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. 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
rinascimentale Giordano Bruno.
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.Tra i sostenitori di
almeno uno dei modelli del multiverso ci sono Stephen Hawking, Steven
Weinberg, 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, 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), 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, essendo una speculazione teorica
non confermata da dati o evidenze sperimentali, ed essendo le teorie
stesse da cui deriva non confermate sperimentalmente.
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 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.
«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.»
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(Max Tegmark) |
Interpretazione
di Copenaghen
Altre interpretazioni della molti-mondi
sono quella di Copenaghen 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, 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
La teoria delle bolle è la
teoria del multiverso solitamente più accreditata, perché più
aderente ai dati e alle misurazioni.
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 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
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" 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", 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,
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.
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 M
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.
Critiche
Le ipotesi sul multiverso sono
controverse all'interno della comunità scientifica, e non ancora
accettate dalla maggioranza degli studiosi. Le critiche più
ricorrenti 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
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.