Alcuni giorni prima della sua morte, il 14 marzo, il famoso fisico teorico e cosmologo Stephen Hawking completò quello che sarebbe stato il suo ultimo documento di ricerca. Inizialmente reso disponibile tramite il servizio di prestampa arXiv, ha superato la revisione tra pari ed è stato pubblicato online sul Journal of High Energy Physics il 27 aprile.
Scritto con il coautore Thomas Hertog, fisico teorico dell'Università di Leuven, in Belgio, l'articolo aggiunge un altro aspetto alla comprensione dell'universo in cui viviamo. Inutile dire che è complicato. Intitolato "Un'uscita senza intoppi dall'inflazione eterna?" la pubblicazione discute un problema enigmatico che i cosmologi devono affrontare.
Ma prima di approfondire il nocciolo dello studio, torniamo a quando il nostro universo era un bambino, circa 13,8 miliardi di anni fa.
Big Bang e inflazione
Molte prove suggeriscono che il nostro universo abbia avuto origine da una singolarità, un punto infinitamente denso in cui è nato tutto l'universo come lo conosciamo. Chiamiamo quell'evento il Big Bang . Ma come è nata la singolarità e perché è accaduto il Big Bang non è un problema in questo momento. Siamo interessati a ciò che è successo subito dopo la generazione del nostro universo, un periodo noto come "inflazione".
I cosmologi prevedono che l'inflazione si sia verificata in un periodo incredibilmente piccolo subito dopo il Big Bang, o durante i primi 10-32 secondi del nostro universo! Durante l'inflazione, l'universo si è espanso in modo esponenziale e molto più veloce della velocità della luce . Dopo solo un secondo, l'energia di questa inconcepibilmente gigantesca esplosione si è condensata per formare le particelle subatomiche che, nel corso di milioni di anni, hanno creato le stelle, le galassie, i pianeti e (dopo 3,8 miliardi di anni) la vita. Una volta terminato questo periodo inflazionistico, il tasso di espansione dell'universo è rallentato, ma continua ad espandersi fino ad oggi.
Poiché l'inflazione ha alimentato un'espansione più veloce della luce, l '"universo osservabile" che vediamo oggi non è l' intero universo. Piuttosto esistiamo solo all'interno di una regione del cosmo che la luce ha avuto il tempo di raggiungere. È come far cadere un sassolino in una tranquilla piscina. La prima ondulazione circolare che si propaga dagli schizzi viaggia a una velocità fissa sulla superficie della piscina. Se immaginiamo che il limite del nostro universo osservabile sia quell'increspatura - che viaggia attraverso la piscina alla velocità della luce - non è che nulla esista al di là di quell'increspatura (c'è molta più piscina, o universo, al di là di essa), semplicemente non possiamo vedere ancora.
Quindi, la conseguenza dell'inflazione è che dovrebbe esserci MOLTO più universo oltre a quello che possiamo vedere con i nostri telescopi più potenti.
Entra nel multiverso
I cosmologi sono da tempo alle prese con la possibilità che il nostro universo non sia l' unico universo. In effetti, potremmo essere nient'altro che una singola bolla in un oceano infinito e spumoso, un concetto noto come " multiverso ". Vedete, l'inflazione non è avvenuta una volta; è sempreavvenendo attraverso una reazione a catena infinitamente vasta nota come "inflazione eterna". Apparirà un universo, l'inflazione prenderà il sopravvento, espandendo quell'universo, e quell'universo avrà le sue instabilità quantistiche che genereranno più singolarità che andranno a creare più universi. È come far saltare in aria un palloncino da festa che a sua volta genera molti altri palloncini da festa che eruttano dalla sua superficie di gomma apparentemente a caso. Questa situazione sembra caotica, e lo è. I fautori di questa ipotesi pensano che l'inflazione eterna sia inarrestabile, enormemente complessa e genera continuamente nuovi universi. La matematica di questa situazione suggerisce che il multiverso agisca come un frattale .
Vale la pena notare che ogni universo successivo nel multiverso probabilmente non condivide la stessa fisica del nostro universo. Un universo potrebbe non avere gravità. Un altro potrebbe non supportare le forze che tengono insieme la materia. Ci sono molti universi nati morti che non contano molto. Noi umani siamo semplicemente fortunati ad avere un universo che ha l'ambiente giusto per creare ciò che vediamo, un argomento filosofico noto come principio antropico .
Il problema con l'inflazione eterna è che è disordinato e infinito e l'ipotesi è, in definitiva, non verificabile. Che senso ha avere un meraviglioso modello matematico per l'universo (o gli universi) se non riusciamo almeno a trovare qualche evidenza osservativa che supporti l'ipotesi del multiverso?
Hawking non era un fan del multiverso
Allora, cosa c'entra la ricerca di Hawking e Hertog con questo multiverso implacabile?
Nel multiverso, il nostro universo è semplicemente un universo tascabile in cui l'inflazione è finita e, nonostante le probabilità, ha trovato la calma per creare una generosità di stelle e galassie e un gruppo di umani che vivono su una roccia casuale che medita sul cosmo. Ciò che sta succedendo al di là della nostra tasca di calma è, tuttavia, in qualche modo diverso.
"La solita teoria dell'inflazione eterna prevede che globalmente il nostro universo sia come un frattale infinito, con un mosaico di diversi universi tascabili, separati da un oceano che si gonfia", ha detto Hawking in un'intervista lo scorso anno . "Le leggi locali della fisica e della chimica possono differire da un universo tascabile all'altro, che insieme formerebbero un multiverso. Ma non sono mai stato un fan del multiverso. Se la scala dei diversi universi nel multiverso è grande o infinita, la teoria non può essere testato".
Il problema, secondo Hawking e Hertog, risiede nell'incompatibilità della relatività generale di Einstein (che governa l'evoluzione dell'universo) e della meccanica quantistica (che semina la creazione di nuovi universi attraverso le fluttuazioni quantistiche). L'eterno modello di inflazione del multiverso "cancella la separazione tra fisica classica e quantistica", ha affermato Hertog nel comunicato stampa di accompagnamento . "Di conseguenza, la teoria di Einstein si rompe in un'inflazione eterna".
Il loro studio non arriva al punto di conciliare la relatività generale con la fisica quantistica (una ricerca che finora non ha avuto successo), ma usano la matematica della teoria delle stringhe per semplificare il modello del multiverso. Riepilogo rapido: la teoria delle stringhe prevede che tutte le particelle subatomiche nel nostro universo siano in realtà composte da stringhe unidimensionali che si propagano nello spazio. Lo stato vibrazionale di queste stringhe è ciò che conferisce a queste particelle il loro stato quantistico (come carica, spin e massa). Ma la teoria delle stringhe prevede anche l'esistenza dell'ipotetico gravitone, una particella quantistica che trasporta la forza di gravità. La teoria delle stringhe fornirebbe quindi una spiegazione di come la relatività generale (gravità) di Einstein si confonda con la fisica quantistica.
Utilizzando la struttura matematica della teoria delle stringhe, questo studio semplifica il multiverso. Hawking e Hertog hanno utilizzato il concetto di olografia della teoria delle stringhe per ridurre il nostro universo tridimensionale a una "superficie" bidimensionale, dalla quale viene proiettato l'universo che conosciamo e amiamo. In questo modo, sono stati in grado di descrivere l'inflazione eterna senza relatività generale, creando uno "stato senza tempo".
"Quando ripercorriamo l'evoluzione del nostro universo a ritroso nel tempo, a un certo punto arriviamo alla soglia dell'inflazione eterna, dove la nostra familiare nozione di tempo cessa di avere alcun significato", ha affermato Hertog in una nota .
La matematica è complessa, ma il risultato è interessante. I calcoli hanno l'effetto di trasformare il multiverso infinito e frattale in una situazione molto più semplice (e finita) di quanto previsto dall'inflazione eterna.
"Non siamo ridotti a un unico universo unico, ma le nostre scoperte implicano una significativa riduzione del multiverso, a una gamma molto più piccola di universi possibili", ha affermato Hawking.
Come lo testiamo?
Per metterlo in prospettiva, il documento finale di Hawking non rivoluziona la nostra comprensione di come funziona l'universo (e, in effetti, il multiverso), ma è una preziosa aggiunta a un vasto campo di lavoro teorico. In particolare, Hertog spera che questo studio possa aiutarci a cercare antiche onde gravitazionali generate dall'inflazione eterna. Tuttavia, queste increspature nello spaziotempo sono troppo deboli per essere rilevate dagli attuali rilevatori di onde gravitazionali. Dovremmo aspettare fino al lancio di osservatori spaziali avanzati, come la prevista missione LISA dell'Agenzia spaziale europea .
Indipendentemente dal fatto che questo studio porti a scoperte rivoluzionarie sul cosmo in cui viviamo, è una testimonianza di un grande scienziato che ha lavorato instancabilmente per tutta la sua vita per rispondere ad alcune delle più grandi domande su cui l'umanità ha riflettuto. E sulle spalle di Hawking, altre grandi menti si baseranno su questo lavoro per decifrare, si spera, se il nostro universo è unico o se è una bolla che fluttua caoticamente nell'oceano del multiverso.
Ora è interessante
Lo studente laureato di 27 anni della Princeton University di nome Hugh Everett III che ha fatto un brainstorming sul concetto di multiverso inizialmente ha avuto difficoltà a far pubblicare la sua idea stravagante.
