ROGER PENROSE , la Repubblica 21/10/2011, 21 ottobre 2011
ECCO PERCHÉ PUÒ NASCERE UN NUOVO UNIVERSO
Vorrei spiegare un´idea un po´ folle (che potrebbe non essere poi così folle, dopotutto!) che ho avuto poco tempo fa riflettendo sulla cosmologia e la natura del Big Bang e del tempo. In parole povere, questa idea fornisce una prospettiva completamente nuova rispetto alla domanda, abbastanza frequente: "Cosa c´era prima del Big Bang?". La risposta che propongo contiene un modo curioso ma pienamente razionale di considerare quello che ci aspettiamo sia il destino del nostro universo in espansione accelerata, e mostra come tutto questo possa essere reinterpretato come il "Big Bang" di un universo completamente nuovo! (...)
A parte la "folle idea" � e le idee a essa collegate � tutti gli argomenti di cui parlerò sono assolutamente normali e per nulla "folli". Descriverò, per necessità, qualche nozione di fisica delle particelle, di cosmologia e relatività generale, specialmente gli aspetti in relazione con il Big Bang, i buchi neri e il loro legame fondamentale con la seconda legge della termodinamica. E´ necessario, allo stesso tempo, che io colleghi la mia "folle idea" ad alcuni altri tentativi di ottenere qualcosa di vagamente simile e che spieghi una certa inadeguatezza geometrica di cui soffrono questi tentativi precedenti.
Più esattamente, collegherò le mie idee a quanto suggerito da Lee Smolin nel 1997 con La vita del cosmo. Altri fisici, tra cui J.A.Wheeler, hanno già suggerito cose simili. Secondo la proposta di Smolin, ogni volta in cui un buco nero collassa, la singolarità dello spaziotempo che ne risulta non rappresenta "la fine del tempo" per il materiale che collassa, bensì fornisce i "semi" per un universo nuovo, dove la singolarità finale del collasso in qualche modo è "rivoltata" e costituisce la singolarità iniziale (ossia il Big Bang) di un universo completamente nuovo! Seguendo l´idea originale di Wheeler, che non si riferiva ai buchi neri ma al Big Crunch di un universo chiuso in fase di collasso, Smolin spiega che nelle condizioni incredibilmente estreme di questa singolarità spaziotemporale (che collassa e poi si espande) si verificherebbero minuscoli cambiamenti nelle costanti fondamentali della natura (...).
In tutti questi modelli si propone che ci sia qualche effetto di gravità quantistica che trasforma la singolarità derivante dal collasso in una singolarità che causa un´espansione (un "Big Bang") di un universo nuovo. Anche se un´idea di questo tipo è altamente speculativa, si tratta di una proposta avanzata molte volte, a partire dalla soluzione cosmologica di Friedmann per un universo chiuso, del 1922, in cui ci sono cicli infiniti di espansione e collasso, con il "Big Crunch" di un ciclo che diventa il "Big Bang" di quello successivo tramite un qualche effetto (sconosciuto) di gravità quantistica.
L´effetto che suggerisco è completamente speculativo, ma io stesso da molto tempo ho un´altra obiezione a questo tipo di proposte che deriva dalla seconda legge della termodinamica e gli argomenti a essa correlati della geometria di un "Crunch" e di un "Bang" che ci dicono che i due non "si incastrano" l´uno con l´altro nemmeno con i migliori sforzi dell´immaginazione. Per queste ragioni, infatti, per lungo tempo ho avuto la tendenza a considerare questa intera classe di idee come troppo "folli" per essere prese sul serio!
Oggi tuttavia è stato introdotto un fattore nuovo, che emerge da una recente osservazione cosmologica (1998): l´espansione dell´universo sta accelerando e di conseguenza, probabilmente, la costante cosmologica di Einstein (da lui introdotta con riluttanza nel 1917) è diversa da zero e ha valore positivo, per quanto piccolo; spesso ci si riferisce a essa come alla "energia oscura". Questa espansione accelerata porta a un´immagine piuttosto "noiosa" delle ultime fasi del destino dell´universo. Non ci sarà nessun Big Crunch, e l´universo diventerà (esponenzialmente) sempre più vuoto. Alla fine, la materia dotata di massa e i buchi neri (secondo un´idea contemporanea abbastanza plausibile) decadranno o evaporeranno (i buchi neri, dopo un periodo incredibilmente lungo, scompaiono emettendo potenza sotto forma di radiazione di Hawking) e non resterà altro se non radiazione priva di massa. Una vera noia! Nel 1979, Freeman Dyson descrisse una rappresentazione di questo tipo in un articolo dal titolo Tempo senza fine: fisica e biologia in un universo aperto, sostenendo con grande abilità � e forse con ottimismo ancora maggiore � che un universo del genere non dovrebbe essere poi così noioso, dopo tutto; ma questo era prima che si sapesse dell´espansione accelerata!
Ed ecco che entra in gioco la mia "folle idea": gli elementi sopravvissuti in questo (noioso) universo nella sua fase finale come vedrebbero la propria esistenza? In modo molto diverso dal quadro tracciato poco sopra, perché per un´entità priva di massa come un fotone non esiste il trascorrere del tempo (effetto ben noto della relatività speciale di Einstein). Per un fotone libero o un´altra particella priva di massa, la "fine del tempo" è già qui! I fotoni conoscono soltanto il cono di luce (la superficie che descrive l´evoluzione temporale di un raggio luminoso in un formalismo matematico usato in relatività speciale, n.d.t.), e non il "ticchettio dell´orologio" che conferisce allo spaziotempo la struttura metrica di Einstein. I coni di luce non conferiscono una metrica, ma soltanto quello che chiamiamo una struttura conforme. L´eternità senza fine di questo universo sempre in espansione, dal punto di vista conforme, non è per nulla senza fine, ma è equivalente a un universo in collasso che lascia spazio a un "Big Crunch" oppure, conseguentemente, a un universo nuovo che si espande a partire da un "nuovo" Big Bang. Non c´è un "Big Crunch" vero e proprio, ma qualcosa che si comporta esattamente come lui dal punto di vista delle entità senza massa che, adesso, sono gli unici costituenti materiali dell´intero universo! E´ questo stato delle cose che fa sì che nasca il "nuovo universo" con il suo nuovo Big Bang.
Perché questa idea funzioni, il nuovo Big Bang deve necessariamente avere i vincoli straordinariamente speciali che sembra ci siano nel nostro universo, e che ci danno la seconda legge della termodinamica così come la conosciamo, per consistenza con le osservazioni cosmologiche. Ora scopriamo che questo "Crunch" (conforme) e questo "Bang" si incastrano bene geometricamente (nel senso preciso che si dà al termine in geometria conforme), ma ciò accade soltanto se questa straordinaria peculiarità ha davvero luogo � così da spiegare il secondo, in un certo senso � e le diverse caratteristiche geometriche e osservative sembrano essere in armonia l´una con l´altra. In aggiunta, si spera che le caratteristiche osservative del nostro universo possano essere messe in relazione con le previsioni dello schema che propongo.
Chiaramente, queste idee coinvolgono numerosi ingredienti di tipo anche molto diverso tra loro: troviamo motivazioni filosofiche (religiose, addirittura?), geometria cosmologica; geometria conforme, fisica conforme, costanti (variabili?) della Natura e principio antropico, fisica delle particelle, fisica statistica e cosmologia. C´è anche una mistura di buona vecchia fisica e matematica e di alcune idee altamente speculative. E come sempre è essenziale rendere molto chiaro dove finiscono le une e iniziano le altre.
(traduzione di Eva Filoramo)