grande, insomma un multiverso così immenso che rende l’esistenza degli altri universi quasi insignificante a confronto.

Max Tegmark leads us on an astonishing journey through past, present and future, and through the physics, astronomy and mathematics that are the foundation of his work, most particularly his hypothesis that our physical reality is a mathematical structure and his theory of the ultimate multiverse. In a dazzling combination of both popular and groundbreaking science, he not only helps us grasp his often mind-boggling theories, but he also shares with us some of the often surprising triumphs and disappointments that have shaped his life as a scientist. Fascinating from first to last, this is a book that has already prompted the attention and admiration of some of the most prominent scientists and mathematicians.

Our Mathematical Universe boldly confronts one of the deepest questions at the fertile interface of physics and philosophy: why is mathematics so spectacularly successful at describing the cosmos? Through lively writing and wonderfully accessible explanations, Max Tegmark—one of the world’s leading theoretical physicists—guides the reader to a possible answer, and reveals how, if it’s right, our understanding of reality itself would be radically altered.” —Prof. Brian Greene, physicist, author of The Elegant Universe and The Hidden Reality.

Daring, Radical. Innovative. A game changer. If Dr. Tegmark is correct, this represents a paradigm shift in the relationship between physics and mathematics, forcing us to rewrite our textbooks. A must read for anyone deeply concerned about our Universe.” —Prof. Michio Kaku, author of Physics of the Future.

Tegmark offers a fresh and fascinating perspective on the fabric of physical reality and life itself. He helps us see ourselves in a cosmic context that highlights the grand opportunities for the future of life in our Universe.” —Ray Kurzweil, author of The Singularity is Near.

Readers of varied backgrounds will enjoy this book. Almost anyone will find something to learn here, much to ponder, and perhaps something to disagree with.” —Prof. Edward Witten, physicist, Fields Medalist & Milner Laureate.

This inspirational book written by a true expert presents an explosive mixture of physics, mathematics and philosophy which may alter your views on reality.” —Prof. Andrei Linde, physicist, Gruber & Milner Laureate for development of inflationary cosmology.

Galileo famously said that the Universe is written in the language of mathematics. Now Max Tegmark says that the universe IS mathematics. You don’t have to necessarily agree, to enjoy this fascinating journey into the nature of reality.” —Prof. Mario Livio, astrophysicist, author of Brilliant Blunders and Is God a Mathematician?

Scientists and lay aficionados alike will find Tegmark’s book packed with information and very thought provoking. You may recoil from his thesis, but nearly every page will make you wish you could debate the issues face—to—face with him.” —Prof. Julian Barbour, physicist, author of The End of Time.

In Our Mathematical Universe, renowned cosmologist Max Tegmark takes us on a whirlwind tour of the Universe, past, present—and other. With lucid language and clear examples, Tegmark provides us with the master measure of not only of our cosmos, but of all possible universes. The Universe may be lonely, but it is not alone.” —Prof. Seth Lloyd, Professor of quantum mechanical engineering, MIT, author of Programming the Universe.

“Max Tegmark leads his readers, clearly and accessibly, right to the frontiers of speculative cosmology —and indeed far beyond.” —Prof. Martin Rees, Astronomer Royal, cosmology pioneer, author of Our Final Hour.

A lucid, engaging account of the various many—universes theories of fundamental physics that are currently being considered, from the multiverse of quantum theory to Tegmark’s own grand vision.” —Prof. David Deutsch, physicist, Dirac Laureate for pioneering quantum computing.

Scientific American: Is the Universe Made of Math?

arXiv: The Mathematical Universe

L’origine delle probabilità secondo la meccanica quantistica

quantum_catDal giorno in cui il fisico austriaco Erwin Schroedinger ‘mise in gabbia’ il suo famoso gatto, i fisici poi hanno utilizzato la teoria dei quanti per spiegare il dualismo onda/particella che caratterizza il mondo degli atomi.

Oggi, grazie ad un articolo recente il professor Andreas Albrecht dell’Università della California, a Davis, sostiene che le cosiddette fluttuazioni quantistiche siano in realtà responsabili della probabilità di tutte le azioni, determinando così implicazioni importanti per i vari modelli cosmologici. La teoria dei quanti è una branca della fisica teorica che tenta di descrivere e prevedere le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari. Una conseguenza della teoria è il fatto che le proprietà delle particelle non possano essere determinate con certezza finchè non le osserviamo, un processo che i fisici chiamano tecnicamente “collasso della funzione d’onda”. Il famoso esperimento mentale di Schroedinger permette di estendere questo concetto su lunghezze scala a cui siamo abituati. Un gatto viene intrappolato in una gabbia chiusa la quale contiene un veleno che viene liberato nel momento in cui un atomo radioattivo decade casualmente. Non possiamo affermare che il gatto sia vivo o morto senza aprire la gabbia. Schroedinger sosteneva che fino a che non viene aperta la gabbia e non si guarda al suo interno, il gatto si trova in uno stato ‘indeterminato’, cioè non può essere né vivo né morto. Ora, per molti questo è concetto difficile da accettare. Tuttavia, qualche anno fa Albrecht, in qualità di fisico teorico, concluse che questo è proprio il comportamento della probabilità su tutte le lunghezze scala, finchè non si è posto la domanda su quale potrebbe essere l’impatto che emerge da una situazione del genere nell’ambito della ricerca scientifica. “Sono arrivato a concludere che il modo con cui pensiamo alle fluttuazioni quantistiche e alla probabilità influenza il nostro modo di concepire i modelli che tentano di descrivere l’Universo”, spiega Albrecht. Una delle conseguenze importanti che derivano dalle fluttuazioni quantistiche è che ogni funzione d’onda collassata dà luogo a realtà differenti: ad esempio, una dove il gatto vive e un’altra dove il gatto muore. La realtà, così come noi la percepiamo, segue il suo corso attraverso questa serie di quasi infinite possibili alternative. Ci sono due modi attraverso i quali i teorici hanno cercato di avvicinarsi al problema di adattare, per così dire, la fisica quantistica al mondo reale: o si accetta il fatto che la realtà è costituita da molti mondi o universi multipli, oppure si deve assumere che c’è qualcosa di sbagliato o una lacuna nella teoria. Albrecht si basa sulla prima ipotesi. “Le nostre teorie cosmologiche affermano che la fisica quantistica funziona nel nostro Universo”. Ad esempio, le fluttuazioni quantistiche primordiali ci dicono perché si sono formate le galassie, una previsione che può essere confermata con le osservazioni dirette. Il problema con gli universi multipli è che se ne esistono davvero tanti diventa complicato ottenere delle risposte dalla fisica quantistica, come ad esempio il problema della massa del neutrino. Don Page ha mostrato che le regole probabilistiche del mondo dei quanti non sono in grado di fornire delle risposte alle domande fondamentali nel caso in cui consideriamo un vasto multiverso dove noi stessi non sappiamo in quale dei tanti singoli universi esistiamo”. Un tentativo di rispondere a questo quesito nasce dalla possibilità di aggiungere, per così dire, un ingrediente alla teoria: cioè un insieme di numeri che ci indicano quale è la probabilità che esistiamo in ogni singolo universo. Questa informazione può essere combinata con la teoria dei quanti da cui è possibile ottenere delle equazioni matematiche per derivare anche la massa del neutrino. “Ma non così facilmente” dice Albrecht. “Perché il nostro concetto di probabilità non ha alcuna base nella teoria dei quanti”. Se tutta la probabilità è di fatto la teoria dei quanti, allora tutto ciò non può essere fatto. Insomma, i singoli universi non possono essere descritti con l’attuale teoria dei quanti rispetto a quanto è stato assunto finora. “Queste considerazioni ci portano a ritenere che, forse, esistono vari tipi di probabilità, che si combinano e si confondono e per cui diventa necessario tenerle separate”, conclude Albrecht.

UCDavis: Does probability come from quantum physics?
arXiv: Origin of probabilities and their application to the multiverse

I sette ‘punti chiave’ del nostro Universo

Sin da quando si è originato circa 13,7 miliardi di anni fa, l’Universo continua ad affascinare e a rendere perplessi, allo stesso tempo, gli astronomi. Qui di seguito, vengono discussi alcuni punti sorprendenti e interessanti che caratterizzano il nostro Universo.


Credit: NASA / WMAP Science Team

Secondo le attuali osservazioni e misure effettuate con tecniche alquanto sofisticate, l’Universo emerse da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, e ha una età di 13,7 miliardi di anni, con una incertezza di più o meno 130 milioni di anni. Gli astronomi hanno ricavato questo dato misurando la composizione della densità della materia e dell’energia che hanno permesso di determinare quanto rapidamente l’Universo si è espanso nel passato. In questo modo, gli scienziati sono risaliti all’epoca iniziale e hanno potuto calcolare il momento in cui è avvenuto il Big Bang. Il tempo trascorso tra l’esplosione iniziale fino ad oggi rappresenta l’età dell’Universo.


2.L’Universo sta diventando sempre più grande

Verso la fine degli anni ’20, Edwin Hubble fece una scoperta rivoluzionaria: egli trovò che lo spazio non è statico, ma si espande. Nonostante ciò, si pensava che con il passare del tempo la gravità dovuta alla materia presente nell’Universo avesse arrestato l’espansione al punto da causare una contrazione. Ma nel 1998, il telescopio spaziale Hubble permise di ottenere i primi dati sulle supernovae distanti trovando che, molto tempo fa, il tasso di espansione dell’Universo era molto più lento rispetto a quello di oggi. Questa sorprendente scoperta suggerì che doveva esistere una enigmatica forza, chiamata poi energia scura, che sta determinando una accelerazione al tasso di espansione dell’Universo. Mentre si ritiene che l’energia scura sia la causa che sta facendo allontanare le galassie le une dalle altre creando sempre più spazi vuoti, essa rimane comunque il mistero più profondo della cosmologia moderna.


3.L’espansione dell’Universo sta accelerando

Nel 1998, due gruppi di ricercatori annunciarono che non solo l’Universo è in espansione ma che sta accelerando e la causa principale è dovuta ad una enigmatica energia (scura) che permea tutto lo spazio allontanando sempre più le galassie le une dalle altre. L’espansione dell’Universo è in accordo con le equazioni della relatività generale di Einstein e, di recente, gli scienziati hanno ripreso il famoso concetto della costante cosmologica per spiegare questa strana forma di energia che sembra controbilanciare la gravità e causare l’espansione dello spazio ad un ritmo accelerato. Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Perlmutter hanno vinto nel 2011 il Premio Nobel per la Fisica per avere scoperto indipendentemente, nel 1998, l’espansione accelerata dell’Universo.


4.La geometria dello spazio potrebbe essere euclidea

Credit: NASA / WMAP Science Team

La forma dell’Universo è influenzata dalla ‘battaglia cosmica’ tra la gravità, dovuta alla densità della materia, e il tasso di espansione dello spazio. Se la densità dell’Universo supera un certo valore critico, allora si dice che l’Universo è “chiuso”, come la superficie di una sfera. Ciò implica che l’Universo non è infinito e che non ha una fine. In questo caso, l’Universo arresterà alla fine la sua espansione ed inizierà a collassare su se stesso in un evento noto come Big Crunch. Se la densità dell’Universo è meno di quella critica, allora la forma geometrica dello spazio si dice “aperta”, come la superficie di una sella. In questo caso, l’Universo non ha confini o bordi e continuerà ad espandersi per sempre. Se poi la densità dell’Universo è esattamente pari a quella critica, allora la forma dello spazio sarà “piatta”, come la superficie di un foglio. In questa situazione, l’Universo non ha bordi o confini e si espanderà per sempre anche se il tasso di espansione si avvicinerà gradualmente allo zero dopo un quantità infinita di tempo. Misure recenti, eseguite dal satellite WMAP, suggeriscono che la geometria dello spazio è euclidea, cioè lo spazio è piatto, con un margine d’errore pari al 2 percento.


5.L’Universo è permeato da una sostanza invisibile

L’Universo è fatto di qualcosa che non vediamo. Di fatto, i pianeti, le stelle, le galassie costituiscono appena il 4 percento di ciò di cui è fatto l’Universo. L’altro 96 percento è rappresentato da qualcosa che gli astronomi non sono in grado ancora di comprendere e a cui essi hanno dato i termini di materia scura ed energia scura, i due misteri più profondi della moderna cosmologia. Nel caso della materia scura, la sua esistenza si basa sull’influenza gravitazionale che essa esercita sulla materia ordinaria.


6.L’Universo contiene l’eco della sua nascita

Simulazione della radiazione cosmica di fondo misurata dal satellite Planck.
Credit: ESA/Planck

La radiazione cosmica di fondo è fatta di echi di luce che sono emersi dall’esplosione iniziale che ha dato origine all’Universo, in seguito al Big Bang, circa 13,7 miliardi di anni fa. Oggi, essa permea l’intero spazio come una sorta di ‘velo di radiazione’. Attualmente, la missione del satellite Planck sta mappando il cielo nella banda delle microonde al fine di rivelare nuovi indizi su come si è originato l’Universo. Le osservazioni effettuate da Planck sono le più precise mai realizzate e perciò gli scienziati sperano di utilizzare i suoi dati in modo da definire alcuni punti ancora oscuri della cosmologia, come ad esempio capire meglio ciò che accadde immediatamente dopo il Big Bang all’Universo delle origini.


7.L’ipotesi degli universi multipli

Le ‘tracce’ lasciate dalle collisioni che sarebbero avvenute tra ‘bolle cosmiche’. Nell’immagine (in alto a sinistra) una collisione provoca una modulazione di temperatura nella radiazione cosmica di fondo (in alto a destra). La risposta alla collisione dovuta al “blob” è identificata in basso a sinistra le cui modulazioni nella radiazione cosmica di fondo sono simulate dall’algoritmo di calcolo nell’immagine in basso a destra.
Credit: S. M. Feeney

L’idea che viviamo in un multiverso, di cui il nostro Universo è uno dei tanti, proviene da una teoria chiamata “inflazione eterna”. Questa teoria suggerisce che subito dopo il Big Bang, lo spaziotempo si espanse in modi e in regioni diverse. Secondo la teoria, ciò diede luogo alla formazione di una serie di “universi-bolla” ognuno dei quali caratterizzati da proprie leggi fisiche (post). Tuttavia, questo concetto è ancora controverso ed è rimasto solamente teorico fino alla pubblicazione di studi recenti che tentano di fornire dei metodi per rivelare la presenza di eventuali universi vicini o paralleli. Infatti, alcuni scienziati hanno tentato di analizzare in maniera approfondita e dettagliata la radiazione cosmica di fondo alla ricerca di quelle “tracce” o “segni” che possano essere ricondotti ad ipotetiche collisioni tra due universi paralleli (post). Finora, però, non state trovate chiare evidenze che possano essere associate a tali eventi. In linea di principio, se due universi vicini venissero ad una collisione essi dovrebbero lasciare una serie di ‘tracce circolari’ rivelabili nella radiazione cosmica di fondo.


Per maggiori approfondimenti: Idee sull'Universo e Enigmi Astrofisici

Il nostro Universo potrebbe far parte di un multiverso più grande

E’ stato detto più volte che il nostro Universo potrebbe essere non l’unico ad esistere là fuori ma essere uno dei tanti infiniti universi che compongono quello che viene chiamato il “multiverso”. Nonostante questo concetto possa determinare una certa incredulità, esistono delle motivazioni fisiche che giustificano, per così dire, questa affermazione. Inoltre, dobbiamo dire che non esiste un solo modo per arrivare a questa conclusione perchè altre teorie puntano tutte, e in maniera indipendente, al concetto di multiverso. Molti teorici credono, di fatto, che l’esistenza di altri “universi nascosti” o non visibili è molto più probabile di quanto venga ipotizzato diversamente. Ecco qui di seguito le cinque teorie scientifiche più plausibili che suggeriscono l’esistenza del multiverso.


 Infiniti universi

Illustrazione artistica dello spaziotempo che si estende all’infinito.
Credit: Shutterstock/R.T.Wohlstadter

Gli scienziati non sono sicuri di quale sia la forma dello spaziotempo, anche se con ogni probabilità esso ha una geometria piatta o euclidea, e si estende all’infinito. Ma se il tessuto spaziotemporale si estende indefinitivamente, ci aspettiamo che in qualche punto deve cominciare a replicarsi perché esiste un numero finito di modi con cui le particelle si possono sistemare nello spazio e nel tempo. Dunque, se si guarda abbastanza lontano, in linea teorica dovremmo incontrare un’altra replica di noi stessi o, meglio, infinite repliche di noi stessi. Alcune di queste repliche gemelle faranno esattamente ciò che noi stiamo facendo adesso mentre le altre si comporteranno in maniera completamente diversa. Ora, dato che l’Universo osservabile si estende da quando la radiazione ha cominciato ad apparire e a diffondersi nello spazio circa 13,7 miliardi di anni fa, lo spaziotempo oltre questa distanza può essere considerato come un universo vicino che si è già separato. In questo modo, esisterebbe una moltitudine di universi vicini come una sorta di gigantesco insieme di tasselli (universi) che compongono il puzzle (multiverso).


Universi a bolle  

Illustrazione artistica del concetto di universi-bolla.
Credit: Shutterstock/Victor Habbick

Oltre all’ipotesi degli universi multipli che sono creati dal tessuto dello spaziotempo che si estende in maniera infinita, altri universi potrebbero emergere da quella che viene chiamata la “inflazione eterna”. Il modello dell’inflazione afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang, aumentando il suo volume di spazio come un palloncino delle feste quando viene gonfiato. L’inflazione eterna, introdotta da Alexander Vilenkin, suggerisce un processo in base al quale in alcune porzioni dello spazio l’inflazione si arresta mentre in altre prosegue e questa situazione dà luogo alla formazione di tanti “universi a bolle” isolati. In questo modo, il nostro Universo, dove l’inflazione si è arrestata permettendo la formazione di stelle e galassie, è come una sorta di piccola bolla cosmica in un immenso oceano di spazio che contiene altri universi-bolla che stanno ancora subendo il processo d’inflazione. In alcuni di questi universi-bolla, le leggi e le costanti della fisica potrebbero essere differenti dalle nostre rendendo così gli altri universi decisamente strani o magari con forme di vita aliena bizzarre.


 Universi paralleli

Illustrazione artistica del concetto di universi-membrana che fluttuano in uno spazio multidimensionale.
Credit: Shutterstock/Sandy MacKenzie

Un’altra idea che emerge dalla teoria delle stringhe si basa sul concetto dei “brana-universi”, cioè universi paralleli che giacciono sulle superfici a 11 dimensioni note come “membrane” o più semplicemente “brane”. Questa teoria è stata introdotta da Paul Steinhardt e Neil Turok come alternativa al modello cosmologico standard al fine di superare il problema della singolarità iniziale del Big Bang. Dunque, secondo la teoria delle stringhe esistono altre dimensioni spaziali nascoste, rispetto alle tre dimensioni spaziali e a quella temporale a cui siamo abituati, che danno luogo a “brane” tridimensionali che fluttuano in uno spazio multidimensionale e dove in ciascuna di esse esiste un determinato universo. Possiamo immaginare che ogni universo-brana sia come una fetta di pane che fluttua in uno spazio multidimensionale assieme a tante altre fette di pane. Queste brane non sono sempre parallele tra loro e perciò, di tanto in tanto, esse collidono causando big bang multipli ognuno dei quali causa la nascita di un nuovo universo.


 Universi figli

Credit: NASA/JPL

La meccanica quantistica, che descrive il mondo degli atomi e delle particelle elementari, suggerisce un altro modo per la formazione degli universi multipli. La teoria descrive il mondo che ci circonda in termini di probabilità e non di certezze perciò le sue equazioni matematiche implicano che tutte le possibili combinazioni di una determinata situazione potranno verificarsi nei rispettivi singoli universi. Ad esempio, se arriviamo ad un incrocio dove possiamo andare a sinistra o a destra, l’Universo in cui viviamo potrebbe dar luogo, secondo la meccanica quantistica, a due “universi-figli”: uno in cui si procede a sinistra e un altro in cui si procede a destra. Inoltre, in ogni universo esiste una nostra copia testimone di ciò che accade dell’una o dell’altra situazione, la quale crede, anche se non correttamente, che la propria realtà sia l’unica che esista.


 Universi matematici

Credit: WGBH Educational Foundation

Gli scienziati hanno a lungo dibattuto sul fatto che la matematica sia semplicemente uno strumento utile per descrivere le leggi fisiche dell’Universo o se essa rappresenti effettivamente la realtà fondamentale per cui le nostre osservazioni dell’Universo siano in definitiva percezioni imperfette della sua vera natura matematica. Se è vero il secondo caso, forse la particolare struttura matematica che sta alla base del nostro Universo non è solamente l’unica opzione e perciò tutte le possibili strutture matematiche possono esistere nei rispettivi singoli universi.


Per maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici. Dal Big Bang al Multiverso

Il tempo ‘prima’ del tempo

Uno dei misteri più affascinanti della moderna cosmologia è quello di capire se l’Universo sia stato caratterizzato da uno stato fisico prima del Big Bang . Di solito, si dice che il Big Bang è stato l’inizio del tutto ma, come afferma il cosmologo e teorico Sean Carroll , la risposta è che non lo sappiamo. Carroll ha introdotto nuove ipotesi che considerano l’esistenza del tempo anche prima del Big Bang, presentando teorie alternative su come si è originato l’Universo.

Questa è un’epoca molto interessante per i cosmologi“, dice Carroll, “è una sorta di età dell’oro per l’astronomia ma purtroppo il modello del Big Bang su cui si basa la cosmologia standard non ha molto senso“. In realtà dobbiamo considerare il fatto che quasi il 96% di cui è fatto l’Universo rimane ancora un mistero al punto che sono stati introdotti termini quali materia scura ed energia scura  proprio per significare l’ignoranza da parte degli scienziati che non riescono a spiegare ancora questi problemi. Un’altra sorpresa deriva dai dati del satellite WMAP  (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) che ha esplorato il cielo per realizzare, con maggiori dettagli, una mappa della radiazione cosmica di fondo, l’eco della grande esplosione iniziale. “Quando si analizzano i dati di WMAP“, dice ancora Carroll, “si trova che l’Universo primordiale appare caldo, denso, con stati di bassa entropia e non sappiamo con precisione perché sia così, è un pò come dire che il nostro Universo non ha un aspetto naturale. Ma la cosa sorprendente e certamente singolare“, continua Carroll, “è che ciò che accade nell’Universo sembra andare in una determinata direzione, dal passato al futuro. Questo dato di fatto viene chiamato dai cosmologi freccia del tempo e deriva dalla seconda legge della termodinamica che ha a che fare con l’entropia“. La seconda legge della termodinamica afferma che i sistemi chiusi passano da uno stato di ordine a uno di disordine al trascorrere del tempo, e questa legge è fondamentale per tutti i processi fisici. Infatti, una dei grandi problemi aperti della cosmologia riguarda le condizioni iniziali dell’Universo: come mai il suo stato fisico era caratterizzato da una bassa entropia? Carroll afferma che proprio questo stato di bassa entropia in prossimità del Big Bang è responsabile di ogni processo fisico successivo e influenza la freccia del tempo, la vita, la morte e la memoria. Insomma, gli eventi accadono con una determinata sequenza temporale e non possono essere invertiti. “Ogni volta che si rompe una tazzina di caffè o si spacca un bicchiere di vetro, si fa cosmologia osservativa“, spiega Carroll. Dunque per rispondere alle domande che riguardano l’origine dell’Universo e la freccia del tempo, dobbiamo prendere in considerazione lo stato fisico dell’Universo prima del Big Bang. “Vogliamo una storia dell’Universo che abbia senso“, continua Carroll, “perché quando incontriamo delle cose che appaiono sorprendenti quello che facciamo è andare a svelare il meccanismo che si cela al di sotto dei processi fisici che poi ci fa comprendere come realmente funzionano le cose“. Di fatto, le attuali teorie non ci permettono di risolvere il mistero dello stato di bassa entropia. Ad esempio, la teoria della relatività generale ci dice che l’Universo si è originato con una singolarità iniziale e non può dimostrare niente se non dopo il Big Bang. Il modello inflazionario, che introduce l’ipotesi secondo la quale l’Universo abbia attraversato una fase di rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang, non ci è d’aiuto perché peggiora il problema dell’entropia. Anche se esistono modelli alternativi, Carroll sembra favorire l’idea del multiverso che dà luogo alla formazione continua di tanti “piccoli” universi. “Il nostro Universo potrebbe non essere il solo che esista perciò se facciamo parte di un multiverso più grande l’entropia totale sarà data dalla somma di quelle che verranno prodotte attraverso la creazione di tanti universi come il nostro“. Infine, analizzando i dati di WMAP, Carroll afferma che l’Universo sembra essere dotato di una sorta di “impronta digitale cosmica” lasciata dalla formazione di fluttuazioni quantistiche nella radiazione cosmica di fondo. In altre parole, le fluttuazioni sembrano avere una intensità dell’ordine del 10% più forte in una parte del cielo che in un’altra, forse un segnale della formazione di nuovi universi? Ad oggi, tutto questo può sembrare pura teoria ma, forse, le misure più accurate della radiazione cosmica di fondo grazie alla missione del satellite Planck  dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), attualmente in corso, potranno riservarci nuove sorprese (vedasi Enigmi Astrofisici).

Sean Carroll è autore di From Eternity to Here e The Particle at the End of the Universe (vedasi questo post).

Un solo universo o infiniti universi?

Ricollegandomi al precedente post sul tema degli universi multipli, dove ho discusso il concetto di multiverso, volevo segnalare oggi l’interessante libro di Alex VilenkinUn solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, edito da Cortina Raffaello .

Vilenkin è uno dei cosmologi di fama mondiale. Egli ha scritto una lunga serie di articoli che riguardano il modello dell’espansione inflazionistica che si basano sull’idea secondo cui l’Universo potrebbe contenere alcuni difetti topologici dovuti a transizioni di fase, così come vengono descritte dalla teoria delle particelle  e dalla cosmologia quantistica. Oggi il modello inflazionistico mette in risalto una serie di domande quali: Perché lo stato fisico primordiale era così caldo e denso? Come e perché l’Universo si è espanso? Cosa c’era prima del Big Bang? “Il nostro orizzonte cosmico è di 13,7 miliardi di anni-luce e oltre questo orizzonte ci potrebbero essere, forse, altri universi con leggi fisiche completamente diverse dal nostro“, dice Vilenkin. A differenza dei suoi predecessori, egli promuove il concetto d’inflazione eterna e le sue implicazioni che essa determina per il principio antropico. L’idea di Vilenkin è che l’inflazione abbia avuto un inizio ma rimane eterna, producendo in continuazione universi paralleli come vere e proprie “bolle cosmiche”. “Si ritiene che l’inflazione sia quasi terminata nella nostra regione di Universo mentre invece continua in altre regioni dello spaziotempo dando luongo ad un numero infinito di bolle“, aggiunge Vilenkin. Quasi metà del libro è dedicato alla descrizione del modello cosmologico standard e la sua estensione all’espansione inflazionistica. In molti modelli inflazionistici c’è un argomento associato alle fluttuazioni quantistiche di un campo scalare, l’inflatone, per cui ci saranno sempre regioni dello spaziotempo che sono soggette all’inflazione e altre in cui essa non avviene e, in un sottoinsieme di queste, esisteranno universi che hanno proprietà piuttosto simili al nostro Universo. Dunque, date le assunzioni basi della teoria quantistica dei campi, l’inflazione eterna sembra quel processo più ragionevole rispetto ai tanti modelli inflazionistici proposti anche se non è del tutto assodato. Se l’inflazione eterna ha luogo, allora Vilenkin è convinto che esisteranno infinite configurazioni di universi ognuno dei quali saranno caratterizzate da proprie costanti fisiche della natura. Se tutto questo poi sia vero oppure no dipenderà dal modello, dalla natura stessa del campo inflatone e dai dettagli della teoria quantistica della gravità. A tal proposito, Vilenkin affronta una parte del libro dando una breve descrizione della teoria delle stringhe. Ma a mio parere, non ci dobbiamo dimenticare che la Fisica è una disciplina osservativa, basata sul metodo sperimentale. Oggi non siamo in grado di osservare altri big bang o regioni di spazio soggette ad una eventuale inflazione. Se queste esistono, si troveranno comunque al di fuori del nostro orizzonte osservativo, perciò sarà difficile verificare la loro presenza.

Le 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna

La cosmologia studia l’Universo ma allo stesso tempo essa rappresenta una delle discipline più creative e bizzarre della scienza. I cosmologi spesso si ‘divertono’ ad introdurre delle ipotesi, modelli e teorie fantastiche e suggestive, nella maggior parte dei casi non verificabili sperimentalmente, che tentano comunque di dare una spiegazione scientifica sull’origine dell’Universo. Vediamo allora qui di seguito una breve presentazione delle 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna.

1. Brane in collisione

Il nostro Universo potrebbe essere racchiuso in una sorta di gigantesca membrana che fluttua in uno spazio multidimensionale e che ciclicamente va in rotta di collisione con la membrana di un universo parallelo? Secondo il modello del ‘mondo-brana’ della teoria delle stringhe, esistono altre dimensioni spaziali extra dello spazio che sono solamente raggiungibili dai gravitoni mentre noi siamo confinati nel nostro universo-brana caratterizzato dalle tre dimensioni a cui siamo abituati. Neil Turok dell’Università di Cambridge e Paul Steinhardt dell’Università di Princeton hanno provato a spiegare il Big Bang come conseguenza della collisione di due brane. Queste collisioni si ripetono e danno luogo ad un nuovo ‘big bang’ perciò, se il modello ciciclo è corretto, il nostro Universo e gli altri universi potrebbero essere eterni (vedasi Idee sull’Universo).

2. Universi che evolvono

Quando la materia viene compressa fino a raggiungere densità estreme al centro di un buco nero, essa può rimbalzare all’indietro e dar luogo ad un ‘nuovo universo neonato’. Qui, le leggi della fisica potrebbero essere differenti rispetto a quelle dell’universo da cui si origina e ciò determina una sorta di evoluzione di universi, una idea suggerita da Lee Smolin del Perimeter Institute. Gli universi in cui esistono tanti buchi neri produrranno tanti universi neonati e alla fine essi saranno la popolazione dominante del multiverso. Se poi viviamo in un universo tale da possedere leggi e costanti fisiche che ottimizzano la produzione dei buchi neri, questa rimane una domanda aperta.

3. Uno spaziotempo superfluido

Una delle teorie più avanzate della moderna cosmologia suggerisce che lo spaziotempo è in definitiva una sostanza superfluida che ‘scorre’, per così dire, con una viscosità nulla. Dunque, se l’Universo è dotato di un moto di rotazione, allora lo spaziotempo superfluido dovrebbe essere caratterizzato da vortici, secondo Pawel Mazur dell’Università della Carolina del Sud e George Chapline del Lawrence Livermore Laboratories. Questi vortici rappresenterebbero quei ‘siti cosmici’ dove si sono formate le prime strutture che hanno successivamente dato luogo alla formazione delle galassie. Mazur suggerisce che il nostro Universo sarebbe nato dal collasso gravitazionale di una stella dove la combinazione della materia stellare con lo spazio superfluido avrebbero dato luogo all’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando una accelerazione all’espansione dell’Universo.

4. Il ‘nostro’ Universo

Perché il nostro Universo possiede le “giuste” leggi della fisica da permettere l’esistenza della vita? Se le costanti fisiche fossero poche non avremmo più stelle, o materia o e, forse, l’Universo durerebbe solo un battito di ciglia. Una risposta a questa domanda è il principio antropico: in altre parole, l’Universo che vediamo deve ospitare la vita altrimenti noi non saremmo qui ad osservarlo. Di recente, questa idea ha avuto molti consensi perché il modello dell’inflazione cosmica suggerisce che dovrebbero esistere una infinità di universi là fuori e la teoria delle stringhe indica che questi infiniti universi devono essere caratterizzati da altrettante infinite leggi fisiche. Bisogna, però, dire che molti cosmologi non accettano il principio cosmologico perchè da un lato non si tratta di vera e propria scienza e dall’altro non fornisce  previsioni che possono essere verificate sperimentalmente.

5. Una questione di gravità

La materia scura potrebbe non essere in definitiva una sostanza fisica ma legata ad un diverso comportamento della forza di gravità. La teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom, suggerisce che la gravità non diventa più debole con l’aumentare della distanza così come vuole la legge della gravitazione universale. Questa sorta di ‘gravità potente’ potrebbe sostituirsi alla materia scura che tiene unite le galassie e gli ammassi di galassie visto che altrimenti si disperderebbero nello spazio. Una nuova formulazione della teoria MOND, consistente con le osservazioni, ha raccolto vari consensi da parte degli scienziati nonostante non descriva alcune proprietà della radiazione cosmica di fondo.

6. Un ‘fantasma’ cosmico

Tre misteri della cosmologia moderna potrebbero essere considerati come un tutt’uno. Dopo la revisione della teoria della relatività generale, un gruppo di fisici hanno trovato una strana sostanza che emerge dalla loro teoria: il cosiddetto “condensato fantasma”. Questa sostanza è in grado di produrre una forza gravitazionale repulsiva che guida, per così dire, l’inflazione cosmica per poi generare una accelerazione dello spazio che viene attribuita all’energia scura. In più, se questa sostanza si aggrega può formare la materia scura (vedasi Enigmi Astrofisici).

7. Un ‘piccolo’ universo

La mappa a ‘spot’ della radiazione cosmica di fondo presenta una peculiarità sorprendente: ci sono pochi ‘spot’ di grande dimensione. Una possibile spiegazione è data dal fatto che l’Universo potrebbe essere ‘piccolo’, così piccolo che, tornando all’epoca in cui si è originata la radiazione cosmica, non è stato in grado di trattenere, per così dire, questi enormi ‘blob’. Se ciò è vero, questo vuol dire che lo spazio si deve essere ‘riavvolto’, in qualche modo, su se stesso. Ma l’ipotesi più strana è che l’Universo abbia una forma a imbuto. La curvatura dello spazio piegata all’indietro potrebbe determinare la forma geometrica degli spot di piccole dimensioni facendogli assumere forme più ellittiche come quelle ossevate.

8. Più veloci della luce

Come mai regioni opposte dell’Universo mostrano lo stesso aspetto? E’ un vero e proprio enigma dato che le regioni più distanti dell’Universo osservabile oggi non dovrebbero essere state mai in contatto tra loro. Anche se andiamo all’inizio del tempo quando queste aree di cielo si trovavano molto vicine tra loro, si pensa che non ci sia stato abbastanza tempo per cui la luce, o forse qualcosa d’altro che ignoriamo, abbia viaggiato da una regione all’altra. E questo discorso vale anche per la distribuzione della temperatura e della densità. Si pensa che una soluzione è che la luce si sia propagata molto più velocemente, anche se per ammettere una tale ipotesi dovremmo rovesciare la teoria della relatività.

9. Neutrini sterili  

La materia scura potrebbe essere costituita dalle particelle più elusive che siano mai state immaginate: i neutrini sterili. Si tratta di particelle ipotetiche, più pesanti, insomma una specie di cugini dei normali neutrini che dovrebbero interagire con la materia solo attraverso effetti di tipo gravitazionale, un processo che li rende essenzialmente difficili da rivelare. Nonostante ciò, i neutrini sterili potrebbero avere le giuste proprietà per formare la cosiddetta materia scura “tiepida” e muoversi con velocità dell’ordine di qualche chilometro al secondo. Queste particelle esotiche potrebbero poi aiutare, per così dire, la formazione delle stelle e dei buchi neri nell’Universo primordiale e potrebbero essere la causa che spinge le stelle di neutroni a girovagare attorno alla nostra galassia.

10. Come nel film..Matrix 

Forse, il nostro Universo non è reale. Il filosofo Nick Bostrom ha suggerito una ipotesi in base alla quale noi viviamo all’interno di una simulazione creata al computer. Insomma, gli universi sarebbero delle simulazioni e dunque noi siamo abbastanza fortunati a vivere all’interno di una di esse. Ma allora, tutte le stranezze cosmologiche, come la materia scura o l’energia scura, sono semplicemente degli artefatti creati apposta per mascherare alcune inconsistenze che sono presenti nella simulazione.

More info: New Scientist

Il ‘paesaggio cosmico’ di Leonard Susskind

Da quando la teoria delle stringhe è stata considerata come la miglior formulazione matematica candidata per rappresentare la “teoria del tutto”, la fantasia dei fisici non sembra conoscere limiti. Stringhe, brane, dimensioni nascoste, universi multipli sono ormai entrati nel linguaggio della fisica. Uno dei suoi interpreti, per così dire, è Leonard Susskind che verso la fine degli anni ’60 si rese conto che la formula di Euler  , riscoperta inizialmente da Gabriele Veneziano , era in grado di descrivere un particolare tipo di particella avente una struttura interna vibrante, non statica, una specie di stringa o corda simile ad un elastico spezzato.

Nel suo primo libro, Il paesaggio cosmico, edito da Adelphi, Susskind descrive il mondo fisico dalla prospettiva delle stringhe per cui esistono tanti universi differenti, o multiversi , ciascuno governato da proprie leggi fisiche e da valori diversi delle costanti fondamentali  e dove in uno di essi, per caso, esistono le condizioni adatte per ospitare la vita. La teoria, almeno per ora, non riesce a privilegiare un singolo modo che ci porti all’universo da noi osservato. Per risolvere il problema, Susskind propone che il “paesaggio”, formato da questa moltitudine di universi, abbia una reale esistenza. Nel suo libro più recente, La guerra dei buchi neri, sempre dello stesso editore, il cosmo di Susskind diventa ancora più bizzarro. Qui i protagonisti sono i buchi neri  che sono divoratori di ordine e di informazione, oltre che di materia. E’ una sorta di battaglia che Susskind vuole vincere bei confronti di Stephen Hawking. Infatti, negli anni Settanta, lo scienziato inglese mostrò che i buchi neri “evaporano”, emettono cioè radiazione termica, e diventano sempre meno massivi nel corso del processo sino a scomparire. Ma allora uno si può domandare se l’informazione, una volta inghiottita dal buco nero, riemerge oppure no una volta che il buco nero evapora. Hawking affermava che l’informazione andava persa per sempre e su questo non era d’accordo Susskind. Dunque se Hawking aveva ragione, sarebbe stata la fine del determinismo quantistico, cioè la violazione del fondamentale principio secondo il quale anche nell’informazione nulla si crea e nulla si distrugge.

Vedi anche:

Gli universi ‘multipli’ di Linde e Vanchurin

Da qualche tempo, la nozione del Big-Bang, come l’evento straordinario da cui ha avuto origine il nostro Universo , sta passando di moda. Di fatto, la fisica teorica , soprattutto la fisica delle stringhe , ci fornisce un concetto nuovo in base al quale il nostro Universo non sarebbe necessariamente l’unico che esiste ma ci sarebbe una varietà di multiversi  ciascuno caratterizzati da proprie leggi fisiche. Questa idea è ormai diventata alquanto popolare, nell’ambiente dei fisici teorici, al punto che ora ci si pone la domanda di quanti potrebbero essere gli universi multipli.

Gli astrofisici Andrei Linde  e Vitaly Vanchurin  hanno eseguito una serie di calcoli partendo dal presupposto che il Big-Bang sia stato un processo di natura quantistica che ha generato una serie di fluttuazioni quantistiche, passando attraverso una fase di rapida espansione esponenziale, l’inflazione, durante la quale queste pertubazioni furono, per così dire, “congelate” e produssero condizioni iniziali differenti in regioni diverse del cosmo. Secondo questa ipotesi, queste eventuali regioni dello spazio sarebbero dotate di proprie leggi fisiche e perciò si possono considerare, in teoria, come dei veri e propri singoli universi. Tenendo conto del tipo di processo che ha causato le pertubazioni iniziali e del ritmo a cui lo spazio si espande, Linde eVanchurin hanno calcolato un numero incredibilmente elevato di universi che risulta essere10^10^10^7 (che si legge 10 elevato alla 10 elevato alla 10 elevato alla settima potenza)!!! La domanda successiva è: quanti universi siamo in grado di osservare? Prendendo in considerazione il fattore relativo alla posizione dell’osservatore nello spaziotempo , che è in grado di ricevere una determinata informazione contenuta all’interno di un certo volume di spazio, e tenendo conto dell’informazione che un essere umano è in grado di ricevere durante la propria vita, in media pari a 1016 bit, si trova che il cervello umano può percepire al massimo1010^16 configurazioni possibili, che rappresenta perciò il numero massimo di multiversi osservabili. La conclusione è, secondo i due scienziati, che il limite non dipende dalle proprietà del multiverso stesso ma anche da quelle relative all’osservatore. Sebbene affascinante e alquanto attraente, la nozione di multiversi non è al momento verificabile per cui non si può parlare di Scienza. Dunque essa rimane, a mio avviso, un esercizio mentale puramente teorico.