2 Le Scienze

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

1 Le Scienze

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 spazio-

tempo: 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!

1Einstein, riferendosi alla meccanica quantistica e alle sue leggi probabilistiche, disse: “Dio non gioca a dadi”. 2Teoria dell’infinitamente piccolo basata su principi probabilistici in contraddizione con il senso comune e la Relatività stessa. 3Riferimento 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.

A

Cesare Cazzaniga è uno studente,

appassionato di fisica, del 5° anno di

liceo scientifico al Collegio Villoresi San

Giuseppe di Monza.

E-mail: cazzanigacesare@yahoo.it

e Lo spazio-tempo curvato dalla Terra provoca l’attrazione gravitazionale sulla Luna (in rosso).

2 Le Scienze

Un vuoto … mezzo pieno 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 spazio-

tempo 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!

7Nelle 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. 9A 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.

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!

3 Le Scienze

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 materia-

energia13 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. 14Ciò presupponeva una costante cosmologica non nulla.

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.

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)!

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 spazio-tempo 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) .

4 Le Scienze

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 spazio-

tempo 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,

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 Un Super-Universo costituito da tante bolle cosmiche. 16 Teoria dell’inflazione eterna (anche di A. Vilenkin).

FONDAMENTI e DETTAGLI PROVE INFLAZIONE

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 Cosmo-bolla 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.

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?

5 Le Scienze

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.

6 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

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 Universi-

bolla 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.

7 Le Scienze

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.

17Il 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.

8 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