Istruzioni, ad usum Delphini, sul concetto di multiverso, le sue diverse versioni e le sue implicazioni riguardo all’interpretazione della vita nella nostra regione di universo.
Nel corso della storia, la nostra concezione dell’universo si è progressivamente modificata e perfezionata, passando da un oggetto finito, di volume fisso e abbastanza ordinato, apparso in un momento ben preciso – il fatidico big bang – a una profusione disordinata ed eterna, l’idea di un universo uniforme che si espande e si evolve e che, agli albori, avrebbe subìto per breve tempo un’espansione rapida e accelerata, chiamata inflazione, in grado di generare regioni “pulite”, a bassa entropia, di favorire la comparsa di strutture come galassie, stelle, rocce. La teoria dell’inflazione, originariamente introdotta da Alan Guth nel 1980 e successivamente sviluppata in uno schema fecondo da Andrei Linde, ha mostrato che l’universo può essere visto come un sistema che si autoriproduce, caratterizzato non da un unico big bang ma da un insieme di big bang multipli.
Una proprietà cruciale dell’inflazione sta nel fatto che il campo che la genera deve evolvere in modo che a un certo punto la sua densità di energia del vuoto possa sparire, o trasformarsi in un altro tipo di energia. Come conseguenza di questo, risulta molto improbabile che l’inflazione si fermi dappertutto nello stesso istante ed è possibile, per esempio, che nel tempo necessario a raddoppiare il volume, se il processo in grado di fermare l’inflazione agisce solo in metà di spazio, globalmente l’inflazione può non finire mai. A questo proposito, molti cosmologi invocano l’idea di bolle di non-inflazione, ovvero di strutture che possono formarsi spontaneamente per via quantistica e che poi crescerebbero a spese del volume esterno che subisce l’inflazione ma che, pur espandendosi, consumano solo una frazione fissa dello spazio che subisce l’inflazione. In questo quadro, ne deriva così che, col passare del tempo, le regioni soggette o meno all’inflazione danno luogo a una distribuzione complessa di tipo frattale di stati diversi dello spazio-tempo e l’inflazione non esaurisce mai lo spazio da espandere in quanto genera di volta in volta il proprio spazio. Questo processo, denominato originariamente da Linde inflazione eterna, comporta che abbiamo a che fare con la formazione di infinite chiazze post-inflazionarie simili a palle di fuoco, generate da regioni che subiscono l’inflazione eterna, ciascuna delle quali è più grande del nostro universo osservabile. In virtù di questo processo infinito di creazione e autoriproduzione di chiazze post-inflazionarie, per usare delle parole di Linde, si può dire che “nella Sua saggezza Dio ha creato un universo che non ha mai smesso di generare universi di tutti i tipi possibili”1 . L’idea dell’inflazione eterna implica cioè che l’intero universo sia enormemente più grande e complesso – non solo per dimensioni ma anche per diversità di caratteristiche – rispetto all’universo che siamo in grado di osservare con i nostri strumenti.
Indice dei contenuti
Le due prospettive generali e il principio antropico
Basandosi su un pugno di teorie fondamentali, vale a dire meccanica quantistica, relatività generale e inflazione, la fisica arriva all’esistenza di un “multiverso” che si estende all’infinito nel futuro (e magari nel passato), non ha confini nello spazio e magari, se è valida una teoria simile a quella delle stringhe (la quale invoca sei-sette dimensioni addizionali dello spazio, piccole, arrotolate, nascoste, la cui geometria è definita da centinaia di parametri che possono variare con continuità da un punto a un altro e da cui derivano le varie costanti della natura che figurano nel Modello Standard della fisica delle particelle) esibisce proprietà sorprendentemente variegate nel senso che avremmo tanti universi paralleli, caratterizzati da diversi valori delle costanti fondamentali e da un diverso contenuto di campi e particelle. In questo quadro, sembra del tutto ragionevole ipotizzare che solo qualche universo generato dall’inflazione eterna contenga esseri senzienti e forme di vita basate sulle interazioni chimiche tra molecole tenute insieme dalle forze elettromagnetiche.
Ma l’esistenza del multiverso può anche essere vista da un prospettiva diversa. Si può supporre che l’inflazione non sia eterna, che dopo l’origine dell’universo l’inflazione agisca per un po’ e poi si interrompa. Allora, sotto queste ipotesi, lo stato iniziale dell’universo evolverà in una sovrapposizione di numerose possibilità e questi universi sovrapposti avrebbero proprietà classiche abbastanza diverse. Si avrebbe cioè un multiverso quantistico in cui la fisica può ammettere diversi valori di proprietà come le costanti fondamentali, ecc…
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Ad ogni modo, in entrambe le versioni dell’idea del multiverso, si giunge a una conclusione radicale: la complessità dell’Universo è talmente rilevante da generare quasi inevitabilmente regioni in cui possono esserci esseri dotati di pensiero, coscienza ed emozioni in grado di rendere l’universo importante e denso di significato. Ma diventa allora naturale porsi l’interrogativo cruciale: è proprio necessario considerare tutte le diverse ramificazioni dello stato quantistico o le diverse regioni del multiverso, se queste non sono abitate da forme di vita?
Per provare a rispondere a questo interrogativo, va enfatizzato che, storicamente, l’idea del multiverso è entrata in modo vigoroso nella comunità scientifica soprattutto a partire dal 1998, quando si è scoperto che l’universo si espande in maniera sempre più rapida. Infatti, l’accelerazione cosmica, oltre ad alimentare in modo vivace il dibattito sul multiverso, aprì le porte ad un ulteriore scenario, che poi avrebbe evidenziato un collegamento stretto con l’idea di un universo autoriproducente governato da un’inflazione eterna, un’eresia della fisica nota come principio antropico, ovvero il fatto che abitiamo in un universo “Riccioli d’oro”, in cui tutto è proprio “giusto” per la vita, che l’esistenza della vita impone che i valori dei parametri fondamentali dell’universo siano molto simili a quelli osservati. Se i molti ambienti cosmici di cui teorie come quella delle stringhe comportano l’esistenza si “materializzano” in modo diretto dal formalismo matematico, allo stesso tempo implicano che deve esserci un meccanismo sottostante per creare diversità in seno al cosmo. Benché vari scienziati ritengano che la teoria delle stringhe potrebbe colmare tutte le lacune esistenti nella descrizione matematica del cosmo aggirando il principio antropico, in realtà – al netto dei dati a disposizione – questo non pare possibile nel senso che dobbiamo prendere atto che questa teoria esige un multiverso in un quadro ineludibilmente correlato ad una cosmologia antropica. E il successo dell’inflazione nel descrivere l’universo comporta che le dimensioni dell’universo stesso siano molto più grandi di quelle osservabili, che la diversità cosmica possa essere molto più ampia di quella a noi conosciuta. Stringhe e multiverso inflazionario ci insegnano insomma che il biglietto da visita fondamentale dell’universo è l’eterogeneità, in un quadro in cui alcune sue caratteristiche sono di natura ambientale mentre altre sono determinate dal fatto che noi esseri umani ci possiamo vivere o meno.
Molteplicità o unità?
Alla luce della ricerca scientifica, ciò che rende interessante il concetto di multiverso non è tanto la sua origine quanto la possibilità che contenga una varietà di situazioni che presentano delle diversità l’una dall’altra. Sembra essere la diversità a rendere il multiverso degno di attenzione. Max Tegmark ha classificato le differenti versioni di multiverso in quattro livelli. Il livello I include semplicemente grandi regioni di spazio poste oltre l’orizzonte dell’universo osservabile. Il livello II è quello delle regioni che differiscono per le leggi fisiche valide localmente, e che potrebbero corrispondere alle bolle spazio-temporali generate dall’inflazione eterna. Il livello III corrisponde ai molti mondi che si originano in seguito alla ramificazione della funzione d’onda quantistica dell’universo. Per Tegmark ci sarebbe inoltre un multiverso di livello IV, associato all’insieme di tutte le strutture matematiche coerenti, ciascuna delle quali esistente come universo fisico.
Una classificazione ancora più dettagliata dei vari tipi di multiverso è stata inoltre proposta da Brian Greene il quale ha identificato almeno nove modi possibili di concepire un multiverso: multiverso patchwork (i mondi paralleli corrispondenti alle configurazioni di materia che si ripetono in uno spazio infinito), multiverso inflazionario, multiverso a brane (dato da membrane parallele che fluttuano in un’altra dimensione), multiverso ciclico (caratterizzato da big bang ciclici che si originano dalle collisioni tra mondi-brane), multiverso paesaggio (quello previsto dalla teoria delle stringhe), multiverso quantistico, multiverso olografico (secondo cui il nostro universo avrebbe un’immagine speculare su una brana lontana che lo delimita), multiverso simulato (secondo cui il nostro universo sarebbe una creazione digitale prodotta da un computer), multiverso estremo (l’unione di tutti i precedenti tipi di multiversi).
In ogni caso, se un multiverso esiste, il punto cruciale non è la categoria a cui appartiene. Un multiverso costituito da universi identici non è di alcuna utilità: come sottolineato opportunamente da Frank Wilczek, il problema della scienza è comprendere se esistono aspetti della realtà fisica che possono essere spiegati solo dalla nozione di multiversalità, ovvero dall’idea che in luoghi e in tempi diversi valgano leggi diverse. La maggior parte delle ricerche correnti sul multiverso si basa sull’idea che i vari membri del multiverso siano sostanzialmente differenti l’uno dall’altro. Molti fisici suggeriscono che il carattere distintivo del multiverso cosmologico sia la variabilità, da un universo all’altro, delle leggi e delle proprietà fisiche locali, nonostante la loro origine comune da un pugno di leggi fondamentali universali.
La diversità delle leggi fisiche locali è proprio il segno caratteristico di un multiverso di livello II nell’accezione di Tegmark, quello che secondo molti potrebbe essersi generato in seguito all’inflazione eterna. In quello scenario, in più regioni dell’universo primordiale si verificarono turbolenze energetiche che diedero origine a Big Bang multipli, da cui emersero bolle con proprietà fondamentali differenti. E l’insieme delle regioni che si differenziano per la fisica locale, si sposa alla perfezione con il paesaggio di proprietà variabili delle stringhe. 
È grazie alla diversità delle proprietà fisiche dei vari universi costituenti il multiverso che siamo in grado di usare il principio antropico per spiegare l’universo in cui viviamo. Partendo dall’idea della diversità delle condizioni all’interno del multiverso, Steven Weinberg e i suoi collaboratori hanno calcolato come mai il nostro cosmo contiene la quantità di energia “proprio giusta” per avere un ambiente capace di accogliere la vita e, in particolare, gli esseri umani. E ci sono anche alcuni aspetti fondamentali della fisica delle particelle, come l’esistenza degli stessi atomi, che non si riescono a spiegare senza invocare le implicazioni antropiche del multiverso, e proprietà del Modello Standard – segnatamente la massa del bosone di Higgs che conferisce massa alle particelle subatomiche – il cui valore risulta strettamente legato al dato osservativo dell’esistenza di forme di vita.
Secondo Weinberg, inoltre, c’è la possibilità che le differenti visioni di multiverso siano interdipendenti. Il multiverso inflazionario potrebbe essere correlato a quello delle stringhe e quest’ultimo potrebbe essere associato ai molti mondi della meccanica quantistica. In questo quadro, forse le differenti versioni di multiverso non sarebbero altro che manifestazioni specifiche di una concezione dell’universo più profonda e generale.
Nell’interpretazione della meccanica quantistica sviluppata da Jim Hartle e Murray Gell-Mann basata sulle cosiddette storie decoerenti, la realtà che percepiamo è un multiverso nel senso che racchiude un intero set di storie che differiscono tra loro a un livello troppo fine perché ce ne possiamo accorgere nell’ambito del nostro livello a “grana grossa” e, inoltre, la realtà può contenere altri set di storie distinti dal nostro, multiversi indipendenti che ne compongono uno ancora più grande, di livello superiore. Secondo Hartle, questo sistema di storie permette di spiegare quasi tutte le versioni di multiverso, in particolare, l’originarsi delle numerose bolle spazio-temporali, ciascuna con il suo insieme di valori delle costanti fondamentali, in seguito all’inflazione eterna. Hartle sostiene anche che, se uno associa i multiversi agli insiemi di storie quantistiche a grana grossa, non c’è più alcuna necessità di invocare un principio antropico come spiegazione ultima del perché le cose sono come sono: l’argomentazione antropica – secondo cui le condizioni devono essere compatibili con la nostra esistenza – emerge automaticamente dal calcolo delle probabilità associate alle osservazioni.
Una prospettiva alternativa?
Sulla base di una ricerca recente condotta da cosmologi delle università di Durham, Sidney e Western Australia, all’interno della teoria del multiverso, gli universi paralleli potrebbero ospitare forme di vita, proprio come avviene nel nostro, un dato nuovo e che pare in contraddizione con le teorie di cui disponiamo. I risultati sono stati pubblicati nel 2018 sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Gli scienziati delle tre università menzionate hanno cercato di capire come potrebbe essere il multiverso e quanta energia oscura potrebbe o dovrebbe effettivamente possedere senza impedire la presenza di vita. E la risposta ottenuta capovolge gli assunti precedenti: anche se vi fosse molta energia oscura in più, questo non avrebbe un impatto distruttivo sulla formazione delle galassie e potenzialmente della vita.
Se, secondo la teoria quantistica dei campi, la densità di energia del vuoto dovrebbe essere 10120 volte maggiore di quanto gli effetti che attribuiamo all’energia oscura – e quindi all’accelerazione dell’espansione dell’universo – ci mostrino, e se è vero che qualora la costante cosmologica – identificata un po’ impropriamente con l’energia oscura – fosse anche solo un po’ di più (o un po’ di meno) di quella che si osserva, una serie di condizioni ritenute necessarie allo sviluppo della vita verrebbero meno, e quindi se è vero che, al netto dei dati finora ottenuti, se siamo qui a osservare l’universo e a parlarne, è semplicemente perché, fra gli innumerevoli universi esistenti, è inevitabile che siamo ospitati da uno – uno dei pochi? – che può ospitarci, i risultati degli scienziati di Durham ridimensionano questa supposta unicità. La finestra di tolleranza, sulla base di questo studio, è più ampia di quanto si sia ritenuto finora, nel senso che anche una quantità di energia oscura centinaia di volte maggiore di quella registrata dalle nostre parti non sarebbe sufficiente a rendere “sterile” un universo. Insomma, pare che la vita possa esistere in tutto il multiverso e, quindi, che il nostro universo sarebbe solo uno dei tanti adatti a ospitare stelle, pianeti ed esseri viventi curiosi.
Si tratta di un risultato inatteso visto che finora si pensava che questi universi paralleli fossero del tutto inospitali e non presentassero condizioni favorevoli alla vita. Ma questo esito, naturalmente del tutto teorico, apre nuovi problemi fisici altrettanto complicati. Secondo Richard Bower, professore alla Durham University, se la presenza di ulteriore energia oscura non impedisce alle stelle di formarsi, per poter spiegare perché nel nostro universo ce ne sia così poca occorrono nuove leggi della fisica.
BIBLIOGRAFIA
A. Aguirre, Zen e multiversi. Un viaggio nella fisica tra monaci e imperatori, Raffaello Cortina Editore, Milano, 2020.
B. Greene, La realtà nascosta. Universi paralleli e leggi profonde del cosmo, Einaudi, Torino, 2017.
J. Hartle, “Quantum multiverses”, arXiv:1801.0863, 2018.
A. Linde, “Inflation and quantum cosmology”, in S. Hawking e W. Israel (a cura di), 300 years of gravitation, Cambridge University Press, Cambridge, 1987.
M. Malaspina, “Vivere nell’universo accanto”, https://www.media.inaf.it/2018/05/14/multiverso-lambda-vita/, 2018.
J. Salcido, R.G. Bower, L.A. Barnes, G.F. Lewis, P.J. Elahi, T. Theuns, M. Schaller, R.A. Crain e J. Schaye, “The impact of dark energy on galaxy formation. What does the future of our Universe hold?”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 477, pp. 3744-3759, 2018.
T. Siegfried, Il numero dei cieli. Una storia del multiverso e della ricerca per comprendere il cosmo, Bollati Boringhieri, Torino, 2020.
M. Tegmark, L’universo matematico. La ricerca della natura ultima della realtà, Bollati Boringhieri, Torino, 2014.
F. Wilczek, “Multiversality”, arXiv:1307.7376, 2013.
1.A. Linde, “Inflation and quantum cosmology”, in S. Hawking e W. Israel (a cura di), 300 years of gravitation, Cambridge University Press, Cambridge, 1987, p. 607.
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L’articolo è pubblicato in COELUM 274 VERSIONE CARTACEA
