Recentemente, l'idea principale di Stephen Hawking - che l'universo avrebbe potuto sorgere dal nulla - è stata messa in discussione ei cosmologi hanno dovuto scegliere da che parte stare. Dopo due anni di confronto, gli scienziati hanno convenuto che le loro differenze si riducono a punti di vista diversi su come funziona la natura. Il dibattito amichevole ha contribuito a preservare il valore dell'idea di Hawking.
Nel 1981 molti dei più importanti cosmologi del mondo si sono riuniti presso la Pontificia Accademia delle Scienze, che ha assistito alla fusione di scienza e teologia, situata in un'elegante villa nei Giardini Vaticani. Stephen Hawking ha scelto il giorno di agosto per presentare quella che in seguito avrebbe chiamato la sua idea più importante: l'ipotesi che l'universo potesse essere nato dal nulla.
Prima del discorso di Hawking, tutte le storie di origine cosmologica, scientifica o teologica, erano discutibili: "Cosa è successo prima?" Ad esempio, la teoria del Big Bang - proposta per la prima volta 50 anni prima della conferenza di Hawking del fisico belga e sacerdote cattolico Georges Lemaître, che in seguito fu presidente dell'Accademia delle scienze vaticana - afferma che prima dell'inizio dell'espansione, l'universo era un caldo e denso fascio di energia … Ma da dove veniva l'energia originale?
La teoria del Big Bang aveva anche altri difetti. I fisici capirono che il fascio di energia in espansione si sarebbe piuttosto trasformato in qualcosa di accartocciato e caotico, piuttosto che nell'enorme spazio liscio che osservano gli astronomi moderni. Nel 1980, un anno prima del discorso di Hawking, il cosmologo Alan Guth si rese conto che le imprecisioni del Big Bang potevano essere corrette con una piccola aggiunta: un picco esponenziale iniziale nella crescita noto come inflazione cosmica che avrebbe reso l'universo enorme, fluido e piatto. prima che la gravità potesse distruggerlo. L'inflazione è diventata rapidamente la teoria principale per l'origine del nostro cosmo. Eppure la domanda rimaneva, quali erano le condizioni iniziali: dove si trovava il minuscolo punto che si supponeva si fosse gonfiato nel nostro universo e l'energia potenziale che lo espandeva?
Il magnifico Hawking ha trovato un modo per porre fine a infiniti tentativi di guardare ancora più in là nel passato: pensava che non ci fosse né fine né inizio. Secondo i verbali della conferenza in Vaticano, il fisico di Cambridge, allora 39 anni e che poteva ancora parlare con la propria voce, disse al pubblico: “Deve esserci qualcosa di speciale in condizioni ai confini dell'universo, e cosa potrebbe essere più speciale di questo. uno stato in cui non c'è confine?"
Hawking e James Hartle, con i quali hanno spesso lavorato insieme, hanno finalmente formulato la loro "ipotesi senza confini" nel loro articolo del 1983, dove hanno suggerito che il cosmo ha la forma di un volano. Proprio come un volano ha un diametro pari a zero nel suo punto più basso e si espande gradualmente nel suo percorso verso l'alto, l'universo, secondo l'ipotesi dell'assenza di confini, si espande dolcemente da un punto di dimensione zero. Hartle e Hawking hanno escogitato una formula che descrive l'intero volano - la cosiddetta "funzione d'onda dell'universo" che comprende l'intero passato, presente e futuro - rendendo insignificante la ricerca delle origini della creazione, del creatore o di qualsiasi transizione da uno stato a un altro nel passato.
"In accordo con l'ipotesi dell'assenza di confini, non ha senso porsi la domanda su cosa sia successo prima del Big Bang, poiché non esiste un concetto di tempo che possa diventare un punto di partenza", ha detto Hawking durante un'altra conferenza alla Pontificia Accademia nel 2016, un anno e mezzo prima della sua morte. "È come chiedere cosa c'è a sud del Polo Sud."
L'ipotesi di Hartle-Hawking ha rivisto radicalmente il concetto di tempo. Ogni momento nell'universo è diventato uno spaccato di un volano; mentre percepiamo l'universo come in espansione e in evoluzione di momento in momento, il tempo è in realtà costituito da correlazioni tra la dimensione dell'universo in ciascuna sezione e altre proprietà, in particolare la sua entropia o disordine. L'entropia aumenta dal sughero alle piume, mirando alla freccia del tempo emergente. Tuttavia, vicino al fondo arrotondato della navetta, le correlazioni sono meno affidabili; il tempo cessa di esistere e viene sostituito dal puro spazio. Hartle, professore all'Università della California a Santa Barbara, che ora ha 79 anni, ha recentemente commentato in una conversazione telefonica: “Non c'erano uccelli nel primo universo; successivamente apparvero gli uccelli. Non c'era tempo nell'universo primordialee poi è apparso il tempo."
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L'ipotesi senza confini affascina e ispira i fisici da quasi quarant'anni. "È un'idea straordinariamente bella e provocatoria", ha affermato Neil Turok, cosmologo presso il Canadian Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo ed ex collaboratore di Hawking. L'ipotesi era la prima bozza di una descrizione quantistica del cosmo - la funzione d'onda dell'universo. Presto emerse un intero campo della scienza, la cosmologia quantistica, e vari ricercatori iniziarono a offrire idee alternative su come l'universo potesse venire dal nulla, analizzarono varie previsioni e modi per testare queste teorie e interpretarono le loro implicazioni filosofiche. La funzione d'onda infinita "era in qualche modo la spiegazione più semplice per questo", ha detto Hartle.
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 sfidato l'ipotesi di Hartle-Hawking. Questa ipotesi, ovviamente, è valida solo se un universo che emerge da un punto adimensionale, come immaginavano Hartle e Hawking, cresce naturalmente in un universo come il nostro. Hawking e Hartl hanno sostenuto che questo è davvero il caso: è probabile che gli universi senza confini siano enormi, incredibilmente fluidi, straordinariamente piatti ed in espansione, proprio come il cosmo stesso. "Il problema con l'approccio di Stephen e Jim è che era ambiguo", ha detto Turok, "profondamente ambiguo".
In un articolo del 2017 su Physical Review Letters, Turok ei suoi coautori hanno affrontato l'ipotesi senza confini di Hartle-Hawking con nuovi metodi matematici che ritengono rendano le sue previsioni molto più specifiche. di prima. "Abbiamo scoperto che aveva fallito miseramente", ha detto Turok. "In termini di meccanica quantistica, l'universo semplicemente non sarebbe potuto apparire come immaginavano". I tre scienziati hanno controllato attentamente i calcoli ei dati originali prima di rilasciarli, ma "sfortunatamente", ha detto Turok, "sembrava inevitabile che la proposta di Hartle-Hawking non fosse adatta".
La controversia è scoppiata su questo articolo. Altri esperti hanno sostenuto con veemenza l'idea di nessun confine e hanno confutato le argomentazioni di Turok e dei suoi colleghi. "Non siamo d'accordo con i suoi argomenti tecnici", ha detto Thomas Hertog, un fisico dell'Università Cattolica di Lovanio in Belgio che ha lavorato a stretto contatto con Hawking negli ultimi 20 anni della sua vita. “Ma, cosa più importante, siamo anche in disaccordo con la sua definizione, il suo concetto, la sua metodologia. Questo è ciò di cui vorremmo discutere in primo luogo”.
Dopo due anni di confronto, i gruppi di scienziati hanno convenuto che le loro differenze si riducono a visioni diverse di come funziona la natura. Un dibattito acceso, ma allo stesso tempo amichevole, ha contribuito a preservare il valore dell'idea che ha entusiasmato Hawking. Anche i loro critici con Hartl della formula speciale, e compresi Turok e Lehner, sviluppano modelli cosmologici quantistici concorrenti, cercando di evitare le supposte insidie dell'originale, pur mantenendo il fascino dell'idea di infinito.
Il giardino delle delizie cosmiche
Dagli anni '70, Hartle e Hawking si incontrarono frequentemente, di solito quando avevano lunghe collaborazioni a Cambridge. Gli studi teorici dei buchi neri e delle misteriose singolarità nei loro centri li hanno costretti a rivolgersi alla questione dell'origine del nostro universo.
Nel 1915 Albert Einstein scoprì che le concentrazioni di materia o energia deformano il tessuto dello spaziotempo, producendo gravità. Negli anni '60, il fisico di Hawking e dell'Università di Oxford Roger Penrose dimostrò che quando lo spaziotempo si piega abbastanza bruscamente, ad esempio all'interno di un buco nero o forse durante il Big Bang, collassa inevitabilmente, curvandosi infinitamente lato della singolarità, dove le equazioni di Einstein non funzionano ed è necessaria una nuova teoria quantistica della gravità. I teoremi della singolarità di Penrose-Hawking affermano che lo spazio-tempo non può sorgere in modo fluido, non nitido a un certo punto.
Pertanto, Hawking e Hartl hanno riflettuto sulla possibilità che l'universo fosse nato come spazio puro piuttosto che come spazio-tempo dinamico. E questo li ha portati all'idea della geometria del volano. Hanno definito una funzione d'onda illimitata per descrivere un tale universo utilizzando un approccio inventato dal fisico idolo di Hawking Richard Feynman. Negli anni '40, Feynman sviluppò uno schema per calcolare gli esiti più probabili di eventi di meccanica quantistica. Feynman ha scoperto che, ad esempio, per prevedere i risultati più probabili di una collisione di particelle, si potrebbero riassumere tutti i possibili percorsi che le particelle in collisione potrebbero percorrere, dando ai percorsi rettilinei più importanza dei meandri. Il calcolo di questo "integrale di percorso" fornisce la funzione d'onda: la distribuzione di probabilità,indicando i vari stati possibili delle particelle dopo la collisione.
Allo stesso modo, Hartle e Hawking hanno presentato la funzione d'onda dell'universo, descrivendone i probabili stati, come la somma di tutti i possibili percorsi in cui potrebbe espandersi senza problemi da un punto. Speravano che la somma di tutte le possibili "storie di espansione", universi dal fondo liscio di tutte le forme e dimensioni, avrebbe prodotto una funzione d'onda che avrebbe probabilmente generato un universo enorme, liscio e piatto come il nostro. Se la somma ponderata di tutte le possibili storie di espansione è il risultato più probabile di qualche altro tipo di universo, l'ipotesi senza confini è incoerente.
Il problema è che l'integrale su tutte le possibili storie di espansione è troppo complesso per essere calcolato con precisione. Esistono innumerevoli variazioni nelle forme e nelle dimensioni degli universi, e ognuna di esse può rivelarsi una storia molto confusa. "Murray Gell-Mann mi chiedeva", ha detto Hartle del defunto fisico vincitore del Premio Nobel, "se conosci la funzione d'onda dell'universo, perché non sei diventato ricco?" Naturalmente, per trovare effettivamente la funzione d'onda utilizzando il metodo di Feynman, Hartl e Hawking hanno dovuto semplificare radicalmente la situazione, ignorando anche le particelle specifiche che abitano il nostro mondo (il che significava che la loro formula era molto lontana dal prevedere i mercati azionari). Credevano che la traiettoria fosse parte integrante di tutti i possibili universi di giocattoli nel "mini-superspazio",cioè, nell'aggregato di tutti gli universi con un unico campo energetico che li attraversa: l'energia che alimentava l'inflazione cosmica. (Nel volano Hartle-Hawking, questo periodo di espansione iniziale corrisponde a un rapido aumento del diametro alla base del tappo.)
Anche il minisuperspazio è difficile da calcolare con precisione, ma i fisici sanno che ci sono due possibili storie di espansione che potrebbero essere i risultati più probabili di questi calcoli. Queste forme concorrenti dell'universo corrispondono a due lati dell'attuale dibattito.
Queste due teorie concorrenti rappresentano due storie "classiche" dell'espansione dell'universo che avrebbe potuto avere luogo. Dopo l'esplosione iniziale dell'inflazione cosmica di dimensione zero, questi universi si stanno espandendo costantemente secondo la teoria della gravità e dello spaziotempo di Einstein. Storie di espansione più complesse, come gli universi di pallone da calcio e bruco, sono ampiamente negate dal calcolo quantistico.
Una delle due soluzioni classiche ricorda il nostro universo. Su scala più ampia, è regolare e l'energia viene dispersa in modo casuale in tutto esso a causa delle fluttuazioni quantistiche durante l'inflazione. Come nell'universo reale, le differenze di densità tra le sue diverse regioni formano una curva gaussiana prossima allo zero. Se questa possibile soluzione è davvero la più plausibile quando si calcola la funzione d'onda per il minisuperspazio, è possibile immaginare che una versione molto più dettagliata e accurata della funzione d'onda infinita potrebbe servire come un modello cosmologico praticabile dell'universo reale.
Un'altra forma potenzialmente dominante dell'universo non è affatto come quella reale. Man mano che si espande, l'energia che lo riempie varia sempre più bruscamente, creando enormi gradienti di densità da un luogo all'altro e la gravità è in costante aumento. I cambiamenti di densità formano una curva gaussiana invertita, in cui le differenze tra le regioni si avvicinano all'infinito, invece che a zero. Se questo è il termine dominante nella funzione d'onda infinita per il minisuperspazio, la proposta di Hartle-Hawking potrebbe sembrare sbagliata.
Due storie di espansione dominante ci costringono a scegliere come deve essere eseguito l'integrale del percorso. Se le storie dominanti sono due luoghi su una mappa, megalopoli nel regno di tutti i possibili universi della meccanica quantistica, la domanda è quale traiettoria dovremmo prendere attraverso queste terre. Quale storia dominante di espansione, e ce ne può essere solo una, dovrebbe scegliere il nostro "contorno di integrazione"? I ricercatori hanno già tracciato strade diverse.
In un articolo del 2017, Turok, Feldbrugge e Lehner hanno intrapreso un percorso attraverso il giardino di possibili storie di espansione che li ha portati a una seconda decisione dominante. Secondo loro, l'unico contorno sensibile è quello che guarda ai valori reali (al contrario dei valori immaginari, che includono le radici quadrate dei numeri negativi) per una variabile chiamata "spaziatura". Fondamentalmente, la spaziatura è l'altezza di ogni possibile universo volano, la distanza alla quale raggiunge un certo diametro. Poiché la deviazione non ha un punto di partenza, non si adatta alla nostra comprensione del tempo. Tuttavia, Turok ei suoi colleghi si riferiscono in parte nel loro ragionamento alla causalità, sostenendo che i significati fisici hanno solo valori reali dell'intervallo. E la somma su universi con valori reali di questa variabile porta a una soluzione altamente instabile e priva di significato dal punto di vista della fisica.
"Le persone danno molto valore all'intuizione di Steven", ha detto Turok al telefono. “Per ovvie ragioni - voglio dire, probabilmente ha avuto la migliore intuizione su queste cose. Ma non ha sempre avuto ragione ".
Mondi immaginari
Jonathan Halliwell, un fisico dell'Imperial College di Londra, ha studiato l'ipotesi del non confine da quando ha studiato con Hawking negli anni '80. Insieme a Hartl, hanno analizzato la questione del profilo dell'integrazione nel 1990. Dal loro punto di vista, così come dal punto di vista di Hertog e, a quanto pare, di Hawking, il contorno non è fondamentale, ma piuttosto lo strumento matematico che fornisce i maggiori vantaggi. Allo stesso modo, la traiettoria di un pianeta attorno al Sole può essere rappresentata matematicamente come una serie di angoli, come una serie di tempi o come uno qualsiasi di molti altri parametri convenienti. "È possibile eseguire questa stima dei parametri in molti modi, ma nessuno di essi è più fisico dell'altro", ha detto Halliwell.
Lui ei suoi colleghi sostengono che nel caso del minisuperspazio hanno senso solo i contorni che catturano la storia di espansione corretta. La meccanica quantistica richiede che le probabilità sommino fino a 1 o siano "normalizzabili", ma l'universo altamente instabile in cui è arrivata la squadra di Turok non lo è. Questa decisione è priva di significato, soffre di infiniti e non obbedisce alle leggi quantistiche - secondo i sostenitori dell'ipotesi senza confini, questo indica chiaramente la necessità di andare dall'altra parte.
È vero che i contorni che passano per la soluzione corretta riassumono i possibili universi con i valori immaginari delle loro variabili. Ma a parte Turok e compagnia, pochi lo considerano un problema. I numeri immaginari pervadono la meccanica quantistica. I critici del team di Hartle-Hawking citano un'idea sbagliata della causalità chiedendo che l '"intervallo" sia reale. "Questo è un principio che non è stabilito dal cielo e con il quale siamo profondamente in disaccordo", dice Hertog.
Hertog dice che Hawking ha raramente menzionato la forma integrale del percorso della funzione d'onda infinita negli ultimi anni, in parte a causa dell'ambiguità nella scelta del contorno. Considerava la storia dell'espansione normalizzata, che è stata recentemente scoperta utilizzando il percorso integrale, come una soluzione a un'equazione più fondamentale dell'universo, posta negli anni '60 dai fisici John Wheeler e Bryce DeWitt. Wheeler e DeWitt, riflettendo su questa domanda mentre si fermavano all'aeroporto internazionale di Raleigh-Durham, hanno sostenuto che la funzione d'onda dell'universo, qualunque essa sia, non può essere dipendente dal tempo, poiché non esiste un orologio esterno con il quale potrebbe essere misurare. Pertanto, la quantità di energia nell'universo quando si sommano i contributi positivi e negativi della materia e della gravità deve sempre rimanere zero. La funzione d'onda illimitata soddisfa l'equazione di Wheeler-DeWitt per il minisuperspazio.
Negli ultimi anni di vita di Hawking, lui ei suoi colleghi hanno iniziato a utilizzare l'olografia, un nuovo approccio di successo che vede lo spazio-tempo come un ologramma, per comprendere meglio la funzione d'onda nel suo insieme. Hawking ha cercato una descrizione olografica dell'universo sotto forma di un volano, in cui la geometria dell'intero passato sarebbe stata proiettata dal presente.
Questi sforzi continuano in assenza di Hawking. Ma il turco vede questo spostamento di enfasi come un cambiamento nelle regole. Secondo lui, rifiutandosi di formulare il percorso integrale, i sostenitori del modello senza confini lo hanno reso mal definito. Secondo lui, quello che stanno studiando non è più il modello di Hartle-Hawking, anche se lo stesso Hartl non è d'accordo.
Nell'ultimo anno, Turok ei suoi colleghi del Perimeter Institute Latham Boyle e Kieran Finn hanno sviluppato un nuovo modello cosmologico che ha molto in comune con il modello senza confini. Ma invece di un volano, è costituito da due tappi a forma di clessidra in cui il tempo scorre in entrambe le direzioni. Sebbene il modello non sia ancora sufficientemente sviluppato per prevedere nulla, la sua bellezza sta nel fatto che i suoi petali implementano la simmetria CPT, apparentemente uno specchio naturale fondamentale che riflette simultaneamente materia e antimateria, sinistra e destra, così come avanti e indietro. tornare in tempo. Uno dei suoi svantaggi è che i petali dell'immagine speculare dell'universo si verificano al singolare, nello spazio-tempo,che richiede una comprensione della teoria quantistica sconosciuta della gravità. Boyle, Finn e Turok scommettono sulla singolarità, ma questo tentativo è speculativo.
C'è anche una rinascita di interesse per il "modello di tunneling", una visione alternativa dell'origine dell'universo dal nulla, sviluppata negli anni '80 dai cosmologi indipendenti russo-americani Alexander Vilenkin e Andrey Linde. Il modello, che differisce dalla funzione d'onda infinita principalmente per il segno meno, considera la nascita dell'Universo come un evento di "tunneling" meccanico quantistico, simile a quando una particella galleggia dietro una barriera in un esperimento di meccanica quantistica.
Ci sono molte domande su come i vari modelli si relazionano al ragionamento antropico e all'idea famigerata di multiverso. Ad esempio, una funzione d'onda infinita favorisce gli universi vuoti, mentre un universo enorme e complesso richiede quantità significative di materia ed energia. Hawking ha sostenuto che una vasta gamma di possibili universi che si adattano alla funzione d'onda deve essere realizzata in un multiverso più ampio, all'interno del quale solo universi complessi come il nostro avranno abitanti in grado di osservare. (La controversia recente ruota attorno alla questione se questi universi abitabili complessi saranno fluidi o altamente fluttuanti.) Il vantaggio del modello di tunneling è che favorisce gli universi pieni di materia ed energia.come il nostro, non c'è bisogno di ricorrere al ragionamento antropico, sebbene gli universi che si trasformano in tunnel nell'esistenza possano avere altri problemi.
Qualunque cosa accada, forse parte dell'essenza del dipinto, dipinto per la prima volta da Hawking alla Pontificia Accademia delle Scienze 38 anni fa, rimarrà ancora. O forse, invece di un non-inizio come il Polo Sud, l'universo è emerso dalla singolarità, ed è richiesto un tipo completamente diverso di funzione d'onda. In ogni caso la ricerca continuerà. "Se parliamo di teoria della meccanica quantistica, cos'altro si può trovare oltre alla funzione d'onda?" ha chiesto Juan Maldacena, un illustre fisico teorico presso l'Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, che si è ampiamente tenuto in disparte dalle recenti controversie. Secondo Maldacena, che, tra l'altro, è membro della Pontificia Accademia, la questione della funzione d'onda dell'universo è "la domanda giusta". "Troviamo la funzione d'onda corretta,o come dovremmo immaginare la funzione d'onda non è più così chiara ".
Natalie Wolchover
