Spazio e Scienze

L’eredità di Hawking: il Multiverso e la radiazione di fondo

Stephen Hawking ha tentato per tutta la vita di svelare i misteri più oscuri e affascinanti del Cosmo, ma per un uomo come lui, occuparsi di un solo Universo non poteva essere sufficiente. Così, nel suo ultimo lavoro prima di tornare alle stelle, il grande fisico britannico ha provato a scardinare i limiti che ci legano al nostro Universo per provare a far luce sulla possibile esistenza di una struttura sovradimensionata, un Multiverso per l'appunto.

L'articolo in questione, dal titolo "A smooth exit from eternal inflation", è stato pubblicato su arXiv la scorsa estate, e solo dieci giorni prima della morte di Hawking, il co-autore e collega Prof. Thomas Hertog ne ha pubblicato la revisione finale.

Lasciatemi ora fare una premessa. Anche per un addetto ai lavori come il sottoscritto la sola lettura di un articolo del genere rappresenta una sfida. Stiamo parlando di un lavoro che racchiude teorie alla frontiera delle conoscenze attuali, basate su concetti fisico-matematici spinti a un tale livello che anche solo farsi un'idea di che cosa si stia parlando costituisce un gran risultato. Nel leggere il lavoro di Hawking ed Hertog ho dovuto spulciare in un colpo solo informazioni riguardo teorie di gravità quantistica, modelli cosmologici alternativi, teoria delle stringhe, campi quantistici e chi più ne ha più ne metta. Questo per farvi comprendere il senso di piccolezza, forse finanche di smarrimento, che assale quando ci si trova a confrontarsi con un "genio", uno di quelli veri!

Per fare un paragone che forse gli sarebbe piaciuto, è come se la sua mente viaggiasse costantemente a curvatura 10, mentre noi comuni mortali fossimo ancorati alla velocità d'impulso. E a dirla tutta, sì, sto mettendo le mani avanti, perché nel seguito di questo articolo farò del mio meglio per riportare in maniera comprensibile le idee di Hawking, ma non me ne vogliate se non tutto alla fine dovesse risultare chiaro o immediato.

Dopo questa doverosa introduzione, partiamo dunque e ricordate: "don't panic"!

Lambda Cold Dark Matter, Accelerated Expansion of the Universe, Big Bang Inflation
Inflazione cosmica. Crediti: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0

Per prima cosa occorre introdurre un concetto basilare nelle teorie oggi globalmente accettare riguardo la nascita ed evoluzione dell'Universo: quello dell'inflazione. Con questo termine si intende la crescita esponenziale di dimensioni che il Cosmo neonato avrebbe sperimentato, immediatamente dopo il Big Bang, portandolo in frazioni di secondo dalla scala subatomica a quella cosmologica.

Diversi scienziati tuttavia ritengono che questo fenomeno possa essersi verificato più volte, portando alla formazione di molteplici universi. Come? L'idea più diffusa è quella della cosiddetta inflazione eterna, ovvero un multiverso basato su un substrato di "schiuma quantica", o "universo genitore", in cui per effetto del principio di indeterminazione di Heisenberg e delle fluttuazioni di energia del vuoto che quest'ultimo prevede, molteplici universi potrebbero formarsi come bolle.

Per intenderci, immaginate una coppa di champagne in cui si formano continuamente nuove bollicine, oppure una forma di formaggio svizzero con i suoi buchi. Le bolle potrebbero poi portare alla formazione di nuovi universi a causa di fenomeni inflazionari, diffusi in tutto il substrato, ognuno con la sua storia, evoluzione e peculiarità. Da un punto di vista matematico, i vari universi potrebbero inoltre comunicare tramite wormhole.

Capirete dunque che in questo modo ciò che potrebbe venire a cadere è la teoria del Big Bang, poiché avrebbe poco senso parlare di una singolarità iniziale. Piuttosto, essa verrebbe sostituita da quello che viene definito "stato di Hartle-Hawking", ovvero una sorta di stato primordiale, o cupola, auto-sufficiente e auto-creata, ad altissima energia e temperatura, dal quale le fluttuazioni e l'inflazione si sarebbero generati.

Secondo il modello del Big Bang, l'universo si espanse da uno stato iniziale estremamente denso e caldo e continua ad espandersi oggi
Secondo il modello del Big Bang, l'universo si espanse da uno stato iniziale estremamente denso e caldo e continua ad espandersi oggi. Crediti Gnixon,

Con le teorie proposte finora però risultava che gli universi prodotti in tal modo sarebbero altamente irregolari e caotici, in contrasto con le proprietà che invece osserviamo sperimentalmente nel nostro Universo, oltre che praticamente infiniti. Hawking, nel suo lavoro, tenta di risolvere proprio questo problema. Assumendo come valido tutto quanto detto finora (e in tal senso sembrerebbero persino esserci alcune, seppur incerte, evidenze sperimentali), egli utilizza il principio olografico, ovvero quel principio secondo il quale tutta l'informazione contenuta in un certo volume è desumibile dall'analisi della sua superficie. In altre parole, un po' quello che si fa quando si analizzano i buchi neri. Poiché non possiamo sapere in alcun modo ciò che accade al loro interno, assumiamo che l'informazione in esso contenuta sia tutta racchiusa dalla superficie dell'orizzonte degli eventi. Questo anche al fine di evitare la violazione di leggi fisiche come il secondo principio della termodinamica.

Abbinando questo principio a un modello di universo basato sulla gravità quantistica per la descrizione della forza di gravità, e su teorie quantistiche dei campi, per ciò che concerne le particelle elementari, l'analisi matematica fatta da Hawking ed Hertog parrebbe dimostrare che il caos di universi generati dalle fluttuazioni del multiverso si riduca a un ristretto numero di universi possibili, dotati di proprietà ben più regolari.

Non solo, le fluttuazioni e i fenomeni inflazionari avrebbero un effetto, come una sorta di eco, sulla radiazione di fondo cosmico che permea tutto il nostro Universo. Insomma, per farla breve, se riuscissimo a comprendere cosa cercare esattamente, dalla radiazione di fondo potrebbe essere possibile ritrovare le tracce della formazione di altri universi.

radiazione cosmica di fondo
Radiazione cosmica di fondo. Crediti: NASA/Goddard/WMAP Science Team 

Ovviamente non è tutto oro quel che luccica, come sempre quando si discute di argomenti del genere. Innanzi tutto perché il lavoro di Hawking affonda a piene mani in concetti presi dalla teoria delle stringhe, che a tutt'oggi non è provata e non unanimemente accettata dagli scienziati. Inoltre, si pone il problema, quasi filosofico, di cosa si intenda con Universo e Multiverso. In linea teorica infatti, un universo alternativo al nostro non dovrebbe poter essere in alcun modo in contatto causale con noi, e in particolare, non dovrebbe essere soggetto alle nostre leggi fisiche. Per questo, l'eventuale verifica di una teoria del genere potrebbe tecnicamente inficiare tutto l'apparato fisico-matematico su cui si basano le nostre conoscenze odierne.

Resta tuttavia la grandezza e lo sforzo di pensiero di un uomo che ha saputo probabilmente come nessun altro raccogliere una quantità di conoscenze al di là di ogni immaginazione, rielaborarle e sfruttarle per sondare i misteri del Cosmo e dell'esistenza stessa. E forse, chissà, avvicinandosi persino alla scoperta della verità, a quella teoria del Tutto che per tutta la vita ha costituito la sua più grande ambizione.

Ci mancherai, Stephen!  

 

Antonio D'Isanto è dottorando in astronomia presso l'Heidelberg Institute for Theoretical Studies in Germania. La sua attività di ricerca si basa sulla cosiddetta astroinformatica, ovvero l'applicazione di tecnologie e metodologie informatiche per la risoluzione di problemi complessi nel campo della ricerca astrofisica. Si occupa inoltre di reti neurali, deep learning e tecnologie di intelligenza artificiale ed ha un forte interesse per la divulgazione scientifica. Da sempre appassionato di sport, è cintura nera 2°dan di Taekwondo, oltre che di lettura, cinema e tecnologia. Collabora con Tom's Hardware per la produzione di contenuti scientifici.


Tom's Consiglia

Se gli argomenti accennati in questo articolo vi attirano leggete  La natura dello spazio e del tempo, un libro scritto da Hawking e Penrose che tratta di buchi neri, Big Bang, inflazione