L’idea del multiverso afferma che ci sono un numero arbitrariamente grande di universi come il nostro… là fuori, incorporati nel nostro Multiverso. È possibile, ma non necessario, che esistano altre sacche all’interno del Multiverso dove le leggi della fisica sono diverse.
Guarda l’Universo quanto vuoi, con una tecnologia arbitrariamente potente, e non troverai mai un bordo. Lo spazio va avanti fino a dove possiamo vedere, e ovunque guardiamo vediamo le stesse cose: materia e radiazione. In tutte le direzioni, troviamo gli stessi segni rivelatori di un Universo in espansione: la radiazione residua di uno stato caldo e denso; galassie che evolvono in dimensioni, massa e numero; elementi che cambiano abbondanza quando le stelle vivono e muoiono.
Ma cosa c’è oltre il nostro Universo osservabile? C’è un abisso di nulla oltre i segnali luminosi che potrebbero raggiungerci dal Big Bang? C’è solo un altro universo come il nostro, oltre i nostri limiti di osservazione? O c’è un Multiverso, di natura misteriosa e per sempre incapace di essere visto?
A meno che non ci sia qualcosa di seriamente sbagliato nella nostra comprensione dell’Universo, il Multiverso deve essere la risposta. Ecco perché.
Concezione in scala logaritmica dell’universo osservabile. Si noti che siamo limitati in quanto lontano… possiamo vedere indietro dalla quantità di tempo che è passato dal Big Bang caldo: 13,8 miliardi di anni, o (inclusa l’espansione dell’Universo) 46 miliardi di anni luce. Chiunque viva nel nostro Universo, in qualsiasi luogo, vedrebbe quasi esattamente la stessa cosa dal suo punto di osservazione.
L’utente di Wikipedia Pablo Carlos Budassi
Il Multiverso è un’idea estremamente controversa, ma in fondo è un concetto molto semplice. Proprio come la Terra non occupa una posizione speciale nell’Universo, né il Sole, la Via Lattea o qualsiasi altro luogo, il Multiverso fa un passo in più e sostiene che non c’è niente di speciale nell’intero Universo visibile.
Il Multiverso è l’idea che il nostro Universo, e tutto ciò che è contenuto in esso, è solo una piccola parte di una struttura più grande. Questa entità più grande incapsula il nostro Universo osservabile come una piccola parte di un Universo più grande che si estende oltre i limiti delle nostre osservazioni. Quell’intera struttura – l’Universo non osservabile – può essere a sua volta parte di uno spaziotempo più grande che include molti altri universi scollegati, che possono essere o non essere simili all’Universo che abitiamo.
Un’illustrazione di universi multipli, indipendenti, causalmente scollegati l’uno dall’altro in un…. oceano cosmico in continua espansione, è una rappresentazione dell’idea del Multiverso.
Ozytive / Public domain
Se questa è l’idea del Multiverso, posso capire il tuo scetticismo alla nozione che potremmo in qualche modo sapere se esiste o no. Dopo tutto, la fisica e l’astronomia sono scienze che si basano su conferme misurabili, sperimentali o altrimenti osservabili. Se stiamo cercando le prove di qualcosa che esiste al di fuori del nostro Universo visibile e che non lascia tracce al suo interno, sembra che l’idea di un Multiverso sia fondamentalmente indimostrabile.
Ma ci sono un sacco di cose che non possiamo osservare e che sappiamo devono essere vere. Decenni prima di rilevare direttamente le onde gravitazionali, sapevamo che dovevano esistere, perché abbiamo osservato i loro effetti. Le pulsar binarie – stelle di neutroni rotanti in orbita l’una attorno all’altra – sono state osservate accorciare i loro periodi di rivoluzione. Qualcosa deve portare via l’energia, e quella cosa era coerente con le previsioni delle onde gravitazionali.
Il tasso di decadimento orbitale di una pulsar binaria è altamente dipendente dalla velocità della gravità e dai… parametri orbitali del sistema binario. Abbiamo usato i dati delle pulsar binarie per vincolare la velocità della gravità ad essere uguale alla velocità della luce con una precisione del 99,8%, e per dedurre l’esistenza di onde gravitazionali decenni prima che LIGO e Virgo le rilevassero.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
Anche se abbiamo certamente accolto con favore la conferma che LIGO e Virgo hanno fornito per le onde gravitazionali attraverso il rilevamento diretto, sapevamo già che dovevano esistere a causa di queste prove indirette. Coloro che sosterrebbero che l’evidenza indiretta non è un indicatore di onde gravitazionali potrebbero ancora non essere convinti che le pulsar binarie le emettano; LIGO e Virgo non hanno visto le onde gravitazionali che provengono dalle pulsar binarie che abbiamo osservato.
Quindi, se non possiamo osservare il Multiverso direttamente, quali prove indirette abbiamo della sua esistenza? Come facciamo a sapere che c’è più Universo non osservabile oltre la parte che possiamo osservare, e come facciamo a sapere che quello che chiamiamo il nostro Universo è probabilmente solo uno dei tanti incorporati nel Multiverso?
Guardiamo all’Universo stesso, e traiamo conclusioni sulla sua natura in base a ciò che le osservazioni su di esso rivelano.
La luce del fondo cosmico a microonde e il modello delle sue fluttuazioni ci danno un… modo per misurare la curvatura dell’Universo. Al meglio delle nostre misurazioni, entro 1 parte su circa 400, l’Universo è perfettamente piatto dal punto di vista spaziale.
Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs
Quando guardiamo verso il bordo dell’Universo osservabile, troviamo che i raggi di luce emessi dai tempi più antichi – dal fondo cosmico a microonde – fanno particolari disegni sul cielo. Questi modelli non solo rivelano le fluttuazioni di densità e temperatura con cui l’Universo è nato, così come la composizione di materia ed energia dell’Universo, ma anche la geometria dello spazio stesso.
Da questo possiamo concludere che lo spazio non è curvo positivamente (come una sfera) o negativamente (come una sella), ma piuttosto spazialmente piatto, indicando che l’Universo non osservabile probabilmente si estende ben oltre la parte a cui possiamo accedere. Non si curva mai su se stesso, non si ripete mai, e non ha spazi vuoti al suo interno. Se è curvo, ha un diametro che è centinaia di volte più grande della parte che possiamo vedere.
Ogni secondo che passa, ci viene rivelato altro universo, proprio come il nostro, coerente con questo quadro.
L’Universo osservabile potrebbe essere di 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dal nostro punto di vista,… ma c’è certamente più Universo non osservabile, forse anche una quantità infinita, proprio come il nostro. Col tempo, saremo in grado di vederne di più, rivelando alla fine circa 2,3 volte più materia di quella che possiamo attualmente vedere.
Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, annotato da E. Siegel
Questo potrebbe indicare che c’è più Universo non osservabile oltre la parte del nostro Universo cui possiamo accedere, ma non lo prova, e non fornisce prove per un Multiverso. Ci sono, tuttavia, due concetti in fisica che sono stati stabiliti ben oltre ogni ragionevole dubbio: l’inflazione cosmica e la fisica quantistica.
L’inflazione cosmica è la teoria che ha dato origine al Big Bang caldo. Piuttosto che iniziare con una singolarità, c’è un limite fisico a quanto caldo e quanto denso potrebbero aver raggiunto le fasi iniziali del nostro Universo in espansione. Se avessimo raggiunto temperature arbitrariamente alte in passato, ci sarebbero chiare firme che non ci sono:
- fluttuazioni di temperatura di grande ampiezza all’inizio,
- fluttuazioni di densità limitate dalla scala dell’orizzonte cosmico,
- e avanzi di relitti ad alta energia dei primi tempi, come i monopoli magnetici.
L’inflazione fa espandere lo spazio in modo esponenziale, il che può portare molto rapidamente a far apparire piatto qualsiasi spazio preesistente… curvo o non liscio. Se l’Universo è curvo, ha un raggio di curvatura che è almeno centinaia di volte più grande di quello che possiamo osservare.
E. Siegel (L); il tutorial di cosmologia di Ned Wright (R)
Queste firme mancano tutte. Le fluttuazioni di temperatura sono al livello dello 0,003%; le fluttuazioni di densità superano la scala dell’orizzonte cosmico; i limiti sui monopoli e altre reliquie sono incredibilmente stringenti. Il fatto che queste firme non ci siano ha un’implicazione enorme: l’Universo non ha mai raggiunto quelle temperature arbitrariamente alte. Qualcos’altro è venuto prima del caldo Big Bang per crearlo.
Ecco dove entra in gioco l’inflazione cosmica. Teorizzata all’inizio degli anni ’80, è stata progettata per risolvere una serie di enigmi con il Big Bang, ma ha fatto quello che si spera per qualsiasi nuova teoria fisica: ha fatto previsioni misurabili e testabili per le firme osservabili che sarebbero apparse nel nostro Universo.
Vediamo la prevista mancanza di curvatura spaziale; vediamo una natura adiabatica delle fluttuazioni con cui è nato l’Universo; abbiamo rilevato uno spettro e un’ampiezza delle fluttuazioni iniziali che corrispondono alle previsioni dell’inflazione; abbiamo visto le fluttuazioni superorizzontali che l’inflazione prevede debbano sorgere.
Le fluttuazioni dello stesso spaziotempo su scala quantistica si allungano nell’Universo durante… l’inflazione, dando origine a imperfezioni sia nella densità che nelle onde gravitazionali. Se l’inflazione sia nata da un’eventuale singolarità o meno non è noto, ma le firme del fatto che sia avvenuta sono accessibili nel nostro Universo osservabile.
E. Siegel, con immagini derivate da ESA/Planck e dalla task force interagenzia DoE/NASA/ NSF sulla ricerca CMB
Forse non sappiamo tutto sull’inflazione, ma abbiamo una serie di prove molto forti che supportano un periodo nel primo Universo dove è avvenuta. Ha creato e dato origine al Big Bang, e predice un insieme e uno spettro di fluttuazioni che hanno dato origine ai semi di struttura che sono cresciuti nella rete cosmica che osserviamo oggi. Solo l’inflazione, per quanto ne sappiamo, ci dà delle previsioni per il nostro Universo che corrispondono a ciò che osserviamo.
“Quindi, grande affare”, si potrebbe dire. “Avete preso una piccola regione di spazio, avete permesso all’inflazione di espanderla fino a un volume molto grande, e il nostro Universo visibile e osservabile è contenuto in quel volume. Anche se questo va bene, questo ci dice solo che il nostro Universo inosservabile si estende ben oltre la parte visibile. Non ha affatto stabilito il Multiverso.”
E tutto questo sarebbe corretto. Ma ricordate, c’è un altro ingrediente che dobbiamo aggiungere: la fisica quantistica.
Un’illustrazione tra l’incertezza inerente tra posizione e momento a livello quantistico…. C’è un limite a quanto bene si possano misurare queste due quantità simultaneamente, e l’incertezza si mostra in posti dove spesso la gente meno se lo aspetta.
E. Siegel / Wikimedia Commons user Maschen
L’inflazione è trattata come un campo, come tutti i quanti che conosciamo nell’Universo, obbedendo alle regole della teoria quantistica dei campi. Nell’Universo quantistico, ci sono molte regole controintuitive che vengono rispettate, ma la più rilevante per i nostri scopi è la regola che governa l’incertezza quantistica.
Mentre noi consideriamo convenzionalmente l’incertezza come quella che si verifica reciprocamente tra due variabili – quantità di moto e posizione, energia e tempo, momento angolare di direzioni reciprocamente perpendicolari, ecc – c’è anche un’incertezza inerente al valore di un campo quantistico. Man mano che il tempo avanza, un valore di campo che era definitivo in un momento precedente ha ora un valore meno certo; gli si possono attribuire solo delle probabilità.
In altre parole, il valore di qualsiasi campo quantico si espande nel tempo.
Col passare del tempo, anche per una semplice particella singola, la sua funzione d’onda quantistica che descrive la sua… posizione si espande, spontaneamente, nel tempo. Questo accade per tutte le particelle quantistiche per una miriade di proprietà oltre la posizione, come il valore del campo.
Hans de Vries / Physics Quest
Ora, combiniamo questo: abbiamo un Universo che si gonfia, da una parte, e la fisica quantistica dall’altra. Possiamo immaginare l’inflazione come una palla che rotola molto lentamente in cima ad una collina piatta. Finché la palla rimane in cima alla collina, l’inflazione continua. Quando la palla raggiunge la fine della parte piatta, però, rotola giù nella valle sottostante, che converte l’energia del campo inflazionario stesso in materia ed energia.
Questa conversione segna la fine dell’inflazione cosmica attraverso un processo noto come riscaldamento, e dà luogo al Big Bang caldo che tutti conosciamo. Ma ecco il punto: quando l’Universo si gonfia, il valore del campo cambia lentamente. In diverse regioni che si gonfiano, il valore del campo si espande in quantità casualmente diverse e in direzioni diverse. In alcune regioni, l’inflazione finisce rapidamente; in altre, finisce più lentamente.
La natura quantistica dell’inflazione significa che finisce in alcune “tasche” dell’Universo e continua… in altre. Deve rotolare giù per la collina metaforica ed entrare nella valle, ma se è un campo quantico, la diffusione significa che finirà in alcune regioni mentre continuerà in altre.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
Questo è il punto chiave che ci dice perché un Multiverso è inevitabile! Dove l’inflazione finisce subito, abbiamo un Big Bang caldo e un Universo grande, dove una piccola parte di esso potrebbe essere simile al nostro Universo osservabile. Ma ci sono altre regioni, al di fuori della regione in cui finisce, dove l’inflazione continua più a lungo.
Dove la diffusione quantistica avviene nel modo giusto, l’inflazione potrebbe finire anche lì, dando origine a un Big Bang caldo e a un Universo ancora più grande, dove una piccola parte potrebbe essere simile al nostro Universo osservabile.
Ma le altre regioni non si stanno ancora solo gonfiando, stanno anche crescendo. Si può calcolare il tasso di crescita delle regioni che si gonfiano e confrontarlo con il tasso di formazione di nuovi universi e di Big Bang caldi. In tutti i casi in cui l’inflazione fornisce previsioni che corrispondono all’Universo osservato, crescono nuovi Universi e nuove regioni che si gonfiano più velocemente di quanto l’inflazione possa finire.
Dove avviene l’inflazione (cubi blu), dà origine a un numero esponenzialmente maggiore di regioni di spazio con… ogni passo avanti nel tempo. Anche se ci sono molti cubi dove l’inflazione finisce (X rosse), ci sono molte più regioni dove l’inflazione continuerà nel futuro. Il fatto che questo non finisca mai è ciò che rende l’inflazione “eterna” una volta che inizia, e ciò che dà origine alla nostra moderna nozione di Multiverso.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Questo quadro, di universi enormi, molto più grandi della piccola parte che è osservabile per noi, costantemente creati in questo spazio che si gonfia esponenzialmente, è ciò che il Multiverso è tutto. Non è una nuova previsione scientifica verificabile, ma piuttosto una conseguenza teorica inevitabile, basata sulle leggi della fisica così come sono comprese oggi. Se le leggi della fisica siano identiche alle nostre in quegli altri universi è sconosciuto.
Mentre si prevede la creazione di molti universi indipendenti in un tempo spaziale che si gonfia, l’inflazione… non finisce mai ovunque contemporaneamente, ma piuttosto solo in aree distinte e indipendenti separate dallo spazio che continua a gonfiarsi. È da qui che deriva la motivazione scientifica per un Multiverso, e il motivo per cui due Universi non si scontreranno mai.
Karen46 / FreeImages
Se si ha un Universo inflazionario che è governato dalla fisica quantistica, un Multiverso è inevitabile. Come sempre, stiamo raccogliendo quante più prove nuove e convincenti possibile su base continua per comprendere meglio l’intero cosmo. Potrebbe risultare che l’inflazione è sbagliata, che la fisica quantistica è sbagliata, o che l’applicazione di queste regole come facciamo noi ha qualche difetto fondamentale. Ma finora, tutto torna. A meno che non abbiamo sbagliato qualcosa, il Multiverso è inevitabile, e l’Universo in cui viviamo è solo una minuscola parte di esso.