Multiverso

Il multiverso è un insieme di universi coesistenti e alternativi al di fuori del nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele, che nascono come possibile conseguenza di alcune teorie scientifiche.

Il termine fu coniato nel 1895 dallo scrittore e psicologo americano William James.

Dal punto di vista scientifico il concetto di multiverso è stato proposto in modo rigoroso per la prima volta da Hugh Everett III nel 1957 nell'interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica.

Il concetto di universi paralleli venne introdotto in precedenza nella letteratura dallo scrittore di fantascienza statunitense Murray Leinster nel 1934, per essere ripreso in seguito da molti romanzi di narrativa fantascientifica e fantasy, divenendo un classico tema della letteratura fantascientifica.

Il multiverso nella cosmologia

Il multiverso è, scientificamente parlando, un insieme di universi coesistenti previsto da varie teorie, come quella dell'inflazione eterna di Linde o come quella secondo cui da ogni buco nero esistente nascerebbe un nuovo universo, ideata da Smolin. Le dimensioni parallele sono contemplate anche in tutti i modelli correlati al concetto di D-brane, classe di P-brane inerenti alla teoria delle stringhe.

Hugh Everett III e la sua "interpretazione a molti mondi"

Il concetto di multiverso viene proposto in modo serio per la prima volta nella cosiddetta "interpretazione a molti mondi" della meccanica quantistica, proposta da Hugh Everett III nella sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, abbreviata in MWI); questa interpretazione prevede che ogni misura quantistica porti alla divisione dell'universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell'operazione di misura.

La teoria del multiverso proposta da MWI ha un parametro di tempo condiviso. In molte delle sue formulazioni, tutti gli universi costituenti il multiverso sono strutturalmente identici, e possono esistere in stati diversi anche se possiedono le stesse leggi fisiche e gli stessi valori delle costanti fondamentali. Gli universi costituenti sono inoltre non-comunicanti, nel senso che non può esservi un transito di informazioni tra di essi, anche se nell'ipotesi di Everett potenzialmente possono esercitare un'azione reciproca.

Interpretazione di Copenhagen

Altre interpretazioni della molti-mondi sono quella di Copenhagen e quella delle "storie consistenti". In queste ipotesi, lo stato dell'intero multiverso è correlato agli stati degli universi costitutivi dalla sovrapposizione quantistica, ed è descritto da una singola funzione d'onda universale. Simili a questa visione sono l'interpretazione a molteplici storie di Feynman e quella di Zeh a molte menti.

L'interpretazione a molti mondi (Many Worlds Interpretation) non può spiegare l'apparente universo antropico, questo perché le costanti fisiche di almeno una parte degli infiniti possibili "mondi" sono le stesse. L'interpretazione a molti mondi può, comunque, spiegare l'esistenza (all'apparenza improbabile) di un pianeta come la Terra. Vedasi l'Ipotesi della rarità della Terra: se l'interpretazione a molti mondi fosse corretta, allora esistono così tante copie del nostro universo che l'esistenza di almeno un pianeta come la Terra non è sorprendente.

Teoria delle "bolle"

"Universi a bolla", ogni disco è un universo a bolla con costanti fisiche diverse da quelle degli altri. Quest'immagine illustra il concetto di come il nostro universo possa essere solo uno tra molte (forse infinite) bolle.

La formazione del nostro universo da una "bolla" del multiverso venne proposta da Andrej Linde. Questa teoria è nota come teoria dell'universo a bolle.

Il concetto dell'universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un "universo genitore". Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia. Queste fluttuazioni possono creare piccole bolle e wormhole. Se la fluttuazione di energia non è molto grande, un piccolo universo a bolla può formarsi, sperimentare una qualche espansione (come un palloncino che si gonfia), ed in seguito potrebbe contrarsi. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto ad un certo valore critico, si forma un piccolo universo a bolla dall'universo parentale, va incontro ad un'espansione a lungo termine, e permette la formazione sia di materia che di strutture galattiche a grandissima scala.

Teoria nei dettagli

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" o a "coppa di champagne". 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, il cosiddetto universo osservabile) 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).

Una teoria formulata dal fisico Alexander Vilenkin afferma che il multiverso è formato da tanti universi, ognuno dei quali si trova confinato in una bolla in inflazione eterna (cioè in costante espansione esponenziale), incluso il nostro (ogni singolo universo, almeno rispetto ad osservatori situati al suo interno, deve implicare una genesi riconducibile o affine ad un Big-bang). In alcune zone di una bolla la deformazione dello spazio-tempo è tale da portare alla formazione di una nuova bolla, aprire un varco verso un nuovo universo; dopo un certo periodo, sempre per effetto della deformazione, la nuova bolla si stacca e si forma un universo del tutto indipendente, senza alcun punto di collegamento con quello di partenza.

Le regioni formate dall'inflazione caotica si espandono a tassi esponenziali, l'intero volume dell'universo cresce indefinitamente e sempre più rapidamente. Quindi l'universo sarebbe infinito ed eterno; finiti e osservabili sono solo alcune parti di esso.

L'inflazione eterna è prevista da molti modelli differenti di inflazione cosmica. Il modello originale di Alan Guth di inflazione includeva un fase di "falso vuoto" con energia del vuoto positiva. 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. Parti dell'universo in quella fase si espandono inflativamente e solo occasionalmente decadono occasionalmente ad uno stato di energia minore, non inflazionario, chiamato anche stato fondamentale. Nell'inflazione caotica, proposta dal fisico Andrei Linde, i picchi nell'evoluzione di un campo scalare, che determina l'energia del vuoto, corrispondono a regioni in cui l'inflazione domina. Il falso vuoto dovrebbe decadere esponenzialmente, tuttavia le bolle di falso vuoto potrebbero anche espandersi esponenzialmente in modo tale che una regione dominata dal falso vuoto non sparisce mai. In queste regioni di falso vuoto occasionalmente potrebbero crearsi nuove bolle, e quindi nuovi universi, come semplice risultato del decadimento del falso vuoto. Il periodo inflativo dell'universo continua quindi a perdurare per sempre in diverse regioni dello spazio tempo. L'universo che noi effettivamente osserviamo sarebbe quindi solo una delle possibili bolle che si sono sviluppate, molti altri universi anche simili al nostro sarebbero quindi possibili. Talvolta le bolle possono toccarsi e influire sullo spaziotempo con nuova produzione di energia.

Verifiche sperimentali

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, o la teoria dell'universo progettato apposta: la seconda non è però scienza ma fede, mentre la prima 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.

Teoria del Multiverso di David Deutsch

Inoltre la "Teoria del Multiverso" conosce una fondamentale argomentazione da parte del fisico David Deutsch, uno dei massimi teorizzatori viventi della computazione quantistica e dei computer quantistici, che prevede proprio nella realizzabilità di tali dispositivi la prova sperimentale di una iper-struttura cosmologica detta appunto multiverso.

Teoria delle stringhe e delle superstringhe

Nell'ambito della teoria delle superstringhe, troviamo un quarto tipo di multiverso, le membrane. Secondo la teoria delle stringhe, la materia è composta da minuscole corde vibranti in uno spazio di 11 dimensioni (10+1), dunque 7 in più dallo spazio 3 D a noi noto (più la dimensione temporale).

Le stringhe potrebbero essere aggregate a membrane 3 D (o più) immerse in uno spazio molto più ampio (iperspazio), ogni membrana è un universo distinto. Alcuni scienziati ritengono che il Big Bang che ha dato origine al nostro universo sia stato originato da uno scontro tra due o più membrane.

Secondo la teoria delle stringhe e delle superstringhe, le ipotesi di natura corpuscolare e ondulatoria della materia non sono alternative. A un livello più microscopico, la materia appare composta da particelle, che in realtà sono aggregati di cariche energetiche. Ad una dimensione di analisi crescente, queste particelle si presentano composte da energia.

Il costituente primo della materia sono stringhe di energia che vibrano ad una determinata frequenza o lunghezza d'onda caratteristica, e che si aggregano a formare particelle.

Gli infiniti universi paralleli potrebbero coesistere nello stesso continuum di dimensioni, vibrando a frequenze differenti. Il numero di dimensioni necessarie è indipendente dal numero di universi, ed è quello richiesto per definire una stringa (al momento 11 dimensioni). Questi universi potrebbero estendersi da un minimo di 4 a tutte le dimensioni in cui è definibile una stringa. Se occupano 4 dimensioni, queste sono il continuo spazio-temporale: nel nostro spazio-tempo, coesisterebbero un numero infinito o meno di universi paralleli di stringhe, che vibrano entro un range di lunghezze d'onda/frequenze caratteristico per ogni universo. Coesistendo nelle stesse nostre 4 dimensioni, tali universi sarebbero soggetti a leggi aventi significato fisico analogo a quelle del nostro universo.

La novità di questa teoria è che gli infiniti universi non vivono in dimensioni parallele, né necessitano di postulare l'esistenza di più di 4 dimensioni di spazio-tempo. Ciò che consente di definire una pluralità di universi indipendenti non è un gruppo di 4 o più dimensioni per ogni universo, ma l'intervallo di lunghezze d'onda caratteristico.

L'intervallo teorico di frequenze/lunghezze d'onda per le vibrazioni di una stringa determina anche il numero finito/infinito di universi paralleli definibili.

Possibile misurazione degli effetti del multiverso

Nel luglio del 2007 Tom Gehrels dell'University of Arizona ha pubblicato un articolo dal titolo "The Multiverse and the Origin of our Universe", in cui vengono suggeriti degli effetti misurabili dell'esistenza del multiverso.

Ipotesi del Multiverso nella fisica

Laura Mersini-Houghton propose la teoria che il "cold spot" rivelato dal satellite WMAP potrebbe fornire un'evidenza empirica misurabile per un universo parallelo all'interno del multiverso. Secondo Max Tegmark, l'esistenza di altri universi è conseguenza diretta delle osservazioni cosmologiche. Tegmark descrive l'insieme generale di concetti correlati che condividono la nozione che esistono altri universi al di là di quello osservabile, e si spinge fino a fornire una tassonomia degli universi paralleli organizzata a livelli.

Classificazione

Per poter rendere chiara la terminologia, i fisici George Ellis, U. Kirchner e W.R. Stoeger consigliano l'utilizzo del termine "Universo" per il modello teorico della totalità dello spaziotempo connesso nel quale viviamo, dominio universo per l'universo osservabile o una parte simile dello stesso spazio-tempo, "universo" per uno spazio-tempo generale, che si applica sia al nostro "Universo" oppure ad un altro disconnesso dal nostro, multiverso per una collezione di spazio-tempi non connessi tra di loro, e universo a multi-dominio per riferirsi a un modello dell'insieme di spazio-tempi singoli connessi nella modalità descritta dai modelli della teoria dell'inflazione caotica.

I livelli secondo la classificazione di Tegmark descritti secondo la terminologia di Ellis, Koechner e Stoeger sono brevemente descritti in seguito.

Universi a multi-dominio (nell'interpretazione di Ellis, Koechner e Stoeger)

I Livello (Multiverso aperto): Una predizione generica di inflazione cosmologica è quella dell'universo infinito dell'ipotesi ergodica, che, essendo infinito, deve contenere vari volumi di Hubble che adempiano tutte le condizioni iniziali.

Universi con costanti fisiche diverse

II Livello (Teoria dell'universo a bolle di Andrej Linde): Nell'inflazione caotica, altre regioni termalizzate possono avere diverse costanti fisiche, diversa dimensionalità e diverso contenuto di particelle (sorprendentemente, questo livello include anche la teoria di Wheeler sull'universo oscillante).

Multiversi (nell'interpretazione di Ellis, Koechner e Stoeger)

Livello III (Interpretazione multimondo di Hugh Everett III): si tratta di un'interpretazione della meccanica quantistica che propone l'esistenza di universi multipli aventi tutti le stesse costanti fisiche ma che si differenziano per ciò che succede al loro interno: ad esempio, se in un universo una particella elementare subisce l'effetto tunnel, in un altro non lo fa; allo stesso modo, sempre a titolo di esempio, un uomo potrebbe venire ucciso in un universo ma non in un altro e così via. Molti ritengono che l'interpretazione di Everett sia un'estensione conservativa della meccanica quantistica standard, il che vuol dire che se si riesce ad esprimere i suoi risultati nel linguaggio della meccanica quantistica ordinaria, essa non porta a nuovi universi con leggi e costanti fisiche diverse, ossia a nuovi risultati non-contemplati dalla fisica senza interpretazione everettiana, ciò che rende quest'ultima superflua dal punto di vista del Rasoio di Ockham. Questo, secondo Tegmar, "è un fatto ironico, dal momento che storicamente questo livello è stato il più controverso". Nel settembre del 2007 David Deutsch ha presentato quella che viene considerata una prova dell'interpretazione a molti-mondi.

Insieme definitivo

Livello IV (insieme definitivo di Tegmark): altre strutture matematiche danno differenti equazioni fondamentali per la fisica. Questo livello considera reale ogni ipotetico universo basato su queste strutture. Siccome esso contiene tutti gli altri insiemi porta a chiusura la gerarchia dei multiversi: non ci può essere un livello 5. La questione ancora aperta riguarda le possibili suddivisioni del livello IV in futuro.

Teoria MT

Un multiverso di una specie differente è stato ipotizzato con l'estensione a 11 dimensioni della teoria delle stringhe conosciuta come Teoria M. In questa teoria il nostro universo, così come gli altri, sono creati da collisioni fra membrane in uno spazio a 11 dimensioni.

Rappresentazioni del multiverso nella fantascienza

Attorno all'ipotesi dell'esistenza del multiverso sono state create numerose ambientazioni per libri, film, fumetti e serie televisive. Il comune denominatore delle vicende raccontate è la possibilità di viaggiare o di interagire con mondi esistenti nelle varie dimensioni teorizzate dall'idea di multiverso.

Bibliografia scientifica

• Hugh Everett III, in “The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics”, B. S. DeWitt & N. Graham (eds.),Princeton Univ. Press, Princeton (1973)
• Max Tegmark, Parallel Universes
• Max Tegmark, Many lives in many worlds
• Martin Rees, Prima dell'Inizio, Raffaello Cortina Editore, 1998, Milano (ISBN 88-7078-508-4)
• David Deutsch, La trama della realtà
• David Deutsch, The Structure of the Multiverse
• Tom Gehrels, The Multiverse and the Origin of our Universe
• Nature, Volume 448 Number 7149 pp1-104 (Il numero di Nature del 5 luglio 2007 è interamente dedicato al multiverso).
• Fred Alan Wolf, Universi paralleli, Geo, 1991.

Voci correlate

• Big Bang
• Cosmologia (astronomia)
• Dimensione parallela
• Pluralità dei mondi
• Viaggio nel tempo
• Universo