Buchi Neri e Origine della Vita secondo Lee Smolin

La Selezione Naturale Cosmologica

Da decenni, l’umanità si interroga sulla possibilità di altre civiltà intelligenti nell’universo. L’equazione di Drake suggerisce che la nostra galassia potrebbe ospitarne milioni, eppure non abbiamo ancora ricevuto alcun segnale.
Questo enigma, noto come paradosso di Fermi, ha dato vita a diverse ipotesi. Tra le più affascinanti, la teoria della selezione naturale cosmologica di Lee Smolin propone che gli universi si evolvano come organismi viventi, riproducendosi attraverso i buchi neri e favorendo condizioni adatte alla vita.

Facendo congetture ragionevoli circa i parametri che compaiono nell’Equazione di Drake – lo strumento matematico introdotto dall’astronomo americano Frank Drake nel 1961 per fornire una stima del numero di civiltà intelligenti nella nostra galassia – si arriva al risultato che, in questo preciso istante, ci potrebbero essere circa un milione di civiltà che cercano di comunicare tra cui molte sicuramente più avanzate della nostra ma, nella nostra ricerca di civiltà extraterrestri, ancora non abbiamo ricevuto alcun segnale. Questo paradosso – formulato da Enrico Fermi nel 1950 nel corso di un pranzo con Teller, York e Konopinski con la celebre domanda “Dove sono tutti quanti?”– non sta tanto nella non esistenza di civiltà extraterrestri, quanto piuttosto nel fatto che non incontriamo segnali di civiltà intelligenti mentre invece la nostra galassia, alla luce di congetture ragionevoli a partire dall’Equazione di Drake, dovrebbe brulicarne.
Da oltre mezzo secolo sono state proposte varie soluzioni al paradosso di Fermi. Tra le soluzioni che prevedono che gli alieni sono già stati qui ma non ce ne siamo accorti, in particolare, il regno della fisica teorica ci prospetta una linea di pensiero che, se dimostrata, proverebbe l’esistenza di molti altri universi tendenti allo sviluppo di civiltà extraterrestri tecnologicamente avanzate; una congettura ancora più ardita implica che sarebbe stata proprio una di queste civiltà a creare il nostro universo. Ciò che è veramente interessante è che questa teoria porta ad una previsione precisa che può essere testata.
Nell’ambito della ricerca di una teoria del tutto in grado di unificare tutte le forze della natura, abbiamo importanti indizi che portano ad un approccio teorico in cui i valori di tutta una serie di parametri (come le masse delle particelle elementari e l’intensità relativa delle forze fondamentali) devono essere inseriti “a mano”, cioè ad una teoria del tutto che non riesce a spiegare perché i parametri fondamentali hanno proprio i valori che osserviamo, il che significa che comporta l’esistenza di una moltitudine di universi possibili, ognuno dei quali avrebbe valori diversi per i vari parametri fondamentali. Ma per quali motivi i valori dei parametri fondamentali sono proprio quelli necessari alla vita?

Per rispondere a questo interrogativo esistono sostanzialmente tre linee di pensiero. Alcuni ritengono che tali valori siano stati disposti dal caso (ma, in base a calcoli eseguiti da Lee Smolin, fisico teorico del Perimeter Institute of Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, la probabilità di incappare in un insieme di parametri casuali che portino ad un universo favorevole alla vita è addirittura di 1 su 10 229). Un secondo approccio consiste nel prendere in considerazione il principio antropico, l’idea che i parametri sono regolati su valori così improbabili proprio allo scopo di permettere il venire all’esistenza di creature razionali come noi, ma molti scienziati si sentono a disagio con ragionamenti di questo tipo. Un terzo approccio, sostenuto da Smolin, consiste nell’applicare l’evoluzionismo darwiniano alla cosmologia: secondo Smolin, le costanti – e forse anche le leggi – della fisica si sono evolute fino alla forma attuale seguendo un processo simile alla mutazione e alla selezione naturale, sulla base di processi di generazioni di nuovi universi da parte di buchi neri che si formano in un universo.
Sulla base di questa visione, a livello cosmologico avrebbe luogo un processo analogo alla selezione naturale biologica: possono riprodursi solo gli universi che possiedono al loro interno il numero maggiore di buchi neri. In questo articolo, ci proponiamo di esplorare le prospettive introdotte da questo peculiare approccio cosmologico.

La Teoria di Smolin

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A partire dagli anni ’90, Lee Smolin ha sviluppato una vera e propria Teoria della Selezione Natura­le Cosmologica” in cui la cosmologia viene tratta­ta applicando le regole dell’evoluzione biologica. Nella visione di Smolin, si assume che il collasso di un buco nero originerebbe un nuovo universo le cui costanti fisiche (quali, ad esempio la velocità della luce) sono leggermente differenti da quelle dell’universo “madre”, un po’ come avviene con le mutazioni biologiche. Esistono perciò tanti universi quanti sono i buchi neri e, in questo processo evo­lutivo, avviene una selezione naturale degli universi in quanto, per alcuni di essi, non è possibile rag­giungere l’età necessaria per sviluppare buchi neri. In altri termini, possiamo dire che, in questa visio­ne, l’universo in cui viviamo sarebbe stato generato dalla formazione di un buco nero in un universo ge­nitore con costanti fisiche simili alle nostre e, inol­tre, gli universi con parametri tali da portare alla formazione di buchi neri saranno dominanti rispetto agli altri.
Ora, per quanto ne sappiamo, il modo più effi­ciente per un universo di produrre spontaneamente buchi neri è il collasso gravitazionale delle stelle. Per esempio, tramite il collasso stellare il nostro universo è in grado di formare 1018 buchi neri (e al­trettanti universi figli, secondo il modello di Smo­lin). Ci si aspetta quindi che universi contenenti innumerevoli stelle sono in grado di dare origine a una maggiore quantità di buchi neri e, come tali, avrebbero caratteristiche tali da consentire l’emer­gere di fenomeni complessi e, in particolare, della vita.

Nella teoria della selezione cosmologica di Smo­lin, le singolarità al centro dei buchi neri – le di­storsioni estreme dello spazio-tempo prodotte dal collasso gravitazionale di stelle di massa enorme, diverse volte quella del nostro Sole – possono es­sere considerate una controparte della singolarità cosmologica associata al Big Bang invocato dalla cosmologia standard per spiegare l’origine del no­stro universo: la singolarità al centro di un buco nero darebbe vita a un nuovo Big Bang e quindi ad un nuovo universo e, proprio come ogni nuova ge­nerazione negli esseri viventi diverge dalla prece­dente per pochi geni, che variano in modo casuale, allo stesso modo ogni nuovo universo che scaturi­sce dalla singolarità al centro di un buco nero, pur nascendo da un universo precedente, è diverso per pochi parametri fondamentali, che variano in modo casuale. Inoltre, su tutto questo multiverso agisce il principio della selezione naturale, nel senso che, proprio come per gli esseri viventi l’evoluzione fa sì che solo quelli più forti e adatti, che hanno ac­quisito un vantaggio competitivo, sono destinati a sopravvivere e a riprodursi, allo stesso modo per gli universi: tanto più un universo può generare altri universi-figlio, tanto più questo tipo di universo si diffonderà nel multiverso.
Pertanto, nella visione di Smolin, se la selezione
naturale cosmologica porta alla diffusione di uni­versi dove possono nascere le stelle e dove queste possono poi generare buchi neri a volontà, il punto cruciale è che la vita stessa sarebbe un mero sotto­prodotto della selezione naturale cosmologica. E, siccome esiste un vantaggio evolutivo nell’avere un universo i cui parametri abbiano valori tali da permettere la nascita delle stelle, gli universi come il nostro non sarebbero affatto rari, come finora ipotizzato, ma al contrario estremamente comuni e, come tali, potrebbero consentire la nascita e l’evo­luzione di forme di vita intelligenti come la nostra.
Non esiste però alcuna prova, al momento, che la formazione di un buco nero crei un universo diverso e in espansione. E, anche se accadesse, non siamo in grado di rispondere a molti interrogativi. Per esem­pio, come si modificano, precisamente, i parametri fisici alla nascita di ogni universo figlio? Finché non si disporrà di una completa teoria quantistica della gravità, non potremo nemmeno iniziare ad affrontare interrogativi come questo. Ciononostante, l’idea di Smolin ha un certo appeal: riesce a collegare idee scientifiche come l’evoluzione, la relatività e la te­oria quantistica per spiegare il rompicapo secolare dei valori dei parametri fondamentali della fisica. Per di più essa fornisce una predizione specifica, su cui testare la teoria: siccome viviamo in universo in grado di generare buchi neri e possiamo quindi assu­mere che i suoi parametri non si discostino dai valori ottimali per la formazione di buchi neri, un cambia­mento in uno qualsiasi dei parametri fondamentali porterebbe a un universo con meno buchi neri. Le conoscenze attuali di astrofisica non ci permettono però di determinare gli effetti di una variazione di tutti i parametri, anche se Smolin ha cercato di ela­borare alcune predizioni dalla sua teoria, eventual­mente verificabili sperimentalmente, come l’esisten­za di un limite superiore nella massa delle stelle di neutroni (pari a non oltre due masse solari).
Riflettendo sul perché le costanti fisiche sembrino essere esattamente tarate per lo sviluppo e il mantenimento della vita organica, a metà degli anni ‘90 Edward Harrison ha ulteriormente svi­luppato la visione di Smolin ipotizzando che, quan­do si dispone di una teoria cosmologica affermata, si potrebbe iniziare a credere che occorra favorire la nascita di più buchi neri possibile, per aumentare la probabilità che altri universi contengano vita in­telligente e che una civiltà tecnologicamente molto più avanzata della nostra potrebbe generare in labo­ratorio un enorme numero di buchi neri e, quindi, anche un universo con parametri fisici fondamenta­li molto simili ai nostri. Pertanto, Harrison sostie­ne che c’è la possibilità che il nostro universo sia stato generato da un buco nero creato da una civiltà extraterrestre tecnologicamente molto avanzata. In un articolo del 2010 anche L. Crane ha esplorato questa prospettiva, congetturando che civiltà tecno­logicamente avanzate potrebbero creare singolarità sia per scopi scientifici sia come risorsa di energia. Ci si può però chiedere: una tale civiltà extrater­restre in grado di creare universi paralleli avrebbe potuto far passare qualche messaggio attraverso la deflagrazione che ha creato un altro universo? Di per sé, l’idea che una civiltà extraterrestre possa aver trasmesso un messaggio è intrigante in quanto, se lo trovassimo, allora sapremmo che non siamo soli nel multiverso.

Sviluppi Recenti

Anche se la tesi di Smolin non ha riscosso il con­senso di molti fisici e cosmologi (per esempio, Stephen Hawking l’ha respinta più volte), alcune ricerche recenti hanno portato ad interessanti svi­luppi di quest’idea. Per esempio, due ricercatori di Oxford, l’evoluzionista Andy Gardner e il fisico teorico Joseph Conlon, hanno pubblicato nel 2013 uno studio in cui mostrano, usando gli strumenti matematici della biologia evoluzionistica, che l’i­potesi che l’universo abbia uno scopo, vale a dire quello di massimizzare la produzione di buchi neri per “garantirsi la discendenza”, è compatibile con la teoria di una selezione naturale cosmologica.

In un altro lavoro, pubblicato nel 2020 da Jef­frey M. Shainline del National Institute of Standards and Technology di Boulder, in Colorado, ci fornisce una nuova chiave di lettura che mostra in che senso i parametri dell’universo si sarebbero evoluti attraverso la selezione naturale per massimizzare la fecondità. Mentre Smolin ave­va suggerito che le stelle determinassero la produ­zione di nuovi universi attraverso i buchi neri pro­dotti dai collassi gravitazionali, Shainline sostiene che un universo può produrre molti più figli se la vita intelligente usa la tecnologia per convertire intenzionalmente l’energia in singolarità. Questo ragionamento porta all’ipotesi che i parametri del nostro universo siano stati sintonizzati attraverso l’evoluzione cosmologica per consentire alle stel­le, alla vita e alle tecnologie favorevoli di genera­re nuovi universi. Shainline sostiene che l’ipotesi di Smolin della selezione naturale cosmologica è il processo mediante il quale il nostro universo ha acquisito i suoi parametri e che la vita intelligente dotata di tecnologia avrebbe la capacità di produrre più buchi neri di quelli prodotti dalle stelle. Il core della suggestiva proposta di Shainline può essere riassunto nella seguente immaginifica storia: le stelle promuovono la vita, la vita crea tecnologia e la tecnologia realizza la riproduzione cosmologica.
La messa a punto delle tecnologie attraverso la selezione naturale cosmologica comporta, nella vi­sione di Shainline, non solo elettronica al silicio, ma anche superconduttori al niobio e altri materiali, infrastrutture criogeniche abilitate dalle proprietà termodinamiche dell’elio liquido, realizzazione di dinamo planetarie e costruzione di apparati tecno­logici su larga scala. L’ipotesi di Shainline richie­de parametri che soddisfino simultaneamente molti fattori concorrenti per massimizzare la fecondità.

Per concludere, studi come quelli di Gardner e Conlon e di Shainline, mostrano come la teoria del­la selezione naturale cosmologica sia densa di pro­spettive e, soprattutto, possa considerarsi una del­le più significative teorie scientifiche attualmente in circolazione per risolvere il dilemma antropico senza tirare in ballo altre ipotesi che metterebbero in crisi la visione del mondo condivisa dagli scien­ziati, secondo cui la nostra esistenza non ha nessun impatto nella comprensione dell’universo. Alla luce di questa suggestiva visione, se siamo qui, non lo dobbiamo né a un dio né a uno straordinario risul­tato del caso, ma ai buchi neri e alla loro capacità di generare nuovi universi e, anche se ancora siamo lontani dall’avere a disposizione dei test plausibili di questa teoria, immaginare che lassù tra le stelle vi siano i semi di nuovi universi rende il cosmo an­cora più affascinante di quanto già non sia.

BIBLIOGRAFIA
L. Crane, “Possible implications of the quantum theory of gravity: An in­troduction to the meduso-anthropic principle”, Foundations of Science, 15, 369 (2010).
A. Gardner and J.P. Conlon, “Cosmological natural selection and the pur­pose of the universe”, Complexity, 18, 5, pp. 48-56 (2013).
E. Harrison, “The natural selection of universes”, Quarterly J. Royal Astronomical Society, 36, pp. 193-203 (1995).
J.M. Shainline, “Does cosmological evolution select for technology?”, New Journal of Physics, 22, 073064 (2020).
L. Smolin, “The fate of black hole singularities and the parameters of the standard models of particle physics and cosmology”, arXiv:gr-qc/9404011 (1994).
L. Smolin, La vita del cosmo, Einaudi, Torino (1998).
F. Vanetti, “L’universo è un organismo vivente che si riproduce attraverso i buchi neri: l’audace teoria di un fisico americano”, corriere.it, 29 aprile 2024
S. Webb, Se l’universo brulica di alieni … dove sono tutti quanti?, Sironi, Milano (2018).

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L’articolo è pubblicato in COELUM 273 VERSIONE CARTACEA