Destino ultimo dell'universo

Il destino ultimo dell'universo, ovvero la questione se l'universo sia destinato a finire, e in caso affermativo come e quando si concluderà la sua evoluzione, è un tema fortemente dibattuto nella storia dell'umanità. Nel contesto della scienza moderna, esistono diverse teorie in merito.

Per le concezioni mitologiche, religiose e filosofiche vedi la voce Escatologia.

Teorie scientifiche sulla fine dell'universo

Fino a tempi piuttosto recenti, anche la visione scientifica dell'Universo era quella di un'esistenza eterna e senza cambiamenti. Dopo la scoperta di un Universo in espansione ad opera di Edwin Hubble all'inizio del XX secolo, la nozione di un inizio e, di conseguenza, di una fine fu all'improvviso soggetta all'investigazione scientifica.

Le teorie basate sul Big Bang possono essere divise in tre gruppi principali:

• quelle per cui, nonostante le osservazioni, l'universo è eterno come prima si pensava: la teoria dello stato stazionario e l'Universo oscillante
• quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ma non avrà una fine vera e propria: la morte termica dell'Universo e il Big Rip (Grande Strappo)
• quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ed avrà una fine ben definita: il Big Crunch.

Il primo gruppo non è discusso in questo articolo, perché nega l'idea stessa di una fine dell'Universo. In queste teorie, qualche tipo di attività significativa può durare per sempre.

Tutte le teorie devono conciliarsi con la relatività generale, che fornisce uno sfondo teorico comune per le speculazioni cosmologiche. La maggior parte di queste teorie sono soluzioni delle equazioni della relatività generale, cambiando parametri come la densità media, la costante cosmologica, e così via.

Ruolo della forma dell'universo

Nel modello del Big Bang, il destino ultimo dell'universo dipende dalla sua forma, e dall'ammontare dell'energia oscura in esso presente.

La geometria dell'universo è determinata dal valore di Ω, sia questo minore, uguale o maggiore a 1.

Universo chiuso

Se Ω>1, la geometria dello spazio è chiusa come la superficie di una sfera. La somma degli angoli di un triangolo è maggiore di 180 gradi e non esistono rette parallele; tutte le rette si incontrano ad un certo punto. La geometria di questo universo è, su larga scala, ellittica.

In un universo chiuso, quando manca l'effetto repulsivo dell'energia oscura, la gravità fermerebbe l'espansione dell'universo, che inizierebbe quindi a collassare in un'unica singolarità (Big Crunch) analoga al Big Bang. Ad ogni modo, se l'universo contiene una grande quantità di energia oscura (come suggerito da recenti scoperte), l'espansione può continuare indefinitamente anche se Ω>1.

Universo aperto

Se Ω<1, la geometria dello spazio è aperta, curva negativamente come la superficie di una sella. Gli angoli di un triangolo sommati danno un valore minore di 180 gradi, e le rette che non si incontrano non sono mai equidistanti; hanno un punto di distanza minima e continuano a separarsi. La geometria dell'universo è iperbolica.

Anche senza energia oscura, un universo curvo negativamente si espande indefinitamente, rallentando di poco il suo moto a causa della forza di gravità. Con l'energia oscura l'espansione non solo è continua, ma è pure in accelerazione. Le possibilità circa il destino ultimo di un universo aperto sono o il Big Freeze (e quindi una morte termica), o il Big Rip, in cui l'accelerazione provocata dall'energia oscura diventa così forte che supera gli effetti delle forze gravitazionale, elettromagnetica e nucleare debole.

Universo piatto

Se la densità media dell'universo è esattamente uguale alla densità critica, ovvero Ω=1, allora la geometria dell'universo è piatta: come nella geometria euclidea la somma degli angoli di un triangolo è di 180 gradi, e le parallele sono sempre equidistanti e non si incontrano mai.

Senza energia oscura, un universo piatto si espande per sempre ad un ritmo decrescente, raggiungendo asintoticamente lo zero. In presenza di energia oscura invece, l'espansione rallenta inizialmente, ma aumenta in seguito. Il destino ultimo di un universo piatto è simile a quello di un universo aperto: la morte termica, cioè un "Big Freeze", o il Big Rip. La maggior parte dei dati astrofisici sono interpretati come parte di un universo piatto.

Teorie sulla fine dell'universo

Il destino dell'universo è determinato dalla densità dell'universo, come visto sopra. La maggior parte delle prove raccolte finora, basate su misurazioni della velocità d'espansione e della densità di massa, sostengono che l'universo non collasserà, poiché spinto dall'energia oscura, una forza disgregante che per ora è più potente della materia oscura e della gravità, che sono invece forze attrattive.

Universo con esistenza apparentemente finita

Teorie

Big Freeze e morte termica

Il Big Freeze è uno scenario in cui la continua espansione provocherebbe un universo troppo freddo per sostenere la vita. Potrebbe avvenire nel caso di una geometria piatta o iperbolica, poiché tali sistemi sono condizione necessaria per la continua espansione dell'universo.

L'universo raggiungerebbe uno stato di massima entropia in cui tutto risulterebbe essere omogeneo e non vi sarebbero gradienti. Per esempio, questa è una possibile cronologia, basata sulle teorie fisiche contemporanee, di un universo aperto che va incontro ad una morte termica:

• 10¹⁴ anni: tutte le stelle si sono raffreddate
• 10¹⁵ anni: tutti i pianeti si sono separati dalle stelle
• 10¹⁹ anni: la maggior parte delle stelle si è separata dalle galassie
• 10²⁰ anni: le orbite di ogni tipo sono decadute a causa delle onde gravitazionali
• 10³¹ anni: decadimento del protone, se le teorie di grande unificazione sono giuste
• 10⁶⁴ anni: i buchi neri stellari evaporano in base al processo di Hawking
• 10⁶⁵ anni: tutta la materia è diventata un liquido allo zero assoluto
• 10¹⁰⁰ anni: i buchi neri supermassicci evaporano in base al processo di Hawking
• 10¹⁵⁰⁰ anni: tutta la materia decade in ferro (se il protone non è decaduto prima)
• 10^{100 000 000 000 000 000 000 000 000} anni ($10^{10^{26}}$): limite inferiore perché tutta la materia venga inglobata in buchi neri
• 10^{10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000} anni ($10^{10^{76}}$): limite superiore perché tutta la materia venga inglobata in buchi neri.

Alla fine la materia e l'energia si dissolveranno anch'esse, i buchi neri assorbiranno il restante, evaporando poi tramite la radiazione di Hawking; solo i fotoni continueranno ad esistere, senza gravità. Alcuni scienziati, che accettano il modello, sostengono che il tempo si fermerà e si annulleranno le dimensioni e le distanze. Questa teoria è basata sulla costante di Hubble, ed è sostenuta da molti fisici, tra cui Alexei Filippenko; era considerata verosimile anche da Margherita Hack. Con il multiverso, è la teoria oggi più diffusa fra i fisici teorici. Stephen Hawking ha abbandonato qusta teoria, che pure ha contribuito a elaborare, affermando che non si può affermare che l'universo ha avuto un vero inizio o che avrà una vera fine.

Big Rip: tempo infinito, vita finita

Nel 2003, la rivista inglese New Scientist pubblicò un articolo di Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski e Nevin N. Weinberg in cui essi, in base ad alcune osservazioni, facevano l'ipotesi che la fine dell'universo possa avvenire come un "Big Rip" (Grande Strappo), che distruggerebbe la struttura fisica dell'universo.

In un universo aperto, la relatività generale prevede che questo avrà un'esistenza futura indefinita, ma che raggiungerà una condizione in cui la vita, come la intendiamo noi, non potrà esistere. In questo modello la costante cosmologica causa un'accelerazione del ritmo di espansione dell'universo. Portata all'estremo, un'espansione costantemente accelerata significa che ogni oggetto fisico dell'Universo, a partire dalle galassie per finire con gli esseri umani individuali, i batteri e i granelli di sabbia, sarà alla fine fatto a pezzi e quindi ridotto a particelle elementari non legate tra loro. Lo stato finale sarà un gas di fotoni, leptoni e protoni (o solo i primi due se il protone decade) che diventerà sempre meno denso. Le implicazioni finali possono essere le stesse del Big Freeze: un universo freddo e inerte per sempre o qualcosa di nuovo.

Big Crunch: tempo finito, vita finita

Il Big crunch

La teoria del Big Crunch è una visione simmetrica della vita dell'Universo. Così come il Big Bang ha iniziato un'espansione cosmologica, questa teoria suppone che la densità media dell'Universo sia sufficiente a fermare l'espansione e ad iniziare una contrazione cosmica. Il fisico Andrej Linde è possibilista su questa teoria.

Non si sa bene quale sarebbe il risultato: una semplice estrapolazione vedrebbe tutta la materia e lo spazio-tempo dell'Universo collassare in un punto matematico, una singolarità gravitazionale adimensionale, ma a queste scale occorrerebbe considerare gli effetti della meccanica quantistica, ignorati dalla relatività generale. Alcuni usano quest'opportunità per postulare un universo oscillante, che inizia di nuovo ad espandersi (vedi anche: Gravità quantistica).

Questo scenario non elimina la teoria che il Big Bang fosse preceduto da un Big Crunch di un universo precedente. Se ciò avviene ripetutamente si ha un universo oscillante. L'universo potrebbe quindi consistere di un'infinita sequenza di universi finiti, ognuno dei quali finito con un Big Crunch coincidente con il Big Bang del successivo. Sarebbe a questo punto inutile distinguere un Big Bang da un Big Crunch, e si parlerebbe di singolarità ricorrenti.

Dopo la fine dell'universo: può esistere un'eternità di nulla?

Gli universi "genitori" e gli universi "figli" e gli universi paralleli

Secondo alcuni, come Stephen Hawking (Buchi neri e universi neonati), i buchi neri assorbiranno tutto quello che rimane, e, forse, potranno dare origine, con tutta la materia assorbita, ad un corrispondente buco bianco e, quindi, a nuovi universi. Hawking afferma anche che possono essere nati moltissimi universi contemporanei, dei quali solo alcuni adatti alla vita, a causa della legge di probabilità (teoria M, legata al multiverso e alla teoria delle stringhe: cfr. paragrafi successivi), che tuttavia non sono nati da tanti Big Bang (nel senso di esplosioni).

La teoria "evoluzionistica", è sostenuta anche da Lee Smolin, pur con le sue specificità. I lampi gamma dei buchi neri vengono paragonati a segnali dell'universo originario o "genitore".

Ciclico ed eterno: la Cosmologia ciclica conforme di Penrose

Dipinto ad olio di Urs Schmid (1995) raffigurante una tassellatura di Penrose

Il modello della Cosmologia ciclica conforme (CCC) è stato proposto dal 2001 in poi da Roger Penrose. Secondo Penrose, un tempo sostenitore della teoria del "nulla prima del Big Bang" (che sostituì quella sostenuta dal suo maestro, Dennis Sciama, la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e altri), afferma nel libro Dal Big Bang all'eternità che l'infinitamente piccolo allora - forse - equivarrà all'infinitamente grande, e l'universo apparentemente freddo e morto potrebbe così dare origine, per effetto dell'annullamento delle leggi fisiche precedenti, ad un nuovo Big Bang (la bassa entropia sarebbe la stessa della nascita del primo universo), anche se diverso da quello della teoria del Big Bounce. L'attuale universo sarebbe uno degli infiniti "eoni" (ognuno della durata di 10¹⁰⁰, ovvero 1 seguito da 100 zeri, un numero chiamato Googol) che costituiscono l'eterno universo. Penrose afferma che la prova sarebbe contenuta nella radiazione di fondo, e nelle onde concentriche scoperte in essa, che sarebbero i residui materiali degli universi precedenti. Le onde gravitazionali distorcono la trama dello spaziotempo e, secondo Penrose e il suo collega Vahe Gurzadyan, lasciano traccia del loro passaggio in forma di questi anelli concentrici. Inoltre si afferma che non ci può essere un inizio (singolarità), se prima non c'è qualcosa. Queste onde sarebbero visibili nelle mappe della radiazione fossile del satellite WMAP e sono state confermate dal satellite Planck, che secondo alcuni fisici avrebbe fornito una prima prova dell'esistenza di universo precedente (anche se ha fornito anche la prova che probabilmente la teoria dell'inflazione, respinta da Penrose, sarebbe invece attendibile).

Penrose, fisico di lunga data, amico e collaboratore di Hawking, sostiene con convinzione che, se rimangono solo i fotoni e la materia rimane inerte allo stato di subparticelle, si fermerà il tempo, poiché i fotoni non hanno massa sufficiente. Se si ferma il tempo e lo spazio, lo spaziotempo cessa di esistere, le sue leggi anche e l'universo enorme e dilatato, diverrà equivalente a un universo microscopico, e, per effetto delle leggi di conservazione della materia e della massa, produrrà un nuovo universo.

Penrose si spinge ad affermare che l'universo in accelerazione è la spinta di un futuro Big Bang o comunque una rinascita dell'universo. L'energia oscura, forza disgregante poco conosciuta ma contemplata dall'attuale modello cosmologico standard, sarebbe una forza complementare alla gravità e alla materia oscura, che in alcuni modelli quantistici, da attrattiva diventa anch'essa respingente, e viceversa potrebbe accadere all'energia oscura, senza che vi sia la contrazione dell'universo come nel Big Crunch. Penrose sostiene che la sua teoria sia l'unica che possa far coincidere tutti i dati raccolti e le formulazioni teoriche come la radiazione di Hawking, a differenza delle altre, come il Big Freeze, il Big Bounce, l'inflazione eterna, e i vari modelli degli universi infiniti, che giudica teorie incomplete e con forzature fisiche e matematiche, nonché incongruenze legate alla geometria dello spaziotempo (da cui il termine "conforme") - un esempio di questa "geometria perfetta" (Penrose cita come padre della "geometria conforme" Eugenio Beltrami) è la cosiddetta tassellatura di Penrose - e all'entropia dell'Universo. Questa teoria è proposta come un primo embrione di una teoria del tutto.

Molti astrofisici però non condividono queste affermazioni, sostenendo che si debba provare come abbiano fatto le presunte onde gravitazionali del precedente universo, che sarebe esistito quasi 14 miliardi di anni fa (dove si fermano le conoscenze attuali), a sopravvivere al Big Bang. Questa teoria è inoltre una variante, anche se diversa in molti punti, dell'universo oscillante proposto anche da Albert Einstein (vedi paragrafi successivi), e sminuisce l'importanza del Big Bang, che tuttavia non viene eliminato. Penrose ha tratto ispirazione per la teoria, confermandola poi dalle sue osservazioni e calcoli, anche da concezioni filosofiche (egli è anche un filosofo, autore di controverse teorie, la più nota è la "coscienza quantica") come quella di Nietzsche (eterno ritorno) o artistiche (Maurits Cornelis Escher, amico di famiglia dello scienziato inglese).

Universo con esistenza infinita

Multiverso e universo che rimbalza: nessuna vera fine

Multiverso e stringhe

Lo scenario del multiverso (o dell'universo parallelo) vuole che, mentre il nostro universo sia di durata finita, questo sia uno di tanti universi. La fisica del multiverso potrebbe permettere a questo di esistere indefinitamente. In particolare, altri universi potrebbero essere soggetti a leggi fisiche diverse da quelle del nostro universo; questo è collegato alla teoria delle stringhe e delle brane, sostenuta da Michio Kaku, Gabriele Veneziano, Neil Turok e molti altri., Con il Big Freeze, è oggi la teoria più diffusa negli ambienti dei fisici teorici. In quanto simile agli infiniti universi di Smolin, i critici del multiverso affermano che non ci sono evidenze o che sarebbe un'applicazione fuori sede, e forzata, delle teorie biologiche di Charles Darwin.

L'inflazione caotica e gli infiniti universi nelle bolle

Nella teoria delle bolle, sostenuta da Andrej Linde riprendendo alcune teorie del passato, ogni bolla inflazionaria di questa "schiuma quantica" è invece un universo (come il nostro), collegato ad altri universi tramite i wormhole teorizzati da Einstein; alcuni di questi universi sono abitabili, altri no, e ognuno ha la sua storia ed evoluzione specifica, passata e futura. Linde chiama questo modello, scherzosamente, "universo a formaggio svizzero". L'inflazione teorizzata da Linde è chiamata inflazione caotica o inflazione eterna. Oltre l'universo osservabile, lo spaziotempo può essere ancora in uno stato di inflazione, con altri universi “bolla” che si formano ogni volta che in qualche punto l'inflazione si ferma. Se il nostro universo fosse l'unico esistente, si avrebbe quindi bisogno di una spiegazione scientifica del perché sembra così ben calibrato per consentire un certo ordine e la vita biologica. Se invece non è che uno dei tanti esistenti, ognuno di essi può avere parametri differenti e differenti costanti, e solo a un universo (o a pochi) è capitato di avere valori tali che hanno permesso la vita. Alcuni risultati di osservazione e sperimentazione confermerebbero a grandi linee questa teoria, verificando la teoria inflazionistica, tramite le onde gravitazionali, che conduce, secondo Linde e Alan Guth, alla variante di un multiverso a bolle. Il nostro universo (o la parte da noi visibile e osservabile, che non è che una piccolissima zona dell'esistente) può quindi spegnersi nel Big Freeze o "distruggersi" in un Big Rip o Big Freeze, ma questo non accadrà in altre zone del multiverso (o dell'universo stesso).

L'universo ciclico del grande rimbalzo

Il Big Bounce ("grande rimbalzo"), riproposizione della vecchuia teoria sostenuta da Einstein dell'universo oscillante, prevede che la gravità faccia contrarre ed esplodere l'universo all'infinito. Propone nuovi tipi di gravitazione, come la gravità quantistica a loop (teoria già sviluppata da Lee Smolin), o il fatto che l'energia oscura si possa esaurire. Sostenitori di questa teoria sono Param Singh, Martin Bojowald, Leonardo Fernández e Ruth Lazkoz, che rifiutano (specialmente Singh, che ha elaborato una nuova matematica della gravità a metà tra la quantistica e la relatività generale) la teoria della singolarità.

Falso vuoto

Se il vuoto non è lo stato a minore energia (un falso vuoto quindi), potrebbe collassare nello stato a minore energia. Ciò prende il nome di disastro della metastabilità del vuoto. Questo fatto cambierebbe completamente il nostro universo; le costanti fisiche potrebbero avere valori diversi, che altererebbero le basi della materia. Anche la già citata inflazione eterna è collegata a questo concetto.

L'inflazione è la prova del multiverso a bolle?

Come detto, il 17 marzo 2014 gli astrofisici John Kovac e Chao-Lin Kuo, dell’Università di Harvard (Boston), hanno presentato alcune prove che l’universo, dopo il Big Bang, ha subìto una inflazione. Sono le evidenze che trasformano l’ipotesi dell’universo inflazionario in una teoria verificata sperimentalmente, il che, secondo Andrej Linde, Alan Guth e altri (non coinvolti direttamente con lo studio, ma che hanno formulato la fisica teorica inflazionaria), è la prova che i calcoli teorici della teoria dell'inflazione eterna e caotica (non un esplosione o un inflazione ordinata, ma una dilatazione iniziale superiore a quella della velocità della luce), la base per la teoria delle bolle che generano eternamente universi (in quanto espansi con velocità differenti), sono veritieri. L'energia oscura sarebbe una delle forze di questo fenomeno.

La perfezione cosmica di alcune leggi, atte a favorire la nascita della vita, spingerebbe quindi a scegliere, secondo la maggioranza dei fisici, o la teoria probabilistica degli universi infiniti (simile all'evoluzionismo), o la teoria dell'universo progettato apposta (quindi una sorta di creazionismo o disegno intelligente): la seconda non è però scienza ma fede (come nelle teorie del fisico cattolico Antonino Zichichi), mentre la prima (quella sostenuta da Linde, il multiverso che è anche stato filosoficamente appoggiato, nei secoli passati, da pensatori come Giordano Bruno, Lucrezio e i materialisti o dal teologo Roberto Grossatesta) è scientifica e ha una buona possibilità di essere veritiera, come è stato osservato da Stephen Hawking.

Quindi, secondo queste ultime osservazioni, l'universo (o il multiverso, o ciò che esiste) ha forse avuto un qualche inizio - ma potrebbe anche non averlo - e probabilmente esso e la materia/energia non avranno mai una fine, come indicano anche le leggi di conservazione della massa di Antoine Lavoisier. L'inflazione caotica di Linde e Guth viene anche ad assomigliare alla teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, una teoria oggi considerata non standard.

La vita in un Universo mortale

Alcuni fisici famosi hanno speculato che una civiltà avanzata potrebbe usare un ammontare finito di energia per sopravvivere un tempo effettivamente infinito. La strategia è quella di avere brevi periodi di attività, alternati da periodi di ibernazione sempre più lunghi (vedi la voce sulla civiltà eterna di Dyson).

Anche il contrario è vero, per una civiltà che si trovasse nel mezzo del Big Crunch. Qui, un ammontare infinito di tempo soggettivo può essere estratto dal tempo finito rimanente, usando l'enorme energia del Big Crunch per "accelerare" la vita più di quanto il limite si stia avvicinando (vedi la teoria del punto Omega di Frank J. Tipler).

Anche se possibile in teoria (Singolarità tecnologica), non è ben chiaro se possa esistere una possibilità pratica di utilizzare tali meccanismi, per quanto avanzata possa essere una civiltà.

Voci correlate

• Big Bang
• Big Crunch
• Big Bounce
• Big Freeze
• Big Rip
• Civiltà eterna di Dyson
• Cosmologia (astronomia)
• Energia oscura
• Falso vuoto
• Forma dell'universo
• Freccia del tempo
• Morte termica dell'universo
• Multiverso
• Principio di conservazione
• Punto Omega
• Relatività generale
• Cronologia del futuro lontano

Fisici

• Freeman Dyson, fisico e matematico
• Alan Guth, fisico e cosmologo
• Andrej Linde, fisico
• Frank J. Tipler, fisico matematico
• Stephen Hawking, fisico teorico e cosmologo
• Neil Turok, fisico matematico
• Lee Smolin, fisico matematico
• Roger Penrose, fisico teorico, matematico e cosmologo
• Albert Einstein, fisico, padre della teoria della relatività
• Fred Hoyle, fisico teorico
• Edwin Hubble, fisico
• Michio Kaku, fisico e docente universitario

Bibliografia

• Fred Adams & Greg Laughlin, The Five Ages of the Universe
• Stephen Baxter, Deep Future
• Paul Davies, The Last Three Minutes
• Stephen Hawking, La teoria del tutto. Origine e destino dell’Universo
• Roger Penrose, Dal Big Bang all'eternità

Collegamenti esterni

• (EN) Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Weinberg. Phantom Energy and Cosmic Doomsday, preprint at http://arxiv.org/abs/astro-ph/0302506