Big Bang, inflazione e Multiverso (4/4)
L’inflazione è un fenomeno essenzialmente quantistico. Ne consegue che non può terminare in ogni punto dello spazio nello stesso istante. Ciò significa che l’inflazione è eterna: una volta cominciata, ci sarà sempre almeno una regione dello spazio in espansione esponenziale, da cui avranno origine nuovi Universi simili al nostro o differenti. Abitiamo pertanto un Multiverso in continua, inarrestabile espansione, formato da una struttura frattale di Universi non comunicanti
Se l’inflazione è vera, allora viviamo necessariamente in un Multiverso
Ben presto i fisici si accorsero che le prime versioni del modello inflazionario portavano a conclusioni che contrastavano con i dati osservativi: predicevano, per esempio, l’esistenza di un enorme numero di monopoli magnetici o di grandi disomogeneità nella struttura dell’Universo, di cui invece non vi era traccia.
Grazie agli sforzi di fisici teorici quali Alan Guth, Paul Steinhardt, Andreas Albrecht, Andrei Linde e Alexander Vilenkin, i primi modelli di inflazione furono così soppiantati entro la metà degli anni ’80 da nuovi modelli che non contraddicevano le osservazioni. Due di essi ebbero particolare successo: la cosiddetta nuova inflazione (per distinguerla dalla vecchia, cioè il modello proposto nel 1980 da Alan Guth) e l’inflazione caotica.
Senza entrare nei dettagli delle differenze specifiche tra le due teorie, quello che qui ci interessa è ciò che esse hanno in comune, cioè la più straordinaria delle previsioni: una volta cominciata, l’inflazione è eterna e conduce necessariamente all’esistenza di una “collezione” di Universi non comunicanti tra loro: un Multiverso!
Per capire come ciò sia possibile, occorre tenere presente un dato essenziale: tutte le forze, le particelle e le proprietà dell’Universo sono, nella loro essenza, di natura quantistica. Lo sono, pertanto, anche il campo scalare o i campi, se sono più di uno, da cui dipende l’inflazione. Ciò significa che la loro energia potenziale è soggetta a fluttuazioni quantistiche, il che conduce a conseguenze straordinarie. Seguiamo in proposito la spiegazione di Andrei Linde, il padre dell’inflazione caotica:
Come ho già detto, si possono visualizzare come onde le fluttuazioni quantistiche del campo scalare in un universo inflazionario. Inizialmente queste onde si muovevano in tutte le direzioni possibili, per poi bloccarsi l’una sopra l’altra; ciascuna onda bloccata incrementava leggermente il campo scalare in alcune parti dell’universo e lo diminuiva in altre.
Ora consideriamo quelle regioni dell’universo dove le onde che si bloccavano hanno costantemente aumentato il campo scalare; queste regioni sono estremamente rare, ma comunque esistono e possono avere un ruolo di grande importanza. I rari dominî dell’universo dove il campo riesce ad acquisire un valore abbastanza alto cominciano a espandersi esponenzialmente a velocità sempre crescente; più alto è il valore del campo scalare, più veloce è l’espansione. Ben presto, questi rari dominî raggiungono un volume molto superiore a quello di tutti gli altri.
Da questa teoria segue che, se l’universo contiene almeno un dominio inflazionario di dimensioni sufficienti, allora esso comincerà a produrre incessantemente nuovi dominî inflazionari. L’inflazione in ciascun dato punto può terminare rapidamente, ma molte altre regioni continueranno a espandersi; il volume totale di tutti questi dominî crescerà senza fine. Essenzialmente, da un universo inflazionario scaturiscono bolle inflazionarie, che a loro volta ne producono di nuove, e così via.
Questo processo, che ho chiamato inflazione eterna, continua come una reazione a catena, producendo una configurazione di universi simile a un frattale. In questo scenario l’universo nel suo complesso è immortale; ciascuna specifica parte di esso può derivare da una singolarità manifestatasi nel passato e potrà terminare in una singolarità nel futuro, ma non vi è alcuna fine per l’evoluzione dell’intero universo [Le Scienze n. 317, gennaio 1995, pag. 32].
Le fluttuazioni quantistiche di cui parla Linde implicano l’idea che l’energia potenziale del campo scalare che governa l’inflazione sia soggetta a un’incertezza ineliminabile. Da tale incertezza deriva che l’inflazione non può terminare nello stesso istante in tutti i punti dello spazio, perché, proprio per via di quelle fluttuazioni, due punti adiacenti possono avere valori del campo scalare anche molto differenti. In uno di quei punti l’inflazione terminerà, dando origine a un Big Bang e a un Universo come il nostro, mentre in un altro punto lo spazio continuerà a espandersi esponenzialmente, creando una nuova ramificazione di possibilità: uno (o più) luoghi in cui l’inflazione termina dando origine a un nuovo Universo e uno (o più) luoghi in cui invece l’inflazione va avanti. Il risultato inevitabile, una volta cominciata l’inflazione, è in ogni caso un Multiverso che si autoriproduce eternamente e cresce senza fine, punteggiato da “sacche” o “bolle” contenenti Universi come il nostro, riempiti di materia, antimateria e radiazione.
Ciascun Universo è separato da tutti gli altri da una quantità di spazio incommensurabilmente maggiore della sua estensione: è lo spazio in cui l’inflazione va avanti. Universi differenti non possono pertanto comunicare tra loro: le distanze sono così grandi che non c’è modo per inviare o ricevere segnali che passino da una “bolla” del Multiverso a un’altra.
L’inflazione eterna rappresenta perciò la fine del paradigma in cui l’Universo — quello in cui viviamo — è concepito come la totalità di tutto ciò che esiste. Se ammettiamo l’inflazione, e ci sono ottime ragioni per farlo, allora dobbiamo anche ammettere l’inflazione eterna e il Multiverso, come spiega Ethan Siegel in un capitolo del suo libro Beyond the Galaxy (la traduzione dall’inglese è mia):
[…] può essere seducente mantenere nella propria testa una visione classica dell’inflazione: cioè che in un certo momento del passato hai una regione di spazio che si espande esponenzialmente, che cresce, cresce, cresce sempre più, uniformemente, e poi all’improvviso l’inflazione termina contemporaneamente in tutti i luoghi, dando origine a un Big Bang generale. Ma questa visione è incompatibile con ciò che le leggi note della fisica ci dicono, una volta combinate con ciò che sappiamo dell’inflazione! Abbiamo invece una regione di spazio che si espande esponenzialmente, cresce e dà origine a un gran numero di nuove regioni. In alcune di esse l’inflazione termina (dando origine a un Big Bang), mentre in altre l’inflazione continua, producendo tante nuove regioni. In alcune di quelle nuove regioni, l’inflazione termina (dando origine a un Big Bang), ma in altre l’inflazione va avanti ulteriormente, creando sempre nuove regioni. Finché l’inflazione è sufficientemente veloce, questo processo può andare avanti per l’eternità. […] se l’inflazione comincia anche in una sola piccolissima parte dell’Universo, essa deve continuare in qualche luogo eternamente nel futuro. Certo, ci sarà un numero infinito di regioni come la nostra, in cui a un certo punto l’inflazione è terminata, dando origine a un Big Bang contenente materia, antimateria e radiazione; ma a separare ciascuna di quelle regioni individuali vi sono luoghi in cui l’inflazione continua. Con l’andare del tempo, è vero, sempre più regioni vedranno l’inflazione terminare. Ma l’espansione esponenziale crea abbastanza nuovo spazio, continuamente, da garantire che non mancheranno mai Big Bang caldi in luoghi indipendenti, disconnessi, del nostro Universo. Quando si parla di Multiverso, o dell’idea che il nostro Universo e ciò che possiamo osservare non sia tutto ciò che c’è là fuori, è l’ottima scienza dell’inflazione che conduce a questa inevitabile conclusione! [Ethan Siegel, Beyond the Galaxy (2016), pag. 274]
La cosa straordinaria è che il meccanismo dell’inflazione, pensato originariamente come un sottoinsieme degli eventi che si sviluppano a partire dal Big Bang, diventa alla fine l’elemento dominante in un processo cosmico di inconcepibile grandezza, all’interno del quale il nostro Universo, e il Big Bang che ne determina le caratteristiche, giocano tutto sommato un ruolo marginale. Scrive in proposito Andrei Linde nel 1995:
Che cosa sia avvenuto all’origine è incerto. Vi è la possibilità che tutte le parti dell’universo siano state generate simultaneamente in una singolarità iniziale, un big bang; tuttavia non è più indispensabile dare per scontata questa assunzione. Inoltre il numero totale di bolle inflazionarie sul nostro «albero cosmico» cresce esponenzialmente nel tempo. Pertanto la maggior parte delle bolle (compresa la nostra parte di universo) si allontana indefinitamente dal tronco dell'albero. Sebbene questo scenario renda l'esistenza del big bang iniziale quasi irrilevante agli effetti pratici, si può considerare il momento della formazione di ciascuna bolla inflazionaria come un nuovo «big bang». Da questa prospettiva, l'inflazione non è una parte della teoria del big bang, come si pensava 15 anni fa; al contrario, è il big bang a essere compreso all'interno del modello inflazionario [Le Scienze n. 317, gennaio 1995, pag. 32–33].
L’inflazione, insomma, non è più un contenuto del Big Bang, ma è il contenitore; e non di uno, ma di molteplici, probabilmente di infiniti Big Bang. C’è un’ironia di fondo in tutto ciò. Il modello teorico del Big Bang si è affermato in modo pressoché universale sul modello concorrente, quello dell’universo stazionario e della creazione continua, perché è in grado di spiegare dati osservativi quali la radiazione cosmica di fondo e l’espansione dell’Universo meglio dell’altro modello. Ma l’inflazione eterna, che tutto sommato è un’estensione del modello del Big Bang, si riappropria alla fine proprio delle due proprietà principali del modello concorrente alla teoria del Big Bang: l’eternità dell’Universo (anche se stavolta nella forma potenziata di Multiverso) e la creazione continua, che avviene ogni volta che in qualche luogo dello spazio l’inflazione termina e l’energia del suo campo scalare viene convertita nelle particelle di un nuovo Universo.
E c’è di più. Poiché nulla dell’epoca dell’inflazione è direttamente osservabile, non sappiamo quali e quanti campi scalari hanno effettivamente influenzato l’origine del nostro Universo né quali e quanti campi scalari stanno influenzando, forse proprio adesso, la nascita di altri Universi. Esiste però la possibilità che quei campi siano più d’uno e che le loro interazioni portino alla creazione di Universi con leggi fisiche completamente diverse da quelle esistenti nel nostro. È interessante leggere cosa scrisse al riguardo il “solito” Andrei Linde:
Si può ipotizzare qualcosa di ancora più strano? La risposta è sì. Finora abbiamo considerato il modello inflazionario più semplice, con un solo campo scalare dotato di un unico minimo di energia potenziale. Tuttavia i modelli realistici delle particelle elementari prevedono molti tipi di campi scalari. Per esempio, nelle teorie unificate delle interazioni deboli, forti ed elettromagnetiche esistono almeno altri due campi scalari, e l’energia potenziale di ciascuno di essi può avere parecchi minimi diversi. Questa condizione implica che nella stessa teoria possano esistere «stati di vuoto» diversi, corrispondenti a diversi tipi di rottura della simmetria fra interazioni fondamentali e, come conseguenza, a differenti leggi della fisica alle basse energie. […]
Simili complessità del campo scalare implicano che dopo l’inflazione l’universo può ritrovarsi suddiviso in tanti dominî esponenzialmente «gonfiati» che hanno differenti leggi fisiche alle basse energie. Si noti che questa suddivisione si verifica anche se l’intero universo ha avuto inizio nello stesso stato, corrispondente a un particolare minimo di energia potenziale. In effetti, grandi fluttuazioni quantistiche possono far sì che i campi scalari «balzino fuori» dai loro minimi di energia, come palline che escono da un incavo di un portauova per cadere in un altro. Ciascun incavo corrisponde a differenti leggi che regolano le interazioni fra particelle. In alcuni modelli inflazionari, le fluttuazioni quantistiche sono così intense che anche il numero di dimensioni dello spazio e del tempo può variare.
[…] Secondo questo scenario, ci troviamo in un dominio quadridimensionale avente certe leggi fisiche non perché l’esistenza di dominî con un numero diverso di dimensioni e con proprietà alternative sia impossibile o improbabile, ma semplicemente perché il nostro tipo di vita non può esistere in altri dominî [Le Scienze n. 317, gennaio 1995, pag. 32–33].
La teoria dell’inflazione, portata alle estreme conseguenze, impone di accettare la possibilità che l’Universo, o meglio il Multiverso, possieda proprietà che neppure il più fantasioso scrittore di fantascienza riuscirebbe a immaginare. Se, infatti, la congettura esposta da Linde è corretta, ci sarà almeno un Universo in cui anche la più impensabile possibilità si è già avverata o si avvererà in futuro, come annotò correttamente Alan Guth in un articolo del 2007:
In un universo eternamente in inflazione, tutto ciò che può accadere accadrà; in effetti, accadrà un numero infinito di volte. Pertanto, il problema di che cosa sia possibile perde di valore: ogni cosa è possibile, a meno che non violi qualche legge assoluta di conservazione [Alan H. Guth, Eternal inflation and its implications, 2007 J. Phys. A: Math. Theor. 40 6811].
In conclusione, lo scenario dipinto dalla teoria dell’inflazione ci pone a confronto con l’idea che la totalità di ciò che esiste sia non solo eterna, ma talmente vasta, ramificata e complessa, da superare la nostra stessa immaginazione, rimanendo peraltro al di fuori da qualsiasi possibilità di conoscenza diretta.
Forse solo l’idea che esista qualcosa e non il nulla è più strana e sconvolgente dell’idea di un Multiverso in continua espansione, inconoscibile nella sua totalità, quale emerge dalla teoria dell’inflazione eterna.
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