Nel 1981, molti dei più importanti cosmologi del mondo si riunirono alla Pontificia Accademia delle Scienze, una traccia dell’accoppiata stirpe di scienza e teologia situata in un’elegante villa nei giardini del Vaticano. Stephen Hawking ha scelto l’impostazione di agosto per presentare quella che in seguito considererà la sua idea più importante: una proposta su come l’universo potrebbe essere sorto dal nulla.,
Prima del discorso di Hawking, tutte le storie di origine cosmologica, scientifiche o teologiche, avevano invitato la controreplica: “Cosa è successo prima?”La teoria del Big Bang, per esempio — introdotta 50 anni prima della conferenza di Hawking dal fisico e sacerdote cattolico belga Georges Lemaître, che in seguito fu presidente dell’accademia delle scienze del Vaticano-riavvolge l’espansione dell’universo a un fascio caldo e denso di energia. Ma da dove viene l’energia iniziale?
La teoria del Big Bang ha avuto altri problemi., I fisici capirono che un fascio di energia in espansione sarebbe diventato un disordine accartocciato piuttosto che l’enorme cosmo liscio che gli astronomi moderni osservano. Nel 1980, l’anno prima del discorso di Hawking, il cosmologo Alan Guth si rese conto che i problemi del Big Bang potevano essere risolti con un add-on: uno scatto iniziale di crescita esponenziale noto come inflazione cosmica, che avrebbe reso l’universo enorme, liscio e piatto prima che la gravità avesse la possibilità di distruggerlo. L’inflazione divenne rapidamente la teoria principale delle nostre origini cosmiche., Tuttavia rimaneva il problema delle condizioni iniziali: qual era la fonte della minuscola patch che presumibilmente si è gonfiata nel nostro cosmo e dell’energia potenziale che lo ha gonfiato?
Hawking, nella sua brillantezza, ha visto un modo per terminare l’interminabile brancolare indietro nel tempo: ha proposto che non c’è fine, o inizio, a tutti., Secondo il resoconto della conferenza vaticana, il fisico di Cambridge, allora 39enne e ancora in grado di parlare con la propria voce, disse alla folla: “Ci dovrebbe essere qualcosa di molto speciale nelle condizioni al contorno dell’universo, e cosa può esserci di più speciale della condizione che non ci sia confine?”
La” proposta no-boundary”, che Hawking e il suo frequente collaboratore, James Hartle, formularono completamente in un articolo del 1983, immagina il cosmo che ha la forma di un volano., Proprio come un volano ha un diametro di zero nel suo punto più basso e si allarga gradualmente salendo, l’universo, secondo la proposta senza confini, si espande dolcemente da un punto di dimensione zero. Hartle e Hawking hanno derivato una formula che descrive l’intero volano — la cosiddetta “funzione d’onda dell’universo” che comprende l’intero passato, presente e futuro contemporaneamente-rendendo discutibile ogni contemplazione di semi della creazione, di un creatore o di qualsiasi transizione da un tempo precedente.,
“Chiedere cosa è venuto prima del Big Bang non ha senso, secondo la proposta no-boundary, perché non c’è alcuna nozione di tempo a disposizione per fare riferimento”, ha detto Hawking in un’altra conferenza alla Pontificia Accademia nel 2016, un anno e mezzo prima della sua morte. “Sarebbe come chiedere cosa si trova a sud del Polo Sud.”
La proposta di Hartle e Hawking ha radicalmente riconcettualizzato il tempo., Ogni momento nell’universo diventa una sezione trasversale del volano; mentre percepiamo l’universo come in espansione e in evoluzione da un momento all’altro, il tempo consiste in realtà di correlazioni tra la dimensione dell’universo in ogni sezione trasversale e altre proprietà-in particolare la sua entropia, o disordine. L’entropia aumenta dal tappo alle piume, puntando una freccia emergente del tempo. Vicino al fondo arrotondato del volano, però, le correlazioni sono meno affidabili; il tempo cessa di esistere e viene sostituito dallo spazio puro., Come Hartle, ora 79 e professore presso l’Università della California, Santa Barbara, ha spiegato al telefono di recente, “Non abbiamo avuto uccelli nell’universo primordiale; abbiamo uccelli in seguito. … Non abbiamo avuto tempo nell’universo primordiale, ma abbiamo tempo più tardi.”
La proposta no-boundary ha affascinato e ispirato i fisici per quasi quattro decenni. ” È un’idea incredibilmente bella e provocatoria”, ha detto Neil Turok, un cosmologo del Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, e un ex collaboratore di Hawking., La proposta rappresentava una prima ipotesi sulla descrizione quantistica del cosmo — la funzione d’onda dell’universo. Ben presto un intero campo, la cosmologia quantistica, sorse mentre i ricercatori ideavano idee alternative su come l’universo avrebbe potuto venire dal nulla, analizzavano le varie previsioni e i modi delle teorie per testarle e interpretavano il loro significato filosofico. La funzione d’onda no-boundary, secondo Hartle, ” era in qualche modo la proposta più semplice possibile per questo.,”
Ma due anni fa, un articolo di Turok, Job Feldbrugge del Perimeter Institute e Jean-Luc Lehners del Max Planck Institute for Gravitational Physics in Germania ha messo in discussione la proposta Hartle-Hawking. La proposta è, ovviamente, praticabile solo se un universo che curva da un punto adimensionale nel modo in cui Hartle e Hawking immaginavano naturalmente cresce in un universo come il nostro. Hawking e Hartle hanno sostenuto che in effetti sarebbe-che gli universi senza confini tenderanno ad essere enormi, incredibilmente lisci, incredibilmente piatti e in espansione, proprio come il cosmo reale., ” Il problema con l’approccio di Stephen e Jim è che era ambiguo”, ha detto Turok — ” profondamente ambiguo.”
Nel loro articolo del 2017, pubblicato su Physical Review Letters, Turok e i suoi coautori hanno affrontato la proposta no-boundary di Hartle e Hawking con nuove tecniche matematiche che, a loro avviso, rendono le sue previsioni molto più concrete di prima. ” Abbiamo scoperto che è fallito miseramente”, ha detto Turok. “Non era possibile quantum meccanicamente per un universo iniziare nel modo in cui immaginavano.,”Il trio ha controllato la loro matematica e interrogato le loro ipotesi sottostanti prima di diventare pubbliche, ma “sfortunatamente”, ha detto Turok, “sembrava inevitabile che la proposta di Hartle-Hawking fosse un disastro.”
Il documento ha acceso una polemica. Altri esperti hanno montato una vigorosa difesa dell’idea no-boundary e una confutazione del ragionamento di Turok e colleghi. ” Non siamo d’accordo con le sue argomentazioni tecniche”, ha detto Thomas Hertog, un fisico dell’Università cattolica di Lovanio in Belgio che ha collaborato strettamente con Hawking negli ultimi 20 anni della sua vita., “Ma più fondamentalmente, non siamo d’accordo anche con la sua definizione, il suo quadro, la sua scelta di principi. E questa è la discussione più interessante.”
Dopo due anni di sparring, i gruppi hanno tracciato il loro disaccordo tecnico a credenze diverse su come funziona la natura. Il dibattito acceso – ma amichevole-ha aiutato a rassodare l’idea che la maggior parte solleticava la fantasia di Hawking., Anche i critici della sua formula specifica e di Hartle, tra cui Turok e Lehners, stanno creando modelli quantistici-cosmologici concorrenti che cercano di evitare le presunte insidie dell’originale pur mantenendo il suo fascino sconfinato.
Garden of Cosmic Delights
Hartle e Hawking si sono visti molto dagli anni ‘ 70 in poi, in genere quando si sono incontrati a Cambridge per lunghi periodi di collaborazione. Le indagini teoriche del duo sui buchi neri e le misteriose singolarità al loro centro li avevano rivolti alla questione della nostra origine cosmica.,
Nel 1915, Albert Einstein scoprì che le concentrazioni di materia o energia deformano il tessuto dello spazio-tempo, causando la gravità. Negli anni ‘ 60, Hawking e il fisico dell’Università di Oxford Roger Penrose dimostrarono che quando lo spazio-tempo si piega abbastanza ripidamente, come all’interno di un buco nero o forse durante il Big Bang, inevitabilmente collassa, curvando infinitamente ripidamente verso una singolarità, dove le equazioni di Einstein si rompono e una nuova teoria quantistica della gravità è necessaria. I “teoremi di singolarità” di Penrose-Hawking significavano che non c’era modo per lo spazio-tempo di iniziare senza intoppi, senza problemi in un punto.,
Hawking e Hartle furono quindi portati a riflettere sulla possibilità che l’universo fosse iniziato come spazio puro, piuttosto che come spazio-tempo dinamico. E questo li ha portati alla geometria del volano. Hanno definito la funzione d’onda senza confini che descrive un tale universo usando un approccio inventato dall’eroe di Hawking, il fisico Richard Feynman. Nel 1940, Feynman ha ideato uno schema per calcolare i risultati più probabili di eventi meccanici quantistici., Per prevedere, ad esempio, i risultati più probabili di una collisione di particelle, Feynman ha scoperto che si potevano riassumere tutti i possibili percorsi che le particelle in collisione potevano prendere, ponderando i percorsi semplici più di quelli contorti nella somma. Calcolando questo “integrale di percorso” si ottiene la funzione d’onda: una distribuzione di probabilità che indica i diversi stati possibili delle particelle dopo la collisione.
Allo stesso modo, Hartle e Hawking hanno espresso la funzione d’onda dell’universo — che descrive i suoi stati probabili — come la somma di tutti i modi possibili in cui potrebbe essersi espanso agevolmente da un punto., La speranza era che la somma di tutte le possibili “storie di espansione”, universi dal fondo liscio di tutte le diverse forme e dimensioni, avrebbe prodotto una funzione d’onda che dà un’alta probabilità a un universo enorme, liscio e piatto come il nostro. Se la somma ponderata di tutte le possibili storie di espansione produce un altro tipo di universo come il risultato più probabile, la proposta senza confini fallisce.
Il problema è che l’integrale del percorso su tutte le storie di espansione possibili è troppo complicato da calcolare esattamente. Innumerevoli diverse forme e dimensioni di universi sono possibili, e ciascuno può essere un affare disordinato., “Murray Gell-Mann mi chiedeva”, disse Hartle, riferendosi al defunto fisico vincitore del premio Nobel, ” se conosci la funzione d’onda dell’universo, perché non sei ricco?”Naturalmente, per risolvere effettivamente la funzione d’onda usando il metodo di Feynman, Hartle e Hawking hanno dovuto semplificare drasticamente la situazione, ignorando anche le particelle specifiche che popolano il nostro mondo (il che significava che la loro formula non era neanche lontanamente in grado di prevedere il mercato azionario)., Consideravano il percorso integrale su tutti i possibili universi giocattolo nel “minisuperspazio”, definito come l’insieme di tutti gli universi con un unico campo energetico che li attraversa: l’energia che alimentava l’inflazione cosmica. (Nella foto del volano di Hartle e Hawking, quel periodo iniziale di mongolfiera corrisponde al rapido aumento del diametro vicino al fondo del tappo.)
Anche il calcolo del minisuperspazio è difficile da risolvere esattamente, ma i fisici sanno che ci sono due possibili storie di espansione che potenzialmente dominano il calcolo., Queste forme di universo rivali ancorano i due lati del dibattito attuale.
Le soluzioni rivali sono le due storie di espansione “classiche” che un universo può avere. A seguito di un iniziale scatto di inflazione cosmica dalla dimensione zero, questi universi si espandono costantemente secondo la teoria della gravità e dello spazio-tempo di Einstein. Storie di espansione più strane, come gli universi a forma di calcio o quelli simili a caterpillar, si annullano per lo più nel calcolo quantistico.
Una delle due soluzioni classiche assomiglia al nostro universo., Su larga scala, è liscia e casualmente macchiata di energia, a causa delle fluttuazioni quantistiche durante l’inflazione. Come nell’universo reale, le differenze di densità tra le regioni formano una curva a campana intorno allo zero. Se questa possibile soluzione domina effettivamente la funzione d’onda per il minisuperspazio, diventa plausibile immaginare che una versione molto più dettagliata ed esatta della funzione d’onda senza confini possa servire come modello cosmologico praticabile dell’universo reale.
L’altra forma dell’universo potenzialmente dominante non è nulla come la realtà., Man mano che si allarga, l’energia che lo infonde varia sempre più estremamente, creando enormi differenze di densità da un luogo all’altro che la gravità peggiora costantemente. Le variazioni di densità formano una curva a campana invertita, dove le differenze tra le regioni non si avvicinano a zero, ma all’infinito. Se questo è il termine dominante nella funzione d’onda no-boundary per minisuperspace, allora la proposta di Hartle-Hawking sembrerebbe essere sbagliata.
Le due storie di espansione dominanti presentano una scelta su come dovrebbe essere fatto l’integrale del percorso., Se le storie dominanti sono due posizioni su una mappa, megalopoli nel regno di tutti i possibili universi della meccanica quantistica, la domanda è quale percorso dovremmo prendere attraverso il terreno. Quale storia di espansione dominante, e ce ne può essere solo una, dovrebbe riprendere il nostro “contorno di integrazione”? I ricercatori hanno biforcuto percorsi diversi.
Nel loro articolo 2017, Turok, Feldbrugge e Lehners hanno intrapreso un percorso attraverso il giardino delle possibili storie di espansione che hanno portato alla seconda soluzione dominante., A loro avviso, l’unico contorno sensibile è quello che esegue la scansione attraverso valori reali (al contrario di valori immaginari, che coinvolgono le radici quadrate dei numeri negativi) per una variabile chiamata “lapse.”Lapse è essenzialmente l’altezza di ogni possibile universo volano — la distanza necessaria per raggiungere un certo diametro. In mancanza di un elemento causale, lapse non è del tutto la nostra solita nozione di tempo. Eppure Turok e colleghi sostengono in parte sulla base della causalità che solo i valori reali di lapse hanno senso fisico., E sommare gli universi con valori reali di lapse porta alla soluzione selvaggiamente fluttuante, fisicamente insensata.
“La gente ripone grande fiducia nell’intuizione di Stephen”, ha detto Turok per telefono. “Per una buona ragione-Voglio dire, probabilmente ha avuto la migliore intuizione di chiunque su questi argomenti. Ma non aveva sempre ragione.”
Universi Immaginari
Jonathan Halliwell, un fisico dell’Imperial College di Londra, ha studiato la proposta no-boundary da quando era studente di Hawking negli anni ‘ 80. Lui e Hartle hanno analizzato la questione del contorno dell’integrazione nel 1990., A loro avviso, così come Hertog e apparentemente Hawking, il contorno non è fondamentale, ma piuttosto uno strumento matematico che può essere posizionato al massimo vantaggio. È simile a come la traiettoria di un pianeta attorno al sole può essere espressa matematicamente come una serie di angoli, come una serie di volte, o in termini di uno qualsiasi dei molti altri parametri convenienti. ” Puoi fare questa parametrizzazione in molti modi diversi, ma nessuno di loro è più fisico di un altro”, ha detto Halliwell.,
Lui ei suoi colleghi sostengono che, nel caso minisuperspace, solo i contorni che riprendono la buona storia di espansione hanno senso. La meccanica quantistica richiede probabilità da aggiungere a 1, o essere “normalizzabile”, ma l’universo selvaggiamente fluttuante su cui è atterrato il team di Turok non lo è. Questa soluzione è priva di senso, afflitta da infiniti e negata dalle leggi quantistiche — segni evidenti, secondo i difensori di no-boundary, per camminare dall’altra parte.
È vero che i contorni che passano attraverso la buona soluzione riassumono possibili universi con valori immaginari per le loro variabili lapse., Ma a parte Turok e compagnia, poche persone pensano che sia un problema. I numeri immaginari pervadono la meccanica quantistica. Per il team Hartle-Hawking, i critici invocano una falsa nozione di causalità nel chiedere che il lapse sia reale. ” Questo è un principio che non è scritto nelle stelle e con cui siamo profondamente in disaccordo”, ha detto Hertog.
Secondo Hertog, Hawking ha raramente menzionato la formulazione integrale del percorso della funzione d’onda no-boundary nei suoi ultimi anni, in parte a causa dell’ambiguità intorno alla scelta del contorno., Considerava la storia dell’espansione normalizzabile, che l’integrale del percorso aveva semplicemente aiutato a scoprire, come la soluzione a un’equazione più fondamentale sull’universo posta negli anni ‘ 60 dai fisici John Wheeler e Bryce DeWitt. Wheeler e DeWitt-dopo aver riflettuto sulla questione durante una sosta a Raleigh — Durham International-hanno sostenuto che la funzione d’onda dell’universo, qualunque essa sia, non può dipendere dal tempo, poiché non esiste un orologio esterno con cui misurarlo., E così la quantità di energia nell’universo, quando sommate i contributi positivi e negativi della materia e della gravità, deve rimanere a zero per sempre. La funzione d’onda no-boundary soddisfa l’equazione Wheeler-DeWitt per il minisuperspazio.
Negli ultimi anni della sua vita, per comprendere meglio la funzione d’onda più in generale, Hawking e i suoi collaboratori hanno iniziato ad applicare l’olografia — un nuovo approccio di successo che tratta lo spazio-tempo come un ologramma., Hawking cercò una descrizione olografica di un universo a forma di volano, in cui la geometria dell’intero passato si proiettasse fuori dal presente.
Questo sforzo continua in assenza di Hawking. Ma Turok vede questo cambiamento di enfasi come cambiare le regole. Nel fare marcia indietro dalla formulazione integrale percorso, dice, i fautori dell’idea no-boundary hanno reso mal definito. Quello che stanno studiando non è più Hartle-Hawking, a suo parere – anche se Hartle stesso non è d’accordo.,
Nell’ultimo anno, Turok e i suoi colleghi del Perimeter Institute Latham Boyle e Kieran Finn hanno sviluppato un nuovo modello cosmologico che ha molto in comune con la proposta no-boundary. Ma invece di un volano, ne immagina due, disposti da sughero a sughero in una sorta di figura a clessidra con il tempo che scorre in entrambe le direzioni., Mentre il modello non è ancora sviluppato abbastanza per fare previsioni, il suo fascino sta nel modo in cui i suoi lobi realizzano la simmetria CPT, uno specchio apparentemente fondamentale in natura che riflette simultaneamente materia e antimateria, sinistra e destra, e avanti e indietro nel tempo. Uno svantaggio è che i lobi dell’immagine speculare dell’universo si incontrano in una singolarità, un pizzico nello spazio-tempo che richiede la teoria quantistica sconosciuta della gravità per capire. Boyle, Finn e Turok prendono una pugnalata alla singolarità, ma un tale tentativo è intrinsecamente speculativo.,
C’è stato anche un risveglio di interesse per la “proposta di tunneling”, un modo alternativo che l’universo potrebbe essere sorto dal nulla, concepito negli anni ’80 indipendentemente dai cosmologi russo-americani Alexander Vilenkin e Andrei Linde. La proposta, che differisce dalla funzione d’onda no-boundary principalmente per mezzo di un segno meno, proietta la nascita dell’universo come un evento di “tunneling” meccanico quantistico, simile a quando una particella si apre oltre una barriera in un esperimento di meccanica quantistica.,
Le domande abbondano su come le varie proposte si intersecano con il ragionamento antropico e la famigerata idea del multiverso. La funzione d’onda senza confini, ad esempio, favorisce gli universi vuoti, mentre la materia e l’energia significative sono necessarie per alimentare l’enormità e la complessità. Hawking sosteneva che la vasta diffusione di universi possibili permessa dalla funzione d’onda deve essere realizzata in un multiverso più grande, all’interno del quale solo universi complessi come il nostro avranno abitanti in grado di fare osservazioni., (Il recente dibattito riguarda se questi universi complessi e abitabili saranno lisci o selvaggiamente fluttuanti.) Un vantaggio della proposta di tunneling è che favorisce la materia – e gli universi pieni di energia come il nostro senza ricorrere al ragionamento antropico-sebbene gli universi che si tunnel nell’esistenza possano avere altri problemi.
Non importa come vanno le cose, forse rimarremo con qualche essenza del quadro Hawking dipinto per la prima volta alla Pontificia Accademia delle Scienze 38 anni fa., O forse, invece di un polo Sud-come non-inizio, l’universo è emerso da una singolarità, dopo tutto, chiedendo un diverso tipo di funzione d’onda del tutto. In entrambi i casi, l’inseguimento continuerà. “Se stiamo parlando di una teoria quantistica meccanica, cos’altro c’è da trovare oltre alla funzione d’onda?”chiese Juan Maldacena, un eminente fisico teorico presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, che è rimasto per lo più fuori dalla recente mischia., La questione della funzione d’onda dell’universo “è la domanda giusta da porsi”, ha detto Maldacena, che, tra l’altro, è membro della Pontificia Accademia. “Se stiamo trovando la giusta funzione d’onda, o come dovremmo pensare alla funzione d’onda — è meno chiaro.”
Correzione: Questo articolo è stato rivisto il 6 giugno 2019, per elencare Latham Boyle e Kieran Finn come co-sviluppatori dell’idea CPT-symmetric universe.
Questo articolo è stato ristampato su Wired.com.