Il nostro non è l’unico universo. Anzi, la teoria predice che un gran numero di universi sia stato creato dal nulla. La loro creazione non richiede l’intervento di un essere soprannaturale o di un dio, in quanto questi molteplici universi derivano in modo naturale dalla legge fisica: sono una predizione della scienza. Stephen Hawking e Leonard Mlodinow, Il grande disegno
Da un po' di tempo spot pubblicitari o film di fantascienza fanno riferimento all'esistenza di un MULTIVERSO considerato come un fatto scontato ed esistente. In effetti i fisici da anni duscutono dell'esistenza del multiverso, ma essi non lo considerano un fatto scontato ed esistente. Vediamo di fare un po' di chiarezza, anche se non possiamo parlare di chiarezza.
In fisica teorica il multiverso è un'idea che postula l'esistenza di universi coesistenti fuori dal nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele.
Il concetto di multiverso fu proposto in modo rigoroso per la prima volta da Hugh Everett III nel 1957 con l'interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica. Successivamente è stato riaffermato come possibile conseguenza di alcune teorie scientifiche, specialmente la teoria delle stringhe e quella dell'inflazione caotica o teoria delle bolle.
Secondo l'interpretazione a molti mondi, ogni evento è un punto di diramazione; si vive in diversi rami dell'universo che sono ugualmente reali ma che non possono interagire tra loro
Dal punto di vista filosofico l'ipotesi è antica, essendo stata posta come pluralità dei mondi simili alla Terra già dagli atomisti greci, e trovò nuovo vigore dopo la rivoluzione copernicana con la scoperta della grandezza effettiva dell'universo, un precursore dell'idea moderna di multiverso fu il filosofo rinascimentale Giordano Bruno.
L'ipotesi è fonte di disaccordo nella comunità dei fisici, che la collocano nella scienza di confine. Tra i sostenitori di almeno uno dei modelli del multiverso ci sono Stephen Hawking, Steven Weinberg, Brian Greene, Michio Kaku, Neil Turok, Lee Smolin, Max Tegmark, Andrej Linde, Alex Vilenkin. Tra coloro che non accettano l'ipotesi così com'è formulata o che la criticano ci sono David Gross, Paul Steinhardt, Roger Penrose (che propone una sua versione differente detta cosmologia ciclica conforme) e Paul Davies.
Il multiverso nella cosmologia
Il multiverso è, scientificamente parlando, un insieme di universi coesistenti previsto da varie teorie, come quella dell'inflazione eterna di Linde o come quella secondo cui da ogni buco nero esistente nascerebbe un nuovo universo, ideata da Smolin. Le dimensioni parallele sono contemplate anche in tutti i modelli correlati al concetto di D-brane, classe di P-brane inerenti alla teoria delle stringhe.
In fisica, la teoria delle stringhe (string theory, lett. "teoria delle corde") è un quadro teorico nel quale le particelle puntiformi sono sostituite da oggetti mono-dimensionali chiamati stringhe. Questa teoria descrive come le stringhe si propagano nello spazio e nel tempo e come interagiscono tra loro. A scale di distanza maggiori della lunghezza della stringa, una stringa assomiglierà a una particella ordinaria, con massa, carica e le altre proprietà determinate dal modo di vibrazione della stringa. Poiché uno di questi modi di vibrazione corrisponde al gravitone, l'ipotetica particella mediatrice della gravità, la teoria delle stringhe è una teoria di gravità quantistica. La teoria delle stringhe ha l’ambizione di descrivere l’Universo: tutte le sue strutture e tutte le interazioni; una teoria del tutto. Le particelle non sono più dei punti a dimensione zero ma piccolissime corde vibranti in spazi extradimensionali. Esistono però tante diverse teorie delle stringhe, imparentate fra di loro, che generano un numero enorme di possibili Universi. Universi con fisica diversa. È il nostro uno dei tanti Universi possibili? Le stringhe non si possono vedere; prove dirette della teoria delle stringhe non esistono; forse in futuro potrebbero essere trovate indicazioni indirette, ma sarà difficile usarle come dimostrazione inconfutabile a favore della teoria.
Il concetto di multiverso fu proposto in modo serio per la prima volta nella cosiddetta "interpretazione a molti mondi" della meccanica quantistica di Hugh Everett III, nella sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, abbreviata in MWI): ogni misura quantistica porta alla divisione dell'universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell'operazione di misura.
La teoria del multiverso proposta da MWI ha un parametro di tempo condiviso. In molte delle sue formulazioni, gli universi costituenti il multiverso sono strutturalmente identici, e possono esistere in stati diversi anche se possiedono le stesse leggi fisiche e gli stessi valori delle costanti fondamentali. Gli universi costituenti sono inoltre non-comunicanti, nel senso che non può esservi transito di informazioni tra di essi, anche se nell'ipotesi di Everett potenzialmente potrebbero esercitare un'azione reciproca.
«Le dimensioni del Multiverso sono così smisurate che hanno come conseguenza che da qualche parte esistono altri esseri uguali a noi, ma non rischiamo di incontrarli. La distanza che dovremmo percorrere è così grande che il numero di chilometri ha più cifre di quante sono le particelle dell'Universo conosciuto.»(Max Tegmark)
Altre interpretazioni della molti-mondi sono quella di Copenaghen e quella delle "storie consistenti". In queste ipotesi, lo stato dell'intero multiverso è correlato agli stati degli universi costitutivi dalla sovrapposizione quantistica, ed è descritto da una singola funzione d'onda universale. Simili a questa visione sono l'interpretazione a molteplici storie di Feynman e quella di Zeh a moltio mondi
L'interpretazione a molti mondi (Many Worlds Interpretation) non può spiegare l'apparente universo antropico, perché le costanti fisiche di almeno una parte degli infiniti "mondi" possibili sono le stesse. L'interpretazione a molti mondi può, comunque, spiegare l'esistenza (all'apparenza improbabile) di un pianeta come la Terra. Vedasi l'Ipotesi della rarità della Terra: se l'interpretazione a molti mondi fosse corretta, esisterebbero così tante copie del nostro universo che l'esistenza di almeno un'altra Terra non sarebbe sorprendente.
Universo antropico
Il Principio Antropico è il semplice fatto che viviamo in un universo per consentire la nostra esistenza. Se l’universo fosse diverso, noi non esisteremmo e quindi non saremmo in grado di fare alcuna osservazione. Da quando è stato introdotto dal fisico teorico Brandon Carter nel 1973, il Principio Antropico è progressivamente entrato in voga tra le comunità fisiche e filosofiche, fornendo una semplice spiegazione per alcune coincidenze altrimenti molto sconcertanti. Ad esempio, perché alcune costanti fisiche sono così stranamente messe a punto? Mentre alcune persone vedono questo come prova di un creatore soprannaturale, i materialisti osservano semplicemente che se fosse diversamente, non saremmo qui. Concetto che si collega alla teoria della selezione naturale.
Teoria delle "bolle" o universo a inflazione caotica
Universi a bolla, ogni disco è un universo a bolla con costanti fisiche diverse da quelle degli altri.
"Universi a bolla", ogni disco è un universo a bolla con costanti fisiche diverse da quelle degli altri. L'immagine illustra il concetto di come il nostro universo possa essere solo uno tra le infinite bolle.
La teoria delle bolle è la teoria del multiverso solitamente più accreditata, perché più aderente ai dati e alle misurazioni.
La formazione del nostro universo da una "bolla" del multiverso fu proposta da Andrej Linde, sulla base degli studi di Alan Guth sull'inflazione cosmologica negli anni '80, ed è nota come teoria dell'universo a bolle.
Il concetto dell'universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un "universo genitore". Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia. Queste fluttuazioni possono creare piccole bolle e wormhole. Se la fluttuazione di energia non è molto grande, un piccolo universo a bolla può formarsi, sperimentare una qualche espansione (come un palloncino che si gonfia), e in seguito contrarsi. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto a un certo valore critico, dall'universo parentale si forma un piccolo universo a bolla che va incontro a un'espansione a lungo termine, e permette la formazione, sia di materia, che di strutture galattiche a grandissima scala.
Teoria del Multiverso di David Deutsch
Nella "Teoria del Multiverso" il fisico David Deutsch, uno dei massimi teorizzatori viventi della computazione quantistica e dei computer quantistici, vede proprio nella realizzabilità di tali dispositivi la prova sperimentale di una iperstruttura cosmologica detta multiverso.
Teoria delle stringhe e delle superstringhe
Nell'ambito della teoria delle superstringhe, troviamo un quarto tipo di multiverso, le membrane. Secondo la teoria delle stringhe, la materia è composta da minuscole corde vibranti in uno spazio di 11 dimensioni (10+1), 7 in più dello spazio 3 D a noi noto (più la dimensione temporale).
Le stringhe potrebbero essere aggregate a membrane 3 D (o più) immerse in uno spazio molto più ampio (iperspazio): ogni membrana è un universo distinto. Alcuni ritengono che il Big Bang all'origine del nostro universo sia stato causato da uno scontro tra due o più membrane.
Secondo la teoria delle stringhe e delle superstringhe, le ipotesi di natura corpuscolare e ondulatoria della materia non sono alternative. A livello microscopico, la materia appare composta da particelle, in realtà aggregati di cariche energetiche. A una dimensione di analisi crescente, queste particelle si presentano composte da energia.
Il costituente primo della materia sono stringhe di energia che vibrano a una determinata frequenza o lunghezza d'onda caratteristica, e che si aggregano a formare particelle.
Gli infiniti universi paralleli potrebbero coesistere nello stesso continuum di dimensioni, vibrando a frequenze differenti. Il numero di dimensioni necessarie è indipendente dal numero di universi, ed è quello richiesto per definire una stringa (al momento 11 dimensioni). Questi universi potrebbero estendersi da un minimo di 4 a tutte le dimensioni in cui è definibile una stringa. Se occupano 4 dimensioni, queste sono il continuo spazio-temporale: nel nostro spazio-tempo, coesisterebbero un numero infinito o meno di universi paralleli di stringhe, che vibrano entro un campo di lunghezze d'onda/frequenze caratteristico per ogni universo. Coesistendo nelle stesse nostre 4 dimensioni, tali universi sarebbero soggetti a leggi con significato fisico analogo a quelle del nostro universo.
La novità di questa teoria è che gli infiniti universi non vivono in dimensioni parallele, e non necessita di postulare l'esistenza di più di 4 dimensioni di spazio-tempo. Ciò che consente di definire una pluralità di universi indipendenti non è un gruppo di 4 o più dimensioni per ogni universo, ma l'intervallo di lunghezze d'onda caratteristico.
L'intervallo teorico di frequenze/lunghezze d'onda per le vibrazioni di una stringa determina anche il numero finito/infinito di universi paralleli definibili.
Correlazioni con la "regolazione fine" del cosmo
L'esistenza di universi paralleli costituisce una possibile spiegazione del misterioso fine-tuning (“regolazione fine”, o “perfetto accordo”) cosmologico nei confronti della vita. Alcune costanti della natura del nostro universo sono infatti perfettamente regolate per consentire l'esistenza della vita: una loro minima variazione avrebbe reso quest'ultima impossibile. Alcuni scienziati suppongono perciò che esistano innumerevoli universi governati da leggi fisiche diverse, e che solo una minima percentuale di questi (tra cui il nostro, evidentemente) sia in grado di ospitare esseri viventi.
Esempi di parametri "finemente regolati" sono:
- Densità dell'energia oscura.
- Intensità delle forze fondamentali: gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e la forza nucleare debole.
- Massa delle particelle: elettroni, neutroni, protoni, ecc.
- Dimensioni spaziali e temporali: tre e una.
Se i suddetti parametri fossero (in alcuni casi anche lievemente) differenti da quelli attuali, la vita non avrebbe potuto svilupparsi nell'universo: gli atomi non sarebbero stabili, non esisterebbero le stelle, non potrebbero formarsi molecole di carbonio, ecc.
In alternativa agli universi paralleli, altre spiegazioni avanzate per la regolazione fine sono la coincidenza fortuita o il progetto intelligente.
Possibile misurazione degli effetti del multiverso
Nel luglio del 2007 Tom Gehrels dell'Università dell'Arizona ha pubblicato un articolo dal titolo "The Multiverse and the Origin of our Universe", in cui suggerisce gli effetti misurabili dell'esistenza del multiverso.
Ipotesi del Multiverso nella fisica
Laura Mersini-Houghton propose la teoria che il "cold spot" rivelato dal satellite WMAP potrebbe fornire un'evidenza empirica misurabile per un universo parallelo all'interno del multiverso. Secondo Max Tegmark, l'esistenza di altri universi è conseguenza diretta delle osservazioni cosmologiche. Tegmark descrive l'insieme generale di concetti correlati che condividono la nozione che esistono altri universi al di là di quello osservabile, e si spinge a fornire una tassonomia degli universi paralleli organizzata a livelli.
Classificazione
I livelli secondo la classificazione di Tegmark descritti secondo la terminologia di Ellis, Koechner e Stoeger sono brevemente descritti in seguito.
Universi a multi-dominio (nell'interpretazione di Ellis, Koechner e Stoeger)
I Livello (Multiverso aperto): una predizione generica di inflazione cosmologica è quella dell'universo infinito dell'ipotesi ergodica, che, essendo infinito, deve contenere vari volumi di Hubble che adempiano tutte le condizioni iniziali. (Il termine ergodico è stato introdotto da Ludwig Boltzmann con riferimento ai sistemi meccanici complessi capaci di assumere spontaneamente tutti gli stati dinamici microscopici compatibili con il loro stato macroscopico. Le particelle costituenti il sistema, cioè, assumono ogni insieme di valori istantanei di posizione e velocità le cui caratteristiche medie corrispondono allo stato macroscopico del sistema).
Legge di Hubble
Legge di Hubble o legge di Hubble-Lemaître è il nome per l'osservazione che:
1. Tutti gli oggetti osservati nello spazio profondo hanno una velocità di spostamento misurata in doppler rispetto alla Terra e l'uno rispetto all'altro;
2. La velocità misurata in redshift delle galassie che si allontanano dalla Terra è proporzionale alla loro distanza dalla Terra e da tutti gli altri corpi interstellari.
In effetti, il volume spazio-temporale dell'universo osservabile (volume di Hubble) è in espansione e la legge di Hubble ne è la diretta osservazione fisica. È la base per credere nell'espansione dell'universo ed è una prova citata a sostegno del modello del Big Bang.
Anche se ampiamente attribuita a Edwin Hubble, la legge è stata derivata per la prima volta dalle equazioni della Relatività generale di Georges Lemaître in un articolo del 1927. Lì egli propose che l'Universo si sta espandendo, e suggerì un valore per il tasso di espansione, ora chiamato costante di Hubble. Due anni dopo Edwin Hubble confermò l'esistenza di quella legge e determinò un valore più preciso per la costante che ora porta il suo nome. La velocità di recessione degli oggetti fu dedotta dai loro redshift, molti misurati in precedenza da Vesto Slipher nel 1917 e da lui correlati alla velocità.
La legge è spesso espressa dall'equazione v = HoD, con Ho la costante di proporzionalità (la costante di Hubble) tra la "distanza adeguata" D a una galassia e la sua velocità v. Ho è di solito citata in (km/s)/Mpc, che dà la velocità in km/s di una galassia a 1 megaparsec (3,09×10esp19 km) di distanza. Il reciproco di Ho è il tempo di Hubble.
Una recente stima del 2011 della costante Hubble, che ha utilizzato una nuova telecamera a infrarossi sul telescopio spaziale Hubble (HST) per misurare la distanza e il redshift per una collezione di oggetti astronomici, dà un valore di Ho = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc. Un approccio alternativo che utilizza dati provenienti da ammassi galattici ha dato un valore di Ho = 67,0 ± 3,2 (km/s)/Mpc.
Sono stati utilizzati diversi altri metodi, con cifre comprese tra 70 e 72 (km/s)/Mpc. Un recente (2016) metodo che utilizza la luce più antica dell'universo suggerisce che la costante di Hubble era di 66,53 km/s per megaparsec subito dopo l'inizio dell'espansione. Ciò implica che il tasso di espansione è aumentato.
Linee di assorbimento nello spettro visibile di un superammasso di galassie lontane (a destra), rispetto alle linee di assorbimento nello spettro ottico del Sole (a sinistra). Le frecce indicano il redshift. La lunghezza d'onda aumenta verso il rosso e oltre.
Universi con costanti fisiche diverse
II Livello (Teoria dell'universo a bolle di Andrej Linde): nell'inflazione caotica, altre regioni termalizzate possono avere diverse costanti fisiche, diversa dimensionalità e diverso contenuto di particelle (sorprendentemente, questo livello include anche la teoria di Wheeler sull'universo oscillante).
Multiversi (nell'interpretazione di Ellis, Koechner e Stoeger)
Livello III (Interpretazione multimondo di Hugh Everett III): si tratta di un'interpretazione della meccanica quantistica che propone l'esistenza di universi multipli aventi tutti le stesse costanti fisiche ma che si differenziano per ciò che succede al loro interno: ad esempio, se in un universo una particella elementare subisce l'effetto tunnel, in un altro non lo fa; allo stesso modo, sempre a titolo di esempio, un uomo potrebbe venire ucciso in un universo ma non in un altro e così via. Molti ritengono che l'interpretazione di Everett sia un'estensione conservativa della meccanica quantistica standard, il che vuol dire che se si riesce a esprimere i suoi risultati nel linguaggio della meccanica quantistica ordinaria, essa non porta a nuovi universi con leggi e costanti fisiche diverse, ossia a nuovi risultati non-contemplati dalla fisica senza interpretazione everettiana, ciò che rende quest'ultima superflua dal punto di vista del Rasoio di Occam. Questo, secondo Tegmar, "è un fatto ironico, dal momento che storicamente questo livello è stato il più controverso". Nel settembre del 2007 David Deutsch ha presentato quella che viene considerata una prova dell'interpretazione a molti-mondi.
Insieme definitivo
Livello IV (insieme definitivo di Tegmark): altre strutture matematiche danno differenti equazioni fondamentali per la fisica. Questo livello considera reale ogni ipotetico universo basato su queste strutture. Siccome esso contiene tutti gli altri insiemi porta a chiusura la gerarchia dei multiversi: non ci può essere un livello 5. La questione ancora aperta riguarda le possibili suddivisioni del livello IV in futuro.
Teoria M
Un multiverso di una specie differente è stato ipotizzato con l'estensione a 11 dimensioni della teoria delle stringhe conosciuta come Teoria M. In questa teoria, il nostro e gli altri universi sono creati da collisioni fra membrane in uno spazio avente 11 dimensioni.
Critiche
Le ipotesi sul multiverso sono controverse all'interno della comunità scientifica e non ancora accettate dalla maggioranza degli studiosi, che le collocano nella scienza di confine e affermano che la teoria deve essere oggetto di appropriati studi scientifici per poter essere validata. Le critiche più ricorrenti sono le seguenti:.
- Gli universi paralleli non sono osservabili, non solo di fatto ma (generalmente) nemmeno in linea teorica; manca la verificabilità empirica, che demarca il discorso scientifico dagli altri ambiti
- Non sembrano superare il criterio della falsificabilità di Popper
- Sono una conseguenza di ipotesi scientifiche ancora incerte e controverse
- In quanto soluzione complicata e ridondante, rischiano di soccombere al “rasoio di Occam”. (Il rasoio di Occam è un principio metodologico che indica di scegliere tra più soluzioni egualmente valide di un problema quella più semplice. Venne formulato nel XIV secolo dal filosofo e frate francescano Guglielmo di Occam ed è ritenuto alla base del pensiero scientifico moderno.).
- Molti considerano simili prospettive più filosofiche che scientifiche, più vicine alla metafisica che alla fisica.
Considerando che il bing bang è, presumibilmente, attribuibile a una fluttuazione quantistica nello spazio vuoto, quante di queste possono avvenire in uno spazio infinito? Incredibilomente la fisica quantistica consente che si formino energia e materia dal nulla. Pertanto, al momento, è mio parere che esistano infiniti universi.
Fluttuazioni quantistiche In meccanica quantistica le fluttuazioni quantistiche sono continui mutamenti temporanei nello stato di energia dello spazio vuoto, in accordo con il principio di indeterminazione di Heisenberg, che consentono la creazione di coppie virtuali particella-antiparticella. Pertanto il vuoto è in realtà sede di incessanti processi di creazione e annichilazione, che non appaiono perché la scala di energia è piccola e le fluttuazioni tendono ad annullarsi l'un l'altra.
Guglielmo di Occam raffigurato sulla vetrata di una chiesa nella contea del Surrey
IMPRESA OGGI - Eugenio Caruso - 3 dicembre 2022
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