Sean Carroll: Tempo distante e la possibilità di un multi-verso

L'universo è davvero grande. Noi viviamo in una galassia, la Via Lattea. Esistono circa un centinaio di miliardi di stelle nella Via Lattea. Se prendete una fotocamera, la puntate verso una parte qualsiasi del cielo, e tenete l'otturatore aperto, avendo la fotocamera attaccata ad un telescopio Hubble Space, vedrete qualcosa del genere. Ognuna di queste piccole masse è una galassia grande quasi come la Via Lattea -- un centinaio di miliardi di stelle in ogni massa. Esistono circa cento miliardi di galassie nello spazio conosciuto. 100 miliardi è l'unico numero che vi basta sapere. L'età dell'universo, stimata tra adesso e il Big Bang, è di circa cento miliardi di anni canini. (Risate) Il che vi dice qualcosa riguardo al nostro posto nell'universo.

L'unica cosa da fare con una foto del genere è ammirarla. E' di una bellezza straordinaria. Mi sono chiesto spesso, quale pressione evolutiva abbia spinto i nostri antenati nelle Veldt ad adattarsi ed evolversi per godersi foto delle galassie che non esistevano per nulla. Vorremmo capirlo anche noi. Da cosmologo, vi chiedo, perché l'universo è così? Supponiamo che l'universo stia cambiando nel tempo. Se prendessimo una di queste galassie e ne misurassimo la velocità, vedremmo che si allontanere da noi. Se prendessimo una galassia anche più lontana, si allontanerebbe anche più velocemente. Per cui, diciamo che l'universo si espande.

Ciò significa che, in passato, le cose erano più vicine tra loro. In passato, l'universo era più denso, ed anche più caldo. Se comprimete delle cose tutte insieme, la temperatura sale. Per noi ha un senso. Ciò che per noi non ha poi tanto senso è che l'universo, inzialmente, ai tempi del Big Bang, era molto, molto uniforme. Potreste pensare che non sia una novità. L'aria di questa stanza è uniforme. Potreste dire: "Forse le cose si sono appianate da sole." Ma le condizioni ai tempi del Big Bang erano molto, molto diverse rispetto all'aria di questa stanza. In particolare, le cose erano molto più dense. La spinta gravitazionale delle cose era molto più forte nel Big Bang.

Dovete pensare che il nostro universo ha un centinaio di miliardi di galassie, con 100 miliardi di stelle ciascuna. Inizialmente, quelle centinaia di miliardi di galassie erano compresse in un'area grande così -- davvero, all'inizio. Immaginate che quella compressione non aveva alcuna imperfezione, nessun piccolo bozzo dove ci fossero più atomi rispetto a qualche altra parte. Se fosse accaduto, sarebbero collassati per effetto della spinta gravitazionale in un enorme buco nero. Mantenere l'universo molto, molto uniforme all'inizio non era facile, richiedeva un'accurata disposizione. E' un indizio del fatto che l'universo, allo stadio iniziale, non era risultato a caso. Qualcosa lo ha modellato in quel preciso modo. Vorremmo sapere cosa sia stato.

Siamo riusciti, in parte, a capirlo grazie a Ludwig Boltzmann, un fisico austriaco del 19° secolo. Il contributo di Boltzmann consiste nell'averci aiutato a capire l'entropia. Avrete sentito parlare di entropia. E' il caos, il disordine, la caoticità di un sistema. Boltzmann ci ha lasciato una formula -- scolpita anche sulla sua lapide -- che quantifica l'entropia. In pratica, ci dice che l'entropia è il numero di modi in cui possiamo arrangiare gli elementi di un sistema affiché non si notino, e che macroscopicamente sembri tutto uguale. Pur avendo l'aria in questa stanza, non notate ogni singolo atomo. Una bassa configurazione entropica è data da pochi aggiustamenti fatti in quella direzione. Una configurazione entropica elevata si ha quando ci sono molti aggiustamenti. Questa teoria è assolutamente cruciale, perché ci aiuta a spiegare la seconda legge della Termodinamica -- la legge secondo cui l'entropia aumenta nell'universo, o in punti isolati dell'universo.

La ragione per cui l'entropia aumenta è perché ci sono molti più modi di avere un'entropia elevata piuttosto che bassa. E' un'intuizione meravigliosa, ma lascia qualcosa d'irrisolto. L'ipotesi che l'entropia cresca, ad ogni modo, sarebbe la causa di ciò che chiamiamo "linea del tempo", la differenza tra passato e futuro. Ogni differenza esistente tra passato e futuro è dovuta all'aumento dell'entropia -- il fatto che si possa ricordare il passato, ma non il futuro. Il fatto che si nasca, si viva, e che si muoia, sempre in quell'ordine, è perché l'entropia aumenta. Boltzmann ha spiegato che se si parte da bassa entropia, è normale che aumenti, perché ci sono molti modi di avere entropia elevata. Ma non ha spiegato perché l'entropia era al minimo all'inizio.

Il fatto che l'entropia dell'universo fosse bassa era dovuta al fatto che inizialmente l'universo era molto, molto omogeneo. Vorremmo capirlo. E' il lavoro di noi cosmologi. Sfortunatamente, non è proprio un problema a cui si dà molta rilevanza. Non è una delle prime cose di cui la gente parlerebbe, se si chiedesse ad un moderno cosmologo: "Quali sono i problemi su cui vi state concentrando?" Una persona che ha capito che questo era un problema è stato Richard Feynman. 50 anni fa, ha tenuto diverse lezioni. Ha tenuto lezioni di grande successo che sono diventate "Il Carattere della Legge Fisica." Ha tenuto lezioni per le matricole della Caltech che sono diventate "Le lezioni di Fisica di Feynman." Ha tenuto lezioni per i laureati della Caltech che sono diventate "Le lezioni di Feynman sulla gravità." In ognuno di questi libri, in ognuna di queste lezioni, ha enfatizzato questo quesito: Perché l'universo iniziale aveva un'entropia così bassa?

E lui dice -- non proverò a copiargli l'accento -- dice: "Per qualche ragione, l'universo, un tempo, ha avuto bassa entropia per il proprio contenuto energetico, e da allora l'entropia è aumentata. La linea del tempo non può essere compresa del tutto fino a che il mistero degli esordi della storia dell'universo non passerà da supposizione a comprensione." Quello è il nostro lavoro. Vogliamo sapere -- questo era 50 anni fa. "Sicuramente", penserete, "l'avranno scoperto ormai." Non è vero che l'abbiamo già scoperto.

Il motivo per cui il problema è peggiorato, anzichè migliorato, è perché nel 1998 abbiamo imparato qualcosa di cruciale sull'universo che prima non sapevamo. Abbiamo scoperto che sta accelerando. L'universo non si sta solo espandendo. Se date un'occhiata alla galassia, se ne sta andando. Se tornaste un miliardo di anni dopo e deste un'altra occhiata, si allontanerebbe ancora più velocemente. Singole galassie si stanno allontanando da noi sempre più velocemente. Per cui l'universo sta accelerando. Diversamente dalla bassa entropia dell'universo iniziale, anche se non abbiamo una risposta a ciò, abbiamo una buona teoria che potrebbe spiegarla, se quella teoria è giusta, ed è la teoria dell'energia oscura. E' l'idea secondo cui lo spazio stesso possiede energia.

In ogni minimo centimetro cubo di spazio, che sia o meno occupato, che ci siano o meno particelle, materia, radiazioni o che altro, c'è ancora energia, anche nello spazio stesso. E questa energia, secondo Einstein, esercita una pressione sull'universo. E' un impulso perpetuo che spinge le galassie lontane l'una dall'altra. Poichè l'energia oscura, diversamente da materia e radiazioni, non si dissolve all'espandersi dell'universo. La quantità d'energia in ogni centimetro cubo resta la stessa, anche se l'universo diventa sempre più grande. Ciò ha ripercussioni cruciali su ciò che l'universo farà in futuro. Certo è, che l'universo si espanderà per sempre.

Quando avevo la vostra età, non si sapeva che cosa avrebbe fatto l'universo. Alcuni pensavano che l'universo sarebbe collassato di nuovo in futuro. Einstein era legato a quest'idea. Ma se c'è energia oscura, e l'energia oscura non sparisce, l'universo continuerà ad espandersi all'infinito. 14 miliardi di anni fa, 100 miliardi in anni canini, ma un numero infinito di anni nel futuro. Nel frattempo, per tutte le intenzioni e gli scopi, lo spazio ci sembra finito. Lo spazio potrebbe essere finito o infinito, ma siccome l'universo sta accelerando, ci sono alcune sue parti che non possiamo, e mai potremo, vedere. Esiste una porzione finita di spazio a cui abbiamo accesso, circondata da un orizzonte. Così anche se il tempo continua per sempre, lo spazio per noi è limitato. Infine, lo spazio vuoto ha una certa temperatura.

Negli anni '70, Stephen Hawking ci ha detto che un buco nero, anche se immaginate sia nero, in realtà emette radiazioni, se si tiene conto della meccanica quantistica. La curvatura dello spazio-tempo attorno al buco nero dà vita a una fluttuazione meccanica dei quanti, e il buco nero emana radiazioni. Un calcolo molto simile fatto da Hawking e Gary Gibbons ha mostrato che, se c'è energia oscura in uno spazio vuoto, allora l'intero universo emana radiazioni. L'energia dello spazio vuoto da' vita a fluttuazioni dei quanti. E anche se l'universo durerà per sempre, mentre la materia comune e le radiazioni si dissolveranno, ci sarà sempre qualche radiazione, qualche fluttuazione termale, anche in uno spazio vuoto. Ciò significa che l'universo è come una bombola di gas che dura per sempre. Cosa implica ciò?

Ciò che implica è stato studiato da Boltzman nel 19° secolo. Egli disse che l'entropia aumenta perché ci sono molti, molti più modi per l'universo di avere un'entropia alta, piuttosto che bassa. Ma è un'affermazione probabilistica. Probabilmente aumenterà, e la probabilità è molto elevata. Non è qualcosa di cui preoccuparsi -- l'aria di questa stanza che si concentra tutta da una parte e ci fa soffocare. E' molto, molto improbabile. A meno che non bloccassero le porte e ci chiudessero qui per sempre, allora succederebbe. Ogni cosa permessa, ogni configurazione che possa essere ottenuta dalle molecole in questa stanza, verrebbe ottenuta alla fine.

Boltzmann dice, potreste iniziare con un universo che aveva un equilibrio termale. Non sapeva del Big Bang. Non sapeva dell'espansione dell'universo. Pensava che spazio e tempo fossero stati spiegati da Isaac Newton -- erano assoluti; erano fermi lì per sempre. La sua idea di un universo naturale prevedeva molecole d'aria che si diffondevano ovunque uniformemente -- le molecole di tutto. Ma se siete Boltzmann, se aspettate abbastanza, le casuali fluttuazioni di queste molecole le porteranno a volte verso configurazioni entropiche più basse. E, ovviamente, nel corso naturale delle cose, si espanderanno di nuovo. Non è che l'entropia debba aumentare sempre -- potete avere fluttuazioni verso entropia minore, situazioni più organizzate.

Se fosse vero, Boltzmann ha partorito due idee che sembrano molto moderne -- il multiverso e il principio antropico. Secondo lui, il problema dell'equilibrio termale è che non possiamo viverci. Ricordate, la vita stessa dipende dalla linea del tempo. Non saremmo in grado di rielaborare informazioni, metabolizzare, camminare e parlare, se vivessimo nell'equilibrio termale. Se immaginate un universo molto, molto grande, un universo infinitamente grande, con particelle che si scontrano casualmente tra loro, avverrebbero occasionali fluttuazioni negli stati di minore entropia, e poi tornerebbero come prima. Ma ci sarebbero anche fluttuazioni vistose. A volte, si creerebbe un pianeta o una stella o una galassia o 100 miliardi di galassie. Boltzmann afferma che vivremo solo nella parte del multi-verso, nella parte infinitamente grande di particelle fluttuanti, dove la vita è possibile. E' la sezione dove c'è minore entropia. Forse il nostro universo è solo una di quelle cose che avviene di tanto in tanto.

Il vostro compito è di rifletterci sul serio, di capire che cosa significa. Carl Sagan disse una volta che "per fare una torta di mele, devi prima aver inventato l'universo." Ma aveva torto. Secondo quanto proposto da Boltzmann, se vuoi fare una torta di mele, aspetti che un casuale movimento di atomi ti prepari una torta. Ciò succederebbe molto più spesso rispetto ad un movimento casuali di atomi che ti crea un frutteto di mele un po' di zucchero e un forno, e infine ti cucina la torta. Questa prospettiva fa delle previsioni. E le previsioni sono che le fluttuazioni che ci determinano sono minime. Anche se credete che la stanza in cui siamo adesso esista e sia vera e che noi siamo qui, e abbiamo non solo ricordi, ma anche l'impressione che all'esterno ci sia qualcosa chiamato Caltech e Stati Uniti e Via Lattea, è molto più facile che queste impressioni fluttuino casualmente nel vostro cervello piuttosto che fluttuare a caso alla Caltech, negli Stati Uniti e nella galassia.

La buona notizia è che quindi questa prospettiva non funziona; non è esatta. Secondo questa previsione noi dovremmo essere una fluttuazione minima. Anche se si lascia da parte la nostra galassia, non si avrebbero 100 miliardi di altre galassie. Anche Feynman l'ha capito. Feynman dice: "Partendo dall'ipotesi che il mondo sia una fluttuazione, tutte le previsioni sono che, se guardiamo una parte del mondo che non abbiamo visto prima, vedremo che è caotica, non come la parte che avevamo guardato prima -- entropia elevata. Se il nostro ordine fosse dovuto ad una fluttuazione, non ci dovremmo aspettare ordine ovunque ma solo dove l'abbiamo notato. Quindi, concludiamo che l'universo non è una fluttuazione." Questo è un bene. Ma la domanda è: qual è la risposta giusta? Se l'universo non è una fluttuazione, perché l'universo al suo stadio iniziale aveva bassa entropia? Mi piacerebbe darvi la risposta, ma sto finendo il tempo.

(Risate)

Questo è l'universo come vi viene presentato, mentre questo è quello realmente esistente. Vi ho appena mostrato questa foto. L'universo si sta espandendo dagli ultimi 10 miliardi di anni. Si sta raffreddando. Ma ne sappiamo abbastanza sul futuro dell'universo per dirne molto di più. Se rimane energia oscura, le stelle consumeranno il loro combustibile nucleare, smetteranno di bruciare. Finiranno in buchi neri. Vivremo in un universo vuoto, fatto solo di buchi neri. Quell'universo durerà 10 anni elevati alla 100 -- un po' più a lungo di quanto il nostro piccolo universo abbia vissuto. Il futuro è molto più lungo del passato. Ma anche i buchi neri non durano per sempre. Evaporano, e non rimarrà nulla, se non spazio vuoto. Quello spazio vuoto dura praticamente per sempre. Comunque, ricordate che lo spazio vuoto emana radiazioni, ci sono fluttuazioni termali, che si muovono attorno a tutte le diverse combinazioni dei gradi di libertà esistenti nello spazio vuoto. Anche se l'universo dura per sempre, esiste solo un numero finito di cose che possono accadere nell'universo. Accadono in un certo periodo di tempo uguale a 10 anni elevati alla 10 elevati alla 120.

Ecco due domande per voi. Prima: se l'universo esiste da 10 anni alla 10 alla 120, perché siamo nati nei suoi primi 14 miliardi di anni, nel caldo, confortevole ultimo bagliore del Big Bang? Perché non siamo nello spazio vuoto? Potreste dire: "Non ci sarebbe nulla per vivere lì," ma avreste torto. Potreste essere una fluttuazione casuale fuoriuscita dal nulla. Perché non lo siete? Un'altra domanda per voi.

Come ho detto, non conosco la risposta esatta. Vi do la mia previsione preferita. E' in quel modo, e basta. Non c'è una spiegazione. Quando si ha a che fare con l'universo, bisogna accettare i fatti e smetterla di fare domande. O, forse, il Big Bang non è stato l'inizio dell'Universo. Un uovo, un uovo sano, ha una bassa configurazione entropica, eppure, quando apriamo il frigorifero, non diciamo: "Ah, che sorpresa trovare questa bassa configurazione entropica nel mio frigo." Perché l'uovo non è un sistema chiuso; è fatto dalla gallina. Forse l'universo viene da una gallina universale. Forse esiste qualcosa che, in modo naturale, con la comparsa delle leggi della fisica, crea universi come il nostro con basse configurazioni entropiche. Se fosse vero, sarebbe accaduto più di una volta; saremmo parte di un ben più grande multi-verso. E' la mia supposizione preferita.

Gli organizzatori mi hanno chiesto di concludere con un pensiero profondo. Il mio pensiero profondo è che la storia mi darà ragione. E tra 50 anni, tutte le mie attuali idee strampalate verranno considerate verità da comunità scientifiche ed esterne. Crederemo che il nostro piccolo universo è solo una piccola parte di un ben più grande multi-verso. Ancora meglio, capiremo cosa è avvenuto con il Big Ben in termini di una teoria che saremo in grado di mettere a confronto con osservazioni. E' una previsione. Potrei aver torto. Ma, come razza umana, pensiamo a come fosse l'universo, e perché per molti, molti anni è rimasto in quel modo. E' emozionante sapere che potremmo scoprire la risposta un giorno o l'altro.

Grazie.

(Applausi)