giovedì 6 luglio 2017

Il Multiverso



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In fisica moderna il multiverso è un'ipotesi che postula l'esistenza di universi coesistenti fuori del nostro spaziotempo, spesso denominati dimensioni parallele; è la possibile conseguenza di alcune teorie scientifiche, specialmente la teoria delle stringhe e quella delle bolle ("inflazione caotica").
Il termine fu coniato nel 1895 dallo scrittore e psicologo americano William James.[1] Il concetto di universi paralleli fu ripreso dallo scrittore di fantascienza statunitense Murray Leinster nel 1934, e in seguito da molti altri, come Jorge Luis Borges, divenendo un classico della fantascienza.
Dal punto di vista filosofico, l'ipotesi è antica, seppur posta come pluralità dei mondi simili alla Terra già dagli atomisti greci, e ha trovato vigore nella scoperta della grandezza effettiva dell'universo, contenente miliardi di galassie, a partire dalla rivoluzione copernicana in poi. Un precursore dell'idea moderna di multiverso fu il filosofo rinascimentaleGiordano Bruno.[2][3][4]
Dal punto di vista scientifico il concetto di multiverso fu proposto in modo rigoroso per la prima volta da Hugh Everett III nel 1957 nell'interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica. L'ipotesi è fonte di disaccordo nella comunità dei fisici che la collocano nella scienza di confine. Alcuni affermano che la teoria deve essere oggetto di appropriati studi scientifici per poter essere validata.[5] Tra i sostenitori di almeno uno dei modelli del multiverso ci sono Stephen Hawking,[6] Steven Weinberg,[7] Brian Greene, Michio Kaku, Neil Turok, Lee Smolin, Max Tegmark, Andrej Linde e Alex Vilenkin. Tra coloro che non accettano l'ipotesi così com'è formulata, o che la criticano, ci sono David Gross,[8] Paul Steinhardt (che ha affermato la possibilità di due mondi-brana che collidono, ma non di infiniti universi, dato che è stato uno dei fondatori della teoria delle stringhe)[9], Roger Penrose (che ne propone una sua versione molto differente da quella "classica") e Paul Davies, per i quali la questione è più filosofica che scientifica, quindi dannosa per la fisica teorica in quanto semplicemente pseudoscienza,[9] essendo una speculazione teorica non confermata da dati o evidenze sperimentali, ed essendo le teorie stesse da cui deriva non confermate sperimentalmente.

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Il multiverso nella cosmologia


Hugh Everett III e la sua "interpretazione a molti mondi"[modifica | modifica wikitesto]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.

Un modello di possibile evoluzione di un multiverso, con la cosiddetta selezione naturale cosmologica da buchi neri e buchi bianchi
Il concetto di multiverso fu proposto in modo serio per la prima volta nella cosiddetta "interpretazione a molti mondi" della meccanica quantistica di Hugh Everett III, nella sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, abbreviata in MWI): ogni misura quantistica porta 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, 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 transito di informazioni tra di essi, anche se nell'ipotesi di Everett potenzialmente potrebbero esercitare un'azione reciproca[10].
« Le dimensioni del Multiverso sono così smisurate che hanno come conseguenza che da qualche parte esistono altri esseri uguali a noi, ma non rischiamo di incontrarli. La distanza che dovremmo percorrere è così grande che il numero di chilometri ha più cifre di quante sono le particelle dell'Universo conosciuto. »
(Max Tegmark)

Interpretazione di Copenaghen

Altre interpretazioni della molti-mondi sono quella di Copenaghen e quella delle "storie consistenti".[11] 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, perché le costanti fisiche di almeno una parte degli infiniti "mondi" possibili 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, esisterebbero così tante copie del nostro universo che l'esistenza di almeno un'altra Terra non sarebbe sorprendente.

Teoria delle "bolle" o universo a inflazione caotica

Exquisite-kfind.pngLo stesso argomento in dettaglio: Inflazione eterna e Falso vuoto.

"Universi a bolla", ogni disco è un universo a bolla con costanti fisiche diverse da quelle degli altri. L'immagine illustra il concetto di come il nostro universo possa essere solo uno tra infinite bolle.
La teoria delle bolle è la teoria del multiverso solitamente più accreditata, perché più aderente ai dati e alle misurazioni.[12]
La formazione del nostro universo da una "bolla" del multiverso fu proposta da Andrej Linde, sulla base degli studi di Alan Guth sull'inflazione cosmologica[13] negli anni '80, ed 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 contrarsi. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto ad un certo valore critico, dall'universo parentale si forma un piccolo universo a bolla che va incontro ad un'espansione a lungo termine, e permette la formazione sia di materia che di strutture galattiche a grandissima scala.

Teoria del Multiverso di David Deutsch

Nella "Teoria del Multiverso" il fisico David Deutsch, uno dei massimi teorizzatori viventi della computazione quantistica e dei computer quantistici, vede proprio nella realizzabilità di tali dispositivi la prova sperimentale di una iperstruttura cosmologica detta multiverso.

Teoria delle stringhe e delle superstringhe

Exquisite-kfind.pngLo stesso argomento in dettaglio: Teoria delle stringhe, Teoria delle superstringhe, Teoria M, Mondo-brana e Big Splat.
Teoria delle stringhe
Dualità
T-dualità · S-dualità · U-dualità
Fisica
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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), 7 in più dello 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 ritengono che il Big Bang all'origine del nostro universo sia stato causato 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 livello microscopico, la materia appare composta da particelle, in realtà 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 con significato fisico analogo a quelle del nostro universo.
La novità di questa teoria è che gli infiniti universi non vivono in dimensioni parallele, e non necessita 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.

Correlazioni con la "regolazione fine" del cosmo

L'esistenza di universi paralleli costituisce una possibile spiegazione del misterioso fine-tuning (“regolazione fine”, o “perfetto accordo”) cosmologico nei confronti della vita. Alcune costanti della natura del nostro universo sono infatti perfettamente regolate per consentire l'esistenza della vita: una loro minima variazione avrebbe reso quest'ultima impossibile. Alcuni scienziati suppongono perciò che esistano innumerevoli universi governati da leggi fisiche diverse, e che solo una minima percentuale di questi (tra cui il nostro, evidentemente) sia in grado di ospitare esseri viventi.
Esempi di parametri "finemente regolati"[14] sono:
  • Densità dell'energia oscura
  • Intensità delle forze fondamentali: gravità, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole
  • Massa delle particelle: elettroni, neutroni, protoni ecc.
  • Dimensioni spaziali e temporali: tre e una
Se i suddetti parametri fossero (in alcuni casi anche lievemente) differenti da quelli attuali, la vita non avrebbe potuto svilupparsi nell'universo: gli atomi non sarebbero stabili, non esisterebbero le stelle, non potrebbero formarsi molecole di carbonio ecc.
In alternativa agli universi paralleli, altre spiegazioni avanzate per la regolazione fine sono la coincidenza fortuita o il progetto intelligente.

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"[15], in cui suggerisce gli 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,[16] 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 a fornire una tassonomia degli universi paralleli organizzata a livelli.[17]

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.[18]
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.[19][20]

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.[21]

Critiche

Le ipotesi sul multiverso sono controverse all'interno della comunità scientifica, e non ancora accettate dalla maggioranza degli studiosi. Le critiche più ricorrenti[22] sono le seguenti:
  • Gli universi paralleli non sono osservabili, non solo di fatto ma (generalmente) nemmeno in linea teorica; manca la verificabilità empirica, che demarca il discorso scientifico dagli altri ambiti
  • Non sembrano superare il criterio della falsificabilità di Popper
  • Sono una conseguenza di ipotesi scientifiche ancora incerte e controverse
  • In quanto soluzione complicata e ridondante, rischiano di soccombere al “rasoio di Occam”
  • In generale molti considerano simili prospettive più filosofiche che scientifiche, più vicine alla metafisica che alla fisica

Rappresentazioni del multiverso nella fantascienza

Exquisite-kfind.pngLo stesso argomento in dettaglio: Universi paralleli 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.

Note

  1. ^ James, William, The Will to Believe, 1895; and earlier in 1895, as cited in OED's new 2003 entry for "multiverse": William James, " Is Life Worth Living?, in Internat. Jrnl. Ethics, vol. 6, ottobre 1895, p. 10.
    «Visible nature is all plasticity and indifference, a multiverse, as one might call it, and not a universe.».
  2. ^ Stefano Ulliana, Alcune recenti interpretazioni del pensiero di Giordano Bruno, Narcissus.me, 2012, pag. 212
  3. ^ Nel «multiverso» teniamoci cara questa nostra Terra
  4. ^ Ognuno di noi ha un sosia in un altro universo
  5. ^ DOI: 10.1080/00033790903047725
  6. ^ Universe or Multiverse, pp. 19, ISBN 978-0-521-84841-1.
    «Some physicists would prefer to believe that string theory, or M-theory, will answer these questions and uniquely predict the features of the Universe. Others adopt the view that the initial state of the Universe is prescribed by an outside agency, code-named God, or that there are many universes, with ours being picked out by the anthropic principle. Hawking argues that string theory is unlikely to predict the distinctive features of the Universe. But neither is he is an advocate of God. He therefore opts for the last approach, favouring the type of multiverse which arises naturally within the context of his own work in quantum cosmology.».
  7. ^ New Physics Complications Lend Support to Multiverse Hypothesis - Scientific American
  8. ^ Paul Davies, Many Scientists Hate the Multiverse Idea, in The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life?, Houghton Mifflin Harcourt, 2008, p. 207, ISBN 978-0-547-34846-9.
  9. ^ a b Paul Steinhardt, Theories of Anything, su edge.org, 9 marzo 2014, 2014 : WHAT SCIENTIFIC IDEA IS READY FOR RETIREMENT?. URL consultato il 9 marzo 2014 (archiviato il 9 marzo 2014).
  10. ^ Max Tegmark, The Interpretation of Quantum Mechanics: Many Worlds or Many Words?
  11. ^ Deutsch, David, David Deutsch's Many Worlds, Frontiers, 1998.
  12. ^ La prova che esistono universi paralleli?
  13. ^ Un sunto efficace della teoria e della vicenda delle sue prime formulazioni è nell'articolo del medesimo Andrej Linde: Un universo inflazionario che si autoriproduce, in "Cosmologia" - Le Scienze quaderni n.117.
  14. ^ Max Tegmark, L'universo matematico, 2014, Bollati Boringhieri, p. 162 ss.
  15. ^ Tom Gehrels, The Multiverse and the Origin of our Universe
  16. ^ Max Tegmark, Universi Paralleli, Le Scienze, giugno 2003
  17. ^ Max Tegmark, Parallel Universes (PDF), 23 gennaio 2003. URL consultato il 7 febbraio 2006. (PDF).
  18. ^ George F.R. Ellis, U. Kirchner, W.R. Stoeger, Multiverses and physical cosmology, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 347, 2004, pp. 921-936. URL consultato il 9 gennaio 2007.
  19. ^ Breitbart.com, Parallel universes exist - study, Sept 23 2007
  20. ^ Zeeya Merali, Parallel universes make quantum sense, in New Scientist, nº 2622, 21 settembre 2007. URL consultato il 20 ottobre 2007. (Summary only).
  21. ^ Ne Il grande disegno di Stephen Hawking: "A differenza di quelli della meccanica quantistica questi universi possono avere diverse leggi fisiche".
  22. ^ George Ellis, Does the multiverse really exist ?, Scientific American, 2011, n° 305

Bibliografia scientifica

Voci correlate

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