Le fluttuazioni del vuoto possono causare la formazione di proto-universi virtuali, che, in determinate condizioni, sono in grado di passare da uno stato virtuale a uno reale.
I fisici hanno cercato per molti anni di costruire una teoria quantistica della gravità - finora, purtroppo, senza successo. Quasi tutti concordano sul fatto che una tale teoria dovrebbe combinare la teoria relativistica della gravitazione di Einstein con la meccanica quantistica, e questo è un compito molto, molto difficile.
La meccanica quantistica, con tutti i suoi paradossi, descrive tuttavia le proprietà degli oggetti che esistono nello spazio newtoniano non curvo. La futura teoria della gravità dovrebbe estendere le leggi probabilistiche della meccanica quantistica alle proprietà dello spazio stesso (più precisamente, spazio-tempo), deformato secondo le equazioni della teoria della relatività generale. Come farlo utilizzando rigorosi calcoli matematici, nessuno lo sa ancora.
Parto freddo
Tuttavia, le strade per una tale unione possono essere pensate a livello qualitativo, e qui appaiono prospettive molto interessanti. Uno di loro è stato considerato dal famoso cosmologo, professore all'Università dell'Arizona Lawrence Krauss nel suo libro di recente pubblicazione “A Universe From Nothing”. La sua ipotesi sembra fantastica, ma non contraddice in alcun modo le leggi stabilite della fisica.
Si ritiene che il nostro universo sia nato da uno stato iniziale molto caldo con una temperatura dell'ordine di 1032 kelvin. Tuttavia, è possibile immaginare la fredda nascita degli universi da un vuoto puro, più precisamente dalle sue fluttuazioni quantistiche. È noto che tali fluttuazioni generano moltissime particelle virtuali che sono letteralmente emerse dal nulla e successivamente sono scomparse senza lasciare traccia. Secondo Krauss, le fluttuazioni del vuoto, in linea di principio, sono in grado di dare origine a proto-universi altrettanto effimeri, che, in determinate condizioni, passano da uno stato virtuale a uno reale.
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Universo senza energia
Cosa serve per questo? La prima e principale condizione è che l'embrione dell'universo futuro deve avere zero energia totale. In questo caso, non solo non è destinato a una scomparsa quasi istantanea, ma, al contrario, può esistere per un tempo arbitrariamente lungo. Ciò è dovuto al fatto che, secondo la meccanica quantistica, il prodotto dell'incertezza nell'energia di un oggetto per l'incertezza nella sua vita non dovrebbe essere inferiore al valore finale - la costante di Planck.
La separazione delle interazioni fondamentali nel nostro universo primordiale aveva la natura di una transizione di fase. A temperature molto elevate, le interazioni fondamentali sono state combinate, ma dopo il raffreddamento al di sotto della temperatura critica, la separazione non si è verificata (questo può essere paragonato al super raffreddamento dell'acqua). In questo momento, l'energia del campo scalare associato all'unificazione ha superato la temperatura dell'Universo, che ha dotato il campo di pressione negativa e ha causato l'inflazione cosmologica. L'Universo ha iniziato ad espandersi molto rapidamente e al momento della rottura della simmetria (a una temperatura di circa 1028 K) le sue dimensioni sono aumentate di 1050 volte. In questo momento, anche il campo scalare associato all'unificazione delle interazioni è scomparso e la sua energia è stata trasformata in un'ulteriore espansione dell'Universo.
Non appena l'energia di un oggetto è strettamente uguale a zero, si conosce senza incertezze e quindi il tempo della sua vita può essere infinitamente lungo. È a causa di questo effetto che due corpi carichi situati a distanze molto grandi vengono attratti o respinti l'uno dall'altro. Interagiscono attraverso lo scambio di fotoni virtuali che, a causa della loro massa nulla, si diffondono su qualsiasi distanza. Al contrario, i bosoni vettoriali di gauge che trasportano interazioni deboli, a causa della loro grande massa, esistono solo per circa 10-25 secondi, per cui queste interazioni hanno un raggio molto piccolo.
Che tipo di universo, anche se embrionale, a energia zero? Come ha spiegato il professor Krauss a Popular Mechanics, non c'è nulla di mistico in questo: “L'energia di un tale universo è composta da energia positiva di particelle e radiazioni (e possibilmente anche campi di vuoto scalari) e energia potenziale negativa di gravità. La loro somma può essere uguale a zero: la matematica lo consente. Tuttavia, è molto importante che un tale equilibrio energetico sia possibile solo in mondi chiusi, il cui spazio ha una curvatura positiva. Universi piatti e ancora più aperti non possiedono una tale proprietà”.
La transizione di fase si è verificata nell'evoluzione dell'Universo tre volte: a una temperatura da 10 a 28 gradi K (la Grande Unificazione delle interazioni si è disintegrata), da 10 a 15 gradi K (decadimento dell'interazione elettrodebole) e da 10 a 12 gradi K (i quark hanno iniziato a unirsi in adroni).
Miracoli dell'inflazione
Cosa succede se le fluttuazioni quantistiche del vuoto danno origine a un universo virtuale con energia zero, che, a causa delle possibilità quantistiche, ha ricevuto un po 'di tempo per la vita e l'evoluzione? Dipende dalla sua composizione. Se lo spazio dell'universo è pieno di materia e radiazione, prima si espanderà, raggiungerà la sua dimensione massima e collasserà nel collasso gravitazionale, essendo esistito solo per una minuscola frazione di secondo. È un'altra questione se ci sono campi scalari nello spazio che possono innescare il processo di espansione inflazionistica. Ci sono scenari in cui questa espansione non solo impedisce il collasso gravitazionale dell'universo "bolla", ma lo trasforma anche in un mondo quasi piatto e senza limiti. Così, anche il tempo della sua vita cresce incommensurabilmente, quasi all'infinito. Quindi,un minuscolo universo virtuale diventa del tutto reale, enorme e longevo. Anche se la sua età è finita, potrebbe benissimo superare l'età attuale del nostro universo. Pertanto, stelle e ammassi stellari, pianeti e persino, cosa diavolo non sta scherzando, la vita intelligente può apparire lì. Un universo a tutti gli effetti che è nato letteralmente dal nulla: questi sono i miracoli di cui è capace l'inflazione!
Alexey Levin
