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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.

Il Big Bang al computer secondo la teoria delle stringhe

Un gruppo di tre ricercatori giapponesi hanno tentato di riformulare al computer una delle versioni della teoria delle stringhe, denominata IIB, per dimostrare che effettivamente l’Universo emerse spontaneamente in tre dimensioni, lasciando le altre sei dimensioni spaziali ‘arrotolate’, così come prevede la teoria delle stringhe, permettendo così di descrivere la nascita dell’Universo. Ora, i ricercatori stanno cercando di capire come evolve lo spaziotempo utilizzando un modello più complesso.

ArXiv: Expanding (3+1)-dimensional universe from a Lorentzian matrix model for superstring theory in (9+1)-dimensions

Il tempo, una ‘freccia’ verso il futuro

Questi sono anni d’oro per la cosmologia moderna perché stiamo acquisendo tutta una serie di informazioni grazie soprattutto all’enorme flusso di dati astronomici che ci arrivano continuamente dagli osservatori terrestri ma soprattutto dai telescopi spaziali. Tuttavia, parafrasando un noto proverbio, potremmo dire che non è tutta la materia che brilla a rappresentare l’Universo osservabile dato che essa costituisce appena il 4% del contenuto materia-energia. Oggi sappiamo, infatti, che circa il 96% dell’Universo è caratterizzato da due componenti dominanti, a cui gli scienziati hanno dato i termini materia scura ed energia scura, di cui ancora ignoriamo la loro vera origine e natura. L’una, la materia scura, funge da scheletro su cui si aggregano le galassie e gli ammassi di galassie mentre l’altra, l’energia scura, permea tutto lo spazio ed esercita una forza di tipo antigravitazionale creando sempre più spazi vuoti. Ma a questi due misteri cosmologici ne dobbiamo aggiungere un altro che è relativo all’asimmetria del tempo, oggi il tema principale di questo articolo. Perché ci ricordiamo il passato e non il futuro? Che relazione ha il tempo con l’entropia del “sistema Universo” e con la gravità? Direi che è arrivato il tempo di fare il punto su questi temi ma per tentare di rispondere a queste domande dobbiamo necessariamente andare alle origini, al momento della singolarità iniziale, il Big Bang, da dove tutto è cominciato, e da dove sono emersi lo spazio, la materia, l’energia e il tempo.

Il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore che ci permette di descrivere l’evoluzione dell’Universo subito dopo il Big Bang. Secondo questo modello, circa 13,7 miliardi di anni fa una grande esplosione diede origine allo spazio nel quale la materia, inizialmente presente sottoforma di un “plasma primordiale” di particelle e radiazione, si aggregò successivamente, man mano che lo spazio si espandeva e si raffreddava, per formare le prime stelle e le prime galassie dando luogo a tutte quelle strutture che possiamo ammirare oggi. Queste strutture sono “appoggiate”, per così dire, su una sorta di “impalcatura cosmica” costituita dalla cosiddetta materia scura, mentre lo spazio si espande, in maniera accelerata, creando sempre più vuoti grazie all’azione esercitata da una forma di energia misteriosa, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e la cui densità non sembra diminuire. In tutto ciò c’è qualcosa che non riusciamo a comprendere, un problema cosmologico noto come asimmetria del tempo. E’ noto dalle leggi della fisica che ai livelli più fondamentali i fenomeni fisici non distinguono tra passato e futuro eppure l’Universo “neonato”, caldo, denso ed omogeneo, è completamente diverso da quello di oggi, freddo, diradato ed eterogeneo. Se utilizziamo il linguaggio della termodinamica, possiamo dire che agli inizi l’Universo era ordinato ed è diventato sempre più disordinato nel corso della sua evoluzione. In tal senso, l’asimmetria del tempo, nota anche come “freccia del tempo” che punta dal passato al futuro, rappresenta la caratteristica più bizzarra che i cosmologi non riescono ancora a spiegare del tutto.

Ma allora da dove cominciamo? Proviamo a partire dalle leggi fisiche a noi note e consideriamo una grandezza fisica che abbiamo imparato a studiare sin dal liceo: l’entropia. Di solito per esprimere il concetto della freccia del tempo, i fisici prendono in considerazione il secondo principio della termodinamica che afferma che in un sistema chiuso l’entropia non diminuisce mai. Di fatto, a scuola ci insegnano che l’entropia è la misura del disordine di un sistema fisico ma, per essere più precisi, dobbiamo ricordare che nel 19° secolo Ludwig Boltzmann spiegò l’entropia in termini di distinzione tra il microstato ed il macrostato di un oggetto. In altre parole, ad un particolare macrostato corrispondono tanti microstati diversi, dunque possiamo dire che l’entropia equivale al numero di microstati diversi che corrispondo allo stesso macrostato. Se, ad esempio, immaginiamo di versare latte nel caffè, avremo tantissimi modi di distribuire le molecole in modo tale che latte e caffè siano completamente mescolati e ce ne saranno relativamente pochi tali che il latte sia separato dal caffè. Questo vuol dire allora che la miscela, latte e caffè, avrà una entropia maggiore. Infatti, gli stati ad entropia maggiore risultano molti di più di quelli che hanno una entropia minore semplicemente perché sono più probabili ed è per questo motivo che il latte si mescola al caffè e non succede mai che se ne separi. Qualcuno di voi ha avuto questa seconda esperienza? Credo proprio di no! Ma se aspettassimo un tempo molto lungo tale per cui le molecole si separino spontaneamente dalla miscela forse dovremmo attendere un tempo maggiore rispetto all’età stessa dell’Universo proprio per il fatto che questo processo è statisticamente improbabile. Chi vuole provare? Questi ragionamenti ci portano a concludere che la freccia del tempo descrive la tendenza dei sistemi fisici ad evolvere verso uno dei numerosi stati naturali caratterizzati da una elevata entropia.

Un altro problema che non comprendiamo è il comportamento dell’entropia quando è presente la gravità. Secondo la teoria generale della relatività, la gravità viene spiegata come la distorsione dello spaziotempo che crea attorno a sé un corpo dotato di grande massa. Purtroppo non abbiamo ancora una teoria della gravità su scale atomiche che spieghi in maniera soddisfacente lo spaziotempo. Tuttavia, sappiamo, approssimativamente, come evolve l’entropia in presenza della gravità. Nell’esempio precedente della tazzina di caffè, dove la gravità si può considerare trascurabile, la distribuzione uniforme delle particelle ha una entropia elevata ed il sistema si trova in equilibrio. Anche se le particelle vengono rimescolate, esse sono già mescolate a sufficienza ed in maniera omogenea che da un punto di vista macroscopico non sembra accadere nulla. Se, invece, la gravità diventa importante allora una distribuzione omogenea avrà una entropia più bassa per un determinato volume fissato. In questo caso, il sistema non è in equilibrio. Dunque sappiamo che la gravità fa si che le particelle si aggreghino per formare strutture complesse come pianeti, stelle, galassie e l’entropia aumenta di conseguenza in accordo con il secondo principio della termodinamica. Oggi sappiamo che lo spazio si espande accelerando grazie all’azione esercitata dall’energia scura che se non diventerà meno densa porterà le galassie sempre più lontane le une dalle altre al punto che esse non saranno più visibili. Insomma, pare che l’Universo diventerà un posto desolato, sempre più vuoto e solo allora si potrà raggiungere lo stato di massima entropia. Solo allora l’Universo raggiungerà l’equilibrio e non succederà più nulla. Ma questo significa che lo spazio vuoto ha sorprendentemente il valore massimo di entropia, è un po’ come dire che la libreria più disordinata è quella più vuota.

Ma torniamo alla parte più strana e cioè alla netta differenza che esiste tra passato e futuro. Crediamo che l’entropia dell’Universo alle origini sia stata estremamente bassa, le particelle erano distribuite in maniera omogenea, poi essa ha acquisito un valore medio, man mano che lo spazio ha cominciato ad espandersi, mentre si formavano le strutture irregolari che osserviamo oggi come stelle, galassie e ammassi, per raggiungere alla fine uno stato di massima entropia, quando cioè lo spazio diventerà sempre più vuoto. Ma la domanda rimane: perché il passato deve essere così diverso dal futuro? In realtà non lo sappiamo. Ciò che possiamo dire è che o consideriamo l’asimmetria temporale come una proprietà intrinseca dell’Universo che è impossibile da spiegare oppure dobbiamo ancora capire più in profondità le proprietà dello spazio e del tempo. Alcuni cosmologi hanno tentato di spiegare l’asimmetria del tempo dovuta all’inflazione, il modello introdotto da Alan Guth in base al quale l’Universo appena nato subì improvvisamente una rapida espansione esponenziale che diede “forma”, per così dire, al volume dello spazio spiegando così alcune proprietà osservative come, ad esempio, l’eccezionale uniformità della densità di materia in regioni dello spazio lontane tra loro. Ma questo processo viene invocato come una sorta di trucco per spiegare l’asimmetria temporale.

Un’altra spiegazione dell’asimmetria del tempo è quella di considerare il passato non necessariamente diverso dal futuro. Forse, il passato più distante, come il futuro, è di fatto uno stato caratterizzato da un valore elevato di entropia. Ma se è così, lo stato caldo e denso, cioè l’Universo delle origini, non sarebbe il vero inizio bensì uno stato di transizione tra due fasi della sua storia. Alcuni modelli ipotizzano che l’Universo abbia subito una sorta di “rimbalzo”. Prima di questo evento, lo spazio si stava contraendo e anziché collassare in una singolarità sono intervenuti di proposito alcuni processi fisici, che coinvolgono la gravità quantistica, o la teoria delle stringhe, o le dimensioni extra, o ancora qualche fenomeno di natura esotica, che hanno “salvato” la situazione e l’Universo è riemerso attraverso il Big Bang in tutto ciò che vediamo oggi. Tuttavia, questi modelli cosmologici del rimbalzo non spiegano la freccia del tempo.

Un’altra soluzione all’enigma dell’asimmetria del tempo si basa sull’ipotesi secondo la quale oggi noi vediamo solo una piccola zona della situazione complessiva il cui paesaggio più vasto è completamente simmetrico rispetto al tempo. In questo modello, nello spazio vuoto le fluttuazioni quantistiche in entrambe le direzioni del tempo, passato e futuro, danno luogo a tanti universi neonati, ognuno dei quali è caratterizzato da una freccia del tempo, che a loro volta si svuotano e generano altri universi. Su scale cosmologiche estremamente grandi, un tale tipo di universo apparirebbe statisticamente simmetrico rispetto al tempo. Il concetto di un universo con una freccia del tempo invertita potrebbe sembrare bizzarro e preoccupante. Cosa accadrebbe se incontrassimo un viaggiatore del tempo che proviene da questo tipo di universo: ricorderebbe il futuro? In realtà questo tipo di incontri sono altamente improbabili, dato che stiamo parlando di universi infinitamente lontani, addirittura prima del Big Bang. Tra noi e questi universi, sembra esistere una sorta di “terra di nessuno” dove il tempo non scorre per niente, cioè non esiste la materia e l’entropia non si evolve. Un essere che vivrebbe in questo universo dove la freccia del tempo è diretta verso il passato, non nascerebbe vecchio né morirebbe giovane. Dal suo punto di vista il tempo scorrerebbe in modo convenzionale, il nostro passato sarebbe il suo futuro e viceversa. Comunque sia, possiamo stare tranquilli dato che un incontro di questo tipo è del tutto ipotetico, noi non possiamo certamente raggiungerli nè loro possono raggiungere noi.

Per concludere, forse l’idea della freccia del tempo come caratteristica osservabile del nostro Universo può fornirci degli indizi sulla natura dell’Universo non osservabile. Infatti, se l’Universo osservabile fosse tutto ciò che esiste allora sarebbe impossibile spiegare in maniera naturale la freccia del tempo. Se, però, l’Universo attorno a noi è solo una piccola porzione di un paesaggio più vasto, possiamo avere nuove possibilità di esplorare quello che non riusciamo a vedere oggi. In altre parole, possiamo considerare il nostro orizzonte come un pezzo di un puzzle di un sistema più grande la cui entropia aumenta senza limiti sia verso il passato che verso il futuro.

Sì certo, tutto molto bello, ma come facciamo ad osservare la freccia del tempo? Beh, basta versare del latte in una tazzina di caffè e mescolare, questa azione ci porterà direttamente alle origini dell’Universo e, forse, oltre i suoi confini.

L’Universo non è più quello di una volta

Dopo circa quattro secoli mi chiedo cosa mai avrebbe detto Galileo se avesse avuto la possibilità di utilizzare i più moderni telescopi? Da qualche decennio, infatti, la nostra visione dell’Universo è letteralmente cambiata, basti pensare alle spettacolari immagini che ci ha fornito, e continua ancora a fornirci sempre in maniera sorprendente, il telescopio spaziale Hubble. Per non parlare, poi, delle missioni spaziali passate, tra cui quella importante del satellite WMAP, e di quelle più attuali, denominate ChandraSpitzer e Fermi, fino ad arrivare alle più recenti Planck ed Herschel. Grazie agli sviluppi tecnologici nel campo dell’ingegneria aerospaziale, oggi è possibile costruire strumenti sempre più avanzati e sofisticati che ci stanno aprendo, per così dire, tante nuove finestre permettendoci di esplorare il nostro Universo in un modo senza precedenti.

Così facendo, si scopre allora che l’Universo è caratterizzato solo dal 4% circa di materia ordinaria, cioè di materia visibile e di cui siamo fatti, quella materia formata da atomi, nuclei eparticelle, e che tutto il resto è fatto di due componenti che ancora non conosciamo e che per nostra ignoranza chiamiamo materia scura (23% circa) ed energia scura (73%), cioè materia che non emette luce ed energia che rimane nascosta nel vuoto, la cui esistenza è stata svelata mediante effetti di tipo gravitazionale.  Ciò è alquanto imbarazzante e costituisce un vero e proprio rompicapo per i cosmologi. Tuttavia questa è una grande epoca per l’astronomia, un periodo in cui la velocità con la quale vengono fornite le informazioni è tale che più osserviamo l’Universo meno ne sappiamo anche se, dobbiamo dire, siamo consapevoli di ciò che ancora ignoriamo. Penso ad un esempio su tutti e che riguarda una scoperta inaspettata, arrivata verso la fine degli anni ’90: contro ogni logica e intuizione, si è trovato che l’espansione cosmica sta accelerando, un fatto alquanto sorprendente. Ci si chiede allora se abbiamo compreso veramente come funziona la gravità, se stiamo applicando in maniera errata la relatività generale o se al contrario conosciamo bene la teoria di Einstein e allora non sappiamo nulla dell’Universo o se, invece, si tratta di un effetto locale per cui la nostra posizione privilegiata si trova nello spazio all’interno di una cosiddetta “bolla cosmica”? Forse le leggi della fisica, come noi le conosciamo, non vanno bene quando vengono applicate nel passato o forse c’è qualcosa di sbagliato nel modo in cui interpretiamo i dati che si riferiscono ad un Universo primordiale. Insomma, guardare oggetti sempre più distanti vuol dire guardare indietro nel tempo ma vuol dire anche avvicinarsi al Big-Bang, cioè alla grande esplosione iniziale che ha dato origine al nostro Universo, incluse le leggi della fisica, circa 13,7 miliardi di anni fa.

Ed è proprio da lì che vogliamo ripartire per ricostruire la storia del cosmo. Ma come? E’ proprio dal nostro pianeta che, si spera, avremo le risposte che stiamo cercando. Infatti, nel tunnel presso il CERN di Ginevra, gli scienziati lavorano con il più potente acceleratore di particelle mai costruito: il Large Hadron Collider (LHC). Uno dei compiti di LHC sarà quello di creare le condizioni iniziali in cui si trovava l’Universo subito dopo il Big-Bang, cioè nella sua prima frazione di secondo, quando le condizioni di energia e temperatura erano estreme. Durante questa fase iniziale, si creavano particelle molto più pesanti di quelle che siamo in grado di osservare oggi e che successivamente, con l’espansione e il raffreddamento dello spazio, si sono trasformate nelle particelle più leggere note a tutti noi. Una delle ipotesi sulla materia scura è che essa sia composta proprio da quelle particelle massicce e antiche che sono esistite ad altissime energie. All’LHC spetterà inoltre il compito di andare oltre i confini dello spazio e deltempo. Se durante le collisioni tra i fasci di particelle, che avvengono nell’anello di 27 Km di circonferenza a velocità prossime alla velocità della luce, si vedranno sparire, per così dire, alcune particelle in uno spazio “al di fuori” rispetto a quello tridimensionale a cui siamo abituati, allora avremo la prova che esistono effettivamente le cosiddette dimensioni spaziali extra. L’Universo consisterebbe perciò di uno spazio multidimensionale caratterizzato da ulteriori dimensioni spaziali, forse sei o sette, così come vuole la famigerata teoria delle stringhe, e che esisterebbero arrotolate o intrecciate in uno spazio piccolissimo che, però, non possiamo vedere o percepire. Ritroveremo un ordine nella natura? Ciò che possiamo dire è che se mai l’LHC dovesse “vedere” le cosiddette particelle supersimmetriche, previste dalla teoria della supersimmetria, allora potremmo, forse, risolvere non solo il mistero della materia scura ma dimostrare l’esistenza di una simmetria che può farci avvicinare verso l’unificazione delle forze fondamentali della natura.

Un fatto è certo: mancano ancora alcuni tasselli per completare il puzzle. Einstein aveva ragione nell’affermare che la cosa più incomprensibile dell’Universo è che risulta comprensibile.