Vuoto e nulla sono due sinonimi? La meccanica quantistica ci dice

Alla scoperta dei misteri della cosmologia quantistica - fisica
Vuoto e nulla sono due sinonimi?
La meccanica quantistica ci dice di no!
La conseguenza di tale distinzione?
Una nuova teoria sulle origini e lo
sviluppo dell’Universo
di Cesare Cazzaniga
2
Le Scienze
Cesare Cazzaniga è uno studente,
appassionato di fisica, del 5° anno di
liceo scientifico al Collegio Villoresi San
Giuseppe di Monza.
E-mail: [email protected]
Lo spazio-tempo curvato dalla Terra provoca
l’attrazione gravitazionale sulla Luna (in rosso).
e
A
lbert Einstein, uno dei più grandi oppositori1 che la meccanica quantistica2 abbia mai
avuto, eppure, paradossalmente, uno dei fisici che contribuì maggiormente alla
costruzione delle fondamenta di tale stravagante teoria, dove i gatti possono essere sia
vivi che morti e le particelle possono viaggiare indietro nel tempo3, fu il primo a
sospettare che il vuoto non fosse realmente tale4. Nel 1916, il fisico tedesco pubblicò la
sua celeberrima teoria della gravitazione: la Relatività generale. La teoria prevede che
lo spazio e il tempo siano legati indissolubilmente formando così un tessuto chiamato spazio-tempo.
Tutto ciò che conosciamo, è immerso in questo tappeto elastico spaziotemporale che viene deformato
dalla materia e dall’energia. Ecco che emerge la gravità come un effetto di deformazione dello spaziotempo: la materia e l’energia dicono al nostro tappeto elastico come incurvarsi, quest’ultimo dice a esse
come muoversi. Se l’intero Universo fosse pieno di materia, e così è, allora dovrebbe accartocciarsi su se
stesso originando una singolarità, in altre parole un gigantesco buco nero nel quale lo spazio-tempo
stesso si smembra, però questo fortunatamente non succede: Einstein suppose che il vuoto che riempie il
Cosmo dovesse possedere dell’energia5, legata a una costante chiamata da Einstein costante
cosmologica, per controbilanciare perfettamente l’effetto di attrazione gravitazionale e permettere a noi
di osservare l’Universo com’è, pertanto prevalentemente piatto dal punto di vista dello spazio-tempo
nella regione da noi osservabile, e secondo Einstein anche statico ed eterno, quindi né in espansione né
in collasso bensì da sempre nella stessa condizione di equilibrio6. Nel 1929, Edwin Hubble dimostrò che
l’Universo è in espansione: Einstein definì l’energia del vuoto come il suo più grande errore. È morta
così questa misteriosa energia? O, è una scomparsa per un ritorno in grande stile? Che ruolo avrebbe, se
esistesse, questo vuoto ribollente di energia nel nostro Cosmo? E, l’Universo ha mai avuto un inizio, e
da cosa? O è esistito da sempre immutato come Einstein sosteneva? Cosa c’è oltre la regione che noi
possiamo osservare? È qui che entra in gioco la strampalata meccanica dei quanti!
1
Einstein, riferendosi alla meccanica quantistica e alle sue leggi probabilistiche, disse: “Dio non gioca a dadi”.
Teoria dell’infinitamente piccolo basata su principi probabilistici in contraddizione con il senso comune e la Relatività stessa.
3
Riferimento al paradosso del gatto di Schrödinger e alle antiparticelle.
4Il vuoto non è il nulla, ovvero assenza di ogni cosa come generalmente si pensava.
5Questa energia è chiamata energia del vuoto (conosciuta anche come energia oscura) e permette al vuoto di avere una
tensione che secondo Einstein agisce come una gravità repulsiva evitando al Cosmo il collasso e mantenendolo immobile. La
tensione del vuoto è legata a una costante introdotta da Einstein chiamata costante cosmologica (Λ).
6Einstein era molto attratto dall’idea di un Cosmo ingenerato per non affrontare così il problema della Creazione.
2
1
Le Scienze
Un vuoto … mezzo pieno
Pendoli e Heisenberg. Le onde che trasportano energia,
come quelle elettromagnetiche, sono costituite da campi
che possono essere visti come pendoli oscillanti. Il principio
d’indeterminazione di Heisenberg afferma che è impossibile
trovare il pendolo in posizione perfettamente verticale, e
pertanto il campo con una intensità nulla. La posizione del
pendolo sarà data da una distribuzione di probabilità
massima vicino alla verticale nello stato fondamentale. Un
campo mai nullo indica valori di energia mai nulli: il vuoto,
grazie al principio di Heisenberg, sembra ribollire di energia
e lo spazio-tempo, allo stesso modo, a scale molto piccole
sembra essere agitato, quasi schiumoso, si parla di schiuma
spaziotemporale. Questo spazio-tempo frenetico è ancora
tutto da scorprire, e formulare leggi in tale scenario
potrebbe essere molto complesso. La schiuma
spaziotemporale potrebbe essere un’altra sorpesa del
principio di Heisenberg.
PROVE
Effetto Casimir
Nel 1948, il fisico Hendrik Casimir dimostrò che le
fluttuazioni quantistiche del vuoto esistono e sono
misurabili. Dispose due piastre metalliche, tra le quali creò
il vuoto, a distanza di pochi micron, suppose che la densità
di energia delle fluttuazioni del vuoto all’esterno delle
piastre fosse maggiore che all’interno: questa differenza di
densità avrebbe generato una attrazione tra le piastre
come verificato sperimentalmente. Il vuoto è pieno di
energia!
2
Le Scienze
Nel 1927, Werner Heisenberg enunciò uno dei
principi fondamentali della meccanica quantistica: il
principio d’indeterminazione. Tale legge somma del
mondo dell’infinitamente piccolo afferma che non è
possibile conoscere, contemporaneamente e con
accettabile accuratezza, la posizione e la velocità di
una particella, insomma: il mondo quantistico è
dominato da leggi probabilistiche come il gioco dei
dadi!
Il principio d’indeterminazione regna incontrastato
nello stravagante panorama quantistico, e anche
l’energia, pertanto, dovrà rispettarlo. L’energia
viene traghettata da un punto all’altro dello spaziotempo sotto forma di onde, ad esempio onde
elettromagnetiche. Queste onde sono costituite da
campi7 che si comportano come pendoli oscillanti, la
posizione del pendolo determina l’intensità del
campo, la velocità del pendolo definisce la rapidità
con cui il campo varia. L’intensità del campo e la
sua velocità di variazione saranno nulle quando il
pendolo si trova in posizione verticale, ma questo è
impossibile per il principio d’indeterminazione in
quanto avendo una delle grandezze considerate ben
definita, l’altra sarà completamente indeterminata.
Il risultato: esistono ovunque campi variabili con
intensità diversa da zero, ciò significa che l’energia
in qualsiasi punto del nostro Universo non è mai
nulla, nel vuoto stesso avvengono delle piccole
fluttuazioni che discostano il valore dell’energia
dallo zero8. La fisica quantistica ci dimostra che il
vuoto non equivale al nulla, né corrisponde a spazio
puramente vuoto, il vuoto riempie lo spazio-tempo,
che anch’esso a scale piccole sembra divenire
frenetico9, di energia fluttuante che, secondo le
moderne teorie delle particelle, è visualizzabile come
una miriade di coppie particella-antiparticella che
nascono in un punto dello spazio-tempo, si separano
e, infine, si abbracciano annichilandosi10: il nulla
sembra essere bandito dalle leggi della fisica. Ecco
che, grazie alla fisica quantistica, lo spirito del vuoto
può rientrare trionfalmente nel Teatro del Cosmo!
7
Nelle onde elettromagnetiche, come la luce, i campi
oscillanti sono il campo elettrico e il campo magnetico.
8Queste fluttuazioni dell’energia minima del vuoto sono
chiamate fluttuazioni quantistiche di punto zero.
9
A scale molto piccole lo spazio-tempo sembra divenire quasi
schiumoso, si parla di schiuma spaziotemporale.
10Tali
particelle sono dette virtuali perché non sono
rilevabili per la loro vita brevissima.
La Prima Alba, ma non l’Inizio …
Immaginate il nostro Cosmo in espansione come
un palloncino che viene gonfiato, la Relatività
generale non ci indica una sola possibile evoluzione
del nostro palloncino nel futuro, ma diverse: il
palloncino potrà continuare a gonfiarsi oppure potrà
sgonfiarsi. Per quanto riguarda il passato del nostro
palloncino, la Relatività è molto chiara: siccome ora
è in espansione, prima doveva essere sicuramente
più piccolo. Portando indietro la lancetta del tempo
sempre di più, infine, troveremo un Universo
piccolo, terribilmente caldo e molto denso simile a
una palla di fuoco: per il periodo precedente, e per
quello coincidente all’esplosione originante la palla
infuocata, la Relatività invoca la singolarità11.
La teoria standard del Big Bang12 afferma che tutto
ciò che noi oggi conosciamo, ha avuto inizio da una
grande esplosione primordiale, il Big Bang, che
originò una sfera incandescente di particelle, la quale
avrebbe incominciato a espandersi, a raffreddarsi
formando così gradualmente gli atomi semplici, le
stelle e gli atomi pesanti, le galassie e tutti i corpi
celesti. Nel 1965, ci fu la prima prova sperimentale a
favore della teoria: venne rilevata la radiazione
emessa ai tempi del disaccoppiamento materiaenergia13 dopo l’esplosione primordiale. La
radiazione dell’Universo neonato è stata mappata
più volte e ancora oggi viene studiata sempre più nel
dettaglio, rivelandoci anche nuove sorprese. La
teoria sembrava funzionare, e non richiedeva una
costante cosmologica Λ predicendo un’espansione
cosmica decelerante nel tempo, alcuni problemi,
però, la affliggevano: in primo luogo, non prevedeva
lo scambio di energia tra le regioni del Cosmo
primordiale, pertanto, non spiega l’uniformità della
radiazione cosmica di fondo, inoltre non venivano
chiariti il perché della piattezza dello spazio-tempo
dell’Universo osservabile e la sua espansione
accelerata14 dimostrata nel 1998. In definitiva, la
teoria non spiegava cosa è esploso, com’è esploso e
cosa l’ha fatto esplodere, urlava solo: è esploso!
Insomma, tutto il Cosmo era nato da un’esplosione
misteriosa e apparentemente senza ragione alcuna!
11Singolarità:
la Relatività generale non vale più a densità di
materia infinite e a scale piccole: lo spazio-tempo ha
curvatura infinita e collassa in un punto. Ciò indica un Inizio.
12Formulata da menti come A. Fridman, G. Lemaître, G.
Gamow, S. Hawking e R. Penrose a partire dal 1927.
13 Prima materia ed energia erano saldamente unite.
14
Ciò presupponeva una costante cosmologica non nulla.
L’Universo palloncino. Il nostro Universo complessivamente
può essere visto come un palloncino che viene gonfiato e si
espande nel tempo (le galassie sono in bianco). La geometria
del Cosmo osservabile è definita piatta perché il suo spaziotempo non tende ad accartocciarsi nel tempo. La sua fine potrà
essere un collasso (favorito dalla teoria del Big Bang) o una
morte termica per continua espansione (favorita da altre
teorie come quella dell’inflazione) .
Teoria del Big Bang. Questa teoria sostiene che l’Universo
iniziò quattordici miliardi di anni fa con un’esplosione (Big
Bang) originante una sorta di palla infuocata primordiale
piena di materia ed energia in espansione decelerante nel
tempo (𝜦 = 𝟎). La teoria, però, oltre ad avere alcuni
problemi, non spiegava il perché dell’esplosione e
dell’espansione dell’Universo delle origini, voleva solo dirci
com’era la palla di fuoco. Inoltre, l’espansione decelerata non
giustificava la piattezza dello spazio-tempo nella regione da
noi osservabile del Cosmo. Nel 1998 fu dimostrato che
l’espansione del Cosmo sta accelerando: l’energia del vuoto
ritorna (𝜦 ≠ 𝟎)!
PROVE e PROBLEMI
Mappatura termica della Prima Alba. Nel 1965, Arno Penzias
e Robert Woodrow Wilson rilevarono, attraverso il loro
radiometro, una radiazione debole che aveva la stessa
intensità in qualunque punto del cielo: era la luce emessa
dopo l’esplosione primordiale, in seguito alla formazione di
atomi semplici, arrivata fino a noi! Oggi questa luce è
chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde, e
attualmente possiede una temperatura media di 2,725 K con
qualche anisotropia, ovvero fluttuazione termica; tale
radiazione è stata più volte mappata (in figura). Uno dei
problemi della teoria del Big Bang è giustificare l’uniformità
della radiazione e le anisotropie stesse.
3
Le Scienze
FONDAMENTI e DETTAGLI
INFLAZIONE
Mr. Field. Andrei Linde s’immaginò il decadimento del falso vuoto, in
rapida espansione (grazie alla sua tensione), che riempie il piccolo Universo
sferico primordiale, in vero vuoto, che riempie il Cosmo di oggi, guidato da
una pallina chiamata campo scalare (in figura). La pallina, dopo aver vagato
casualmente per la cima della collina energetica, siamo nello stato di falso
vuoto, comincia a muoversi lentamente, in direzione di una lieve pendenza,
nel frattempo il falso vuoto in espansione esponenziale più veloce della
luce (questo è possibile per lo spazio-tempo) chiamata inflazione, ha già
cominciato a decadere in quanto instabile, formando bolle di vero vuoto
(secondo fisici come E. Tyron le bolle sarebbero sostanzialmente delle
fluttuazioni del falso vuoto nella schiuma spaziotemporale), tra le quali
anche la nostra, rassomiglianti a bolle di vapore anch’esse in inflazione
nel falso vuoto stesso in inflazione, la quale potrà anche essere eterna.
Seguiamo la nostra bolla: la pallina arriva al punto di maggiore pendenza e
accelera, l’inflazione cosmica continua, infine il campo raggiunge il minimo,
oscilla creando onde gravitazionali, e scarica la propria energia in una
calda palla di fuoco di particelle nella bolla di vero vuoto che finisce così la
sua fase d’inflazione. Il risultato? Un Cosmo enorme (questo ne giustifica
l’omogeneità) che supera la grandezza della regione osservabile, caldo, in
espansione
accelerata, omogeneo e vicino alla piattezza (grazie
all’inflazione e all’espansione accelerata successiva), pieno di vero vuoto: il
nostro Cosmo! In sostanza, l’inflazione dello spazio-tempo pieno di falso
vuoto ha causato l’origine e l’inflazione del nostro Cosmo-bolla! Questa
visione si accorda bene con la moderna Teoria delle stringhe. La domanda,
però, è: perché il campo si trovava in cima alla collina?
Il dominio del vuoto prima del Bang
Nel 1980, Alan Guth formulò una nuova teoria che
pose fine ai problemi e alle aporie della cosmologia
del Big Bang: la teoria dell’inflazione. Secondo tale
teoria noi viviamo in una bolla in espansione
accelerata piena di vero vuoto, ovvero vuoto a bassa
energia, ma l’Universo primordiale non si trovava in
tale stato. All’inizio vi doveva essere uno spaziotempo di forma sferica (con un raggio di un cento
trilionesimo di centimetro) pieno di falso vuoto, un
vuoto ad alta energia: solo un granello di falso
vuoto, grazie alle sue proprietà antigravitazionali,
sarebbe stato sufficiente a iniziare l’espansione
esponenziale più veloce della luce dello spazio-tempo
sferico, detta inflazione. Il falso vuoto, essendo però
instabile per la sua alta energia, avrebbe
incominciato il decadimento, in maniera analoga
all’acqua quando bolle in una pentola, ad uno stato
di minima energia formando delle bolle di vero
vuoto (a bassa energia) tra le quali anche la nostra,
esplose anch’esse in un’inflazione. Completato il
decadimento in vero vuoto l’inflazione della nostra
bolla, come in altre, si sarebbe fermata innescando
così un’omogenea palla di fuoco di particelle nella
Cosmo-bolla in espansione accelerata (questa,
4
Le Scienze
PROVE
Polarizzazione della radiazione cosmica. Nel Marzo del 2014, gli
astrofisici John Kovac e Caho-Lin Kuo, a capo di un vasto gruppo
di ricerca statunitense, hanno esposto una prova schicciante
sull’inflazione cosmica. Studiando la radiazione cosmica di fondo
si sono accorti di una determinata polarizzazione della luce
dell’Universo neonato (in figura), tale orientamento della
direzione d’oscillazione dei campi dell’onda elettromagnetica
sarebbe da imputare a delle increspature dello spazio-tempo,
chiamate onde gravitazionali, provocate dall’inflazione del
nostro Cosmo e previste dalla Relatività Generale di Einstein. Le
onde gravitazionali ci hanno portato la testimonianza del Cosmobolla prima dell’emissione della luce primordiale modificandone
la polarizzazione!
Altre prove a favore dell’inflazione si pensa che risiedano nelle
anisotropie della radiazione cosmica di fondo, queste
fluttuazioni termiche sarebbero spiegabili attraverso oscillazioni
del campo scalare nel paesaggio energetico a collina appiattita
di Linde durante l’inflazione e avrebbero permesso alle galassie
e alle stelle di nascere.
insieme all’inflazione permetteva uno spazio-tempo
non collassante nel futuro, ovvero piatto) garantita
dall’energia del vero vuoto: la cosmologia
inflazionaria imposta la teoria del Big Bang,
introduce una costante cosmologica non nulla che
spiega l’espansione cosmica accelerata e predice
l’esistenza di un Universo a più mondi15! Nel 1982,
Andrei Linde descrisse con precisione il decadimento
del falso vuoto per evitare spiacevoli collisioni tra
bolle inevitabili nella teoria di Guth; introdusse
anche l’ipotesi di un falso vuoto eternamente in
inflazione che decade e crea bolle cosmiche in
inflazione che porta con sé come universi isola
infiniti: l’inflazione complessivamente non si ferma,
si arresta solo nelle bolle16. Restano, però, alcune
domande e dubbi: da dove viene il granello di falso
vuoto? Perché il falso vuoto ha una densità di
energia alta e massima prima di decadere? Inoltre, la
singolarità in coincidenza dell’esplosione prevista
dalla teoria del Big Bang si spostava a prima
dell’inflazione del falso vuoto: cosa significava tutto
ciò … un periodo precedente all’inflazione stessa?
15
16
Un Super-Universo costituito da tante bolle cosmiche.
Teoria dell’inflazione eterna (anche di A. Vilenkin).
Aldilà dello spazio e del tempo
La vecchia teoria del Big Bang ci dice che tutto ciò
che osserviamo ha avuto origine da un’esplosione
originante una caldissima palla di fuoco cosmica
circa quattordici miliardi di anni fa. La teoria
dell’inflazione ha mostrato che da un granello di
materiale antigravitazionale poteva nascere ed
espandersi una palla di fuoco: il falso vuoto spiega il
Big Bang primordiale e le condizioni della palla di
fuoco dopo l’inflazione del nostro Cosmo-bolla! Cos’è
successo prima dell’inflazione dell’intero Universo
che ha originato anche la nostra bolla nella quale ora
l’inflazione si è fermata? Da dove ha avuto inizio lo
spazio-tempo contenente il falso vuoto che
originerebbe il nostro Cosmo-bolla? Cosa c’era prima
dello spazio e del tempo? Vi è una Causa ultima della
realtà? Se sì, quale? Tutte queste sembravano
domande destinate a rimanere senza risposta.
Torniamo un attimo all’inflazione: lo spazio-tempo
iniziale pieno di falso vuoto e di forma
approssimativamente sferica doveva avere un certo
raggio per incominciare l’inflazione che avrebbe
portato alla nascita anche del nostro Cosmo-bolla, se
il raggio fosse stato più piccolo di quello previsto, lo
spazio-tempo sarebbe inevitabilmente collassato in
una singolarità poiché la forza di attrazione
gravitazionale avrebbe superato la forza repulsiva
del falso vuoto in accordo con la Relatività generale.
Inoltre, tra lo spazio-tempo ricolmo di falso vuoto
con raggio sotto la soglia prevista e quello con il
raggio “giusto” c’è una barriera energetica
invalicabile. Insomma, la teoria di Einstein ci indica
un Inizio, ma poi smette di valere crollando
nell’incoerenza
della
singolarità
precedente
all’inflazione, classicamente e matematicamente
ingestibile: una singolarità che cela l’Inizio.
Nel 1982, Alexander Vilenkin, cosmologo russo,
propose una risoluzione quantistica geniale ai
problemi della singolarità e dell’Inizio. Vilenkin si
accorse che la sfera di falso vuoto a raggio minore
poteva anche non collassare grazie ad un asso nella
manica della fisica quantistica, che interviene in
nostro aiuto quando la Relatività perde significato:
l’effetto tunnel. Questo fenomeno consiste nel fatto
che un oggetto quantistico, come una particella, o
nel nostro caso la piccola sfera di falso vuoto, possa
passare spontaneamente con una certa probabilità
attraverso una barriera energetica pur non avendo
l’energia sufficiente per farlo. In tale modo la sfera
di falso vuoto con raggio piccolo avrebbe potuto non
collassare in una singolarità e per tunneling
diventare grande a sufficienza per iniziare
l’inflazione. C’è, però, qualcosa di più: Vilenkin notò
che facendo avvicinare lo stato iniziale dell’Universo
sferico pieno di falso vuoto allo zero, pertanto
facendo tendere il raggio iniziale a valore nullo, la
probabilità dell’effetto tunnel non diminuiva e la
matematica si semplificava. Ecco che l’Universo
poteva essere nato dal nulla per poi arrivare alle
densità di energia e alle dimensioni giuste per
l’inflazione, secondo Vilenkin eterna, tramite
tunneling quantistico. Le questioni sull’Universo
iniziale e la singolarità sembravano sparite: il Cosmo
ha avuto inizio per effetto tunnel dal nulla! Cos’è,
però, effettivamente il nulla? E, da dove viene?
Il nulla di cui parla Vilenkin è assenza di materia e
di energia, è assenza di spazio e di tempo: in quanto
tale il nulla non ha bisogno di essere generato. Se nel
nulla il tempo non esiste, è con la nucleazione
dell’Universo, quindi alla fine del tunneling, che il
tempo nasce. Le domande che riguardano il prima
dell’Inizio non hanno senso giacché prima dell’Inizio
non vi era un prima, non vi era tempo: il tempo
nasce con l’Universo! Allora gli scettici potrebbero
chiedersi quale sia la causa del tunneling … ebbene,
la risposta è semplice: non vi è causa in quanto nel
mondo quantistico il rapporto causa-effetto perde di
significato.
Il nulla, in definitiva, è veramente il candidato
numero uno per spiegare cosa c’era aldilà dello
spazio e del tempo eppure, allo stesso tempo, il nulla
sembra essere una fonte senza limiti dalla quale
tutto può uscire: l’energia stessa potrebbe comparire
dal nulla, il che è proibito da tutte le leggi
immaginabili … c’è sfuggito qualcosa?
.
Diagramma spaziotemporale di Vilenkin per il tunneling dal nulla.
Per comprendere il grafico bisogna immaginare una sfera che
aumenta di dimensioni. La parte scura rappresenta il tunneling
dal nulla e non presenta singolarità, ovvero regioni appuntite,
bensì una regione semisferica. Il tempo durante il tunneling si
comporta come una dimensione spaziale, per questo è detto
euclideo o immaginario. L’Universo sferico aumenta di raggio
durante il tunneling, nuclea (emerge dal nulla) e nasce il tempo. La
parte chiara del grafico indica l’inflazione.
5
Le Scienze
Il limite creativo del nulla
La potenzialità generatrice del nulla non può
essere illimitata perché, in caso contrario, si
potrebbe vedere l’energia nascere dal nulla, il che è
impossibile per ogni legge della fisica. Detto ciò, non
sarà certo sfuggito a nessuno il fatto che l’Universo
primordiale pieno di falso vuoto è stato definito più
volte sferico, ebbene in questa forma della geometria
solida si trova il tassello che completa il mosaico
della Genesi dal nulla. Vilenkin disse a tal proposito:
“È un fatto matematico ben noto che l’energia
totale di un Universo chiuso è sempre uguale a zero
in quanto l’energia della materia è positiva e quella
della gravità è negativa”. Ciò significa che non vi è
bisogno di alcuna energia per generare un Universo
chiuso, se vogliamo approssimativamente sferico,
dal nulla, e ciò che non è vietato dalle leggi di
conservazione, in meccanica quantistica è
strettamente obbligatorio, deve necessariamente
avvenire! Questa legge che lo stesso nulla deve
rispettare farà si che alla fine del tunnel avvenga la
nucleazione solo di Universi chiusi, molti di questi
Universi non saranno altro che barlumi nei quali
non inizierà il processo d’inflazione e non si
svilupperanno osservatori, tale processo inizierà solo
in corrispondenza di una densità d’energia del falso
vuoto massima e di dimensioni abbastanza piccole
dell’Universo chiuso appena nucleato. La
probabilità del tunneling è massima proprio per un
Universo chiuso, nucleato con la massima energia
del vuoto, un Universo infinito e aperto ha
probabilità zero di nucleare: non tutto può nascere
dal nulla, solo ciò che è consentito dalle leggi di
conservazione, può! In sostanza, la nucleazione
dell’Universo è la formazione di uno spazio-tempo
chiuso dal nulla, Vilenkin usò il termine
“fluttuazione quantistica dal nulla” per descrivere la
nucleazione; e considerando lo scenario stesso della
collina appiattita di Linde, l’Universo nuclea in
corrispondenza della sommità della collina, dove
l’energia della densità del falso vuoto è massima e
può iniziare così l’inflazione e la formazione dei
Cosmi-bolla tra i quali il nostro. Ecco che alla
domanda: da dove ha avuto inizio l’Universo? Noi
possiamo rispondere tranquillamente: dal nulla!
Una mirabile visione oltre la boccia
di vetro
Lo scenario di Vilenkin del tunneling dal nulla, che
non ha per ora conferme sperimentali, completa
l’idea straordinaria che possiamo farci dell’Universo
6
Le Scienze
nella sua totalità, un quadro che va ben oltre la
regione osservabile della bolla in cui siamo confinati
come piccoli pesci rossi ignari. L’Universo potrebbe
essere nato dal nulla e con esso anche lo spazio e il
tempo. Appena nucleato l’Universo era piccolissimo
(un raggio di un cento trilionesimo di centimetro
come già accennato), denso ma pieno di falso vuoto
alla massima energia. In una frazione di secondo
l’Universo sarebbe esploso nella furia inflazionaria, il
falso vuoto, decadendo, avrebbe generato Universibolla in inflazione. Seguiamo la nostra bolla: finita
l’inflazione, si sarebbe originata un’uniforme palla di
fuoco di particelle (tutto questo grazie alle
oscillazioni del campo scalare) nella nostra bolla
piuttosto estesa e in espansione accelerata. Il
raffreddamento della palla di fuoco ha portato alla
formazione di tutto ciò che conosciamo in un lasso di
tempo piuttosto lungo (miliardi di anni per
intenderci!). La nostra bolla, che non è osservabile
interamente, e potrebbe anche essere infinita, vive
insieme ad altre moltissime bolle, irragiungibili per
noi, nel falso vuoto che, secondo gli ultimi modelli
inflazionari come quello dell’inflazione eterna,
continuerebbe a essere in espansione furibonda.
Questa espansione potrebbe anche non fermarsi mai
e altre bolle potrebbero comparire: l’Universo ha
avuto inizio dal nulla ma complessivamente
potrebbe essere eterno nel futuro!
Super-Universo in inflazione eterna nato dal nulla. Il falso vuoto in
inflazione trasporta universi-isola a forma di bolla come il nostro
(non potremo mai uscire dal nostro Cosmo-bolla). Il confine tra gli
Universi-isola, probabilmente infiniti, e il mare inflazionario è ciò
che chiamiamo Big Bang (l’origine del tempo), questo è originato
dall’inflazione dello spazio-tempo pieno di falso vuoto che decade.
Nelle bolle orginate dal decadimento del falso vuoto, dopo un
periodo d’inflazione, si forma una palla di fuoco di particelle. Lo
spazio-tempo che racchiude tutti gli Universi-isola è nato dal nulla, e
forse ce ne sono anche degli altri. Inoltre, se il rapporto tra volume
occupato dagli universi-isola e il volume totale dell’Universo fosse
costante, si potrebbe dire che l’Universo sia stazionario.
Conclusioni … indefinite
La visione cosmologica è cambiata profondamente
dai tempi di Einstein e della successiva teoria
standard del Big Bang, il vuoto e il nulla sono i due
maggiori protagonisti della svolta che ha portato ad
una nuova concezione del Tutto che va ben oltre
ogni nostra possibile aspettativa e immaginazione.
Vuoto e nulla non sono due sinonimi, in accordo con
la meccanica dei quanti, sono due entità ben
distinte, ed entrambi sono fondamentali per spiegare
lo sviluppo e la nascita dell’Universo. Il vuoto vive
nello spazio-tempo e possiede una determinata
densità di energia, senza di esso non si potrebbe
spiegare l’inflazione dell’Universo, l’espansione
accelerata e la nascita del nostro mondo, che
sembrerebbe coesistere insieme ad altri illimitati
mondi da noi non osservabili e raggiungibili. Invece,
il nulla non risiede in uno spazio-tempo, il nulla non
possiede energia né possiede materia, proprio per
questo è il candidato principale a spiegare l’Inizio e
cosa vi era “prima” dell’Universo. Eppure, come può
il nulla essere accettato dalla meccanica quantistica?
La fisica quantistica prevede che ci sia sempre un
valore di energia minima diverso da zero anche nel
vuoto: l’energia sembra che debba sempre esistere!
Possiamo immaginare che lo spazio-tempo sia come
un contenitore, il contenitore non potrà mai
rimanere completamente vuoto, in esso ci deve
essere sempre energia, anche la minore possibile, ma
non ci potrà mai essere un’energia del vuoto nulla.
Immaginiamo, ora, che il contenitore non esista,
ebbene, non sarà richiesta alcuna energia per
riempirlo: l’energia non è necessaria se non esiste
uno spazio-tempo per contenerla. Allo stesso modo,
se non vi fosse nulla che accade, se non vi fosse nulla
da misurare, che senso avrebbero lo spazio e il
tempo?
Questo porta a un’unica conclusione: il nulla può
esistere in quanto tale, e la meccanica quantistica
non lo impedisce. Non vi è alcuna prova
sperimentale a riguardo, ma la totalità
dell’Universo, in linea di principio, può essere nata
dal nulla: l’Universo potrebbe essere la causa di se
stesso, e questo eviterebbe infinite scomode
domande su cosa è la causa di cosa.
Ciò nonostante, proviamo a pensare all’ipotesi del
tunneling dal nulla: il nulla, come disse Vilenkin
stesso, non può essere assolutamente nulla. Il fatto
che l’Universo possa essere nato dal nulla per effetto
tunnel presuppone che il nulla fosse sottoposto alle
leggi della meccanica quantistica, il che significa che
“là” nel nulla esistevano già delle leggi!
Pertanto, sono le leggi stesse che danno forma allo
scenario della Genesi dal nulla e impongono un
limite: non tutto può nascere dal nulla, solo ciò che è
consentito dalle leggi, può.
Ciò vorrebbe dire che la matematica stessa, ancora
incompleta17, sulla quale si fondano le leggi
probabilistiche della fisica quantistica, che ora noi
abbiamo nella nostra mente confusa, esisteva già
prima del tempo e dell’Universo: i numeri
potrebbero esistere da sempre e costituire il principio
creativo!
Einstein stesso credeva fortemente che la
matematica alla base delle leggi fisiche fosse il
principio primo della realtà, tuttavia le leggi che
aveva in mente erano decisamente più
deterministiche e certe nelle loro previsioni rispetto a
quelle che ci hanno portato alle nostre conclusioni:
per Einstein nelle leggi vi doveva essere certezza, e
non probabilità.
I bizzarri principi della meccanica quantistica, che
per la loro illogicità e indeterminatezza Einstein
stesso non riusciva ad accettare, e che ciò nonostante
sembrano esistere da sempre, secondo la concezione
odierna gettano le basi dell’infintamente grande,
dell’Universo nella sua armoniosa e complessa
totalità, ed è proprio interrogandoci sul significato di
questo stravagante e imprevedibile gioco di dadi che
il nostro intelletto naufraga dolcemente nel mare
eterno del mistero.
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Il sogno dei fisici da più di mezzo secolo è quello di
trovare un’unica teoria che spieghi Tutto. Ogni tentativo di
costruire una teoria quantistica unificante tutte le forze in
natura per ora è stato vano: la maggiore difficoltà si trova
prorpio nell’unire la matematica e i concetti della teoria
quantistica con la Relatività di Einstein.
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Le Scienze
Bibliografia
Saggi:
A. Vilenkin, Un solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, Raffaello Cortina Editore, 2007.
A. Einstein, Relatività.Esposizione divulgativa, Bollati Boringhieri editore, 1960.
M. Kaku, Iperspazio, Macro Edizioni, 2002.
S. Hawking, L’universo in un guscio di noce, Mondadori, 2002.
S. Hawking, Il grande disegno, Mondadori, 2012.
S. Hawking, R. Penrose, La natura dello spazio e del tempo, BUR Rizzoli, 2002.
Articoli:
A. H. Guth, The inflationary Universe: a possible solution to the horizon and flatness problems, Physical Review,
1981.
A. D. Linde, Eternally existing self-reproducing chaotic inflationary universe, Physiscs Letters, 1986.
A. Vilenkin, Creation of universes from nothing, Physics Letters, 1982.
A. Vilenkin, Quantum origin of the universe, Nuclear Physics, 1985.
Siti intenet:
https://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05
http://now.tufts.edu/articles/beginning-was-beginning
http://web.stanford.edu/~alinde/
http://web.mit.edu/physics/people/faculty/guth
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