L’ultima teoria del professor Stephen Hawking sull’origine dell’universo, su cui ha lavorato in collaborazione con il professor Thomas Hertog di KU Leuven, è stata pubblicata il 2 maggio sul Journal of High Energy Physics.
La teoria, che è stata presentata per la pubblicazione prima della morte di Hawking all’inizio di quest’anno, si basa sulla teoria delle stringhe e predice che l’universo è finito e molto più semplice di quello che dicono molte teorie attuali sul big bang.
Il professor Hertog, il cui lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha annunciato la nuova teoria in una conferenza presso l’Università di Cambridge nel luglio dello scorso anno, organizzata in occasione del 75° compleanno del professor Hawking.
Le teorie moderne del big bang predicono che il nostro universo locale è venuto alla luce con una breve esplosione di inflazione – in altre parole, una piccola frazione di secondo dopo il big bang stesso, l’universo si è espanso a un ritmo esponenziale.
È opinione diffusa, tuttavia, che una volta che l’inflazione abbia avuto inizio, ci sono regioni in cui non si ferma mai. Si ritiene che gli effetti quantistici possano mantenere l’inflazione in eterno in alcune regioni dell’universo, in modo che a livello globale l’inflazione sia eterna. La parte osservabile del nostro universo sarebbe quindi solo un ospitale universo tascabile, una regione in cui l’inflazione è finita e stelle e galassie si sono formate.
“La solita teoria dell’inflazione eterna predice che globalmente il nostro universo è come un frattale infinito, con un mosaico di diversi universi tascabili, separati da un oceano gonfiabile”, ha detto Hawking in un’intervista lo scorso autunno. “Le leggi locali di fisica e chimica possono differire da un universo tascabile all’altro, che insieme formerebbero un multiverso. Ma non sono mai stato un fan del multiverso. Se la scala di universi diversi nel multiverso è grande o infinita, la teoria non può essere testata.”
Nel loro nuovo articolo, Hawking e Hertog dicono che questo resoconto dell’inflazione eterna come teoria del big bang è sbagliato. “Il problema con il solito resoconto dell’inflazione eterna è che assume un universo di fondo esistente che si evolve secondo la teoria della relatività generale di Einstein e tratta gli effetti quantistici come piccole fluttuazioni intorno a questo”, riferisce Hertog. “Tuttavia, le dinamiche dell’inflazione eterna spazzano via la separazione tra fisica classica e fisica quantistica. Di conseguenza, la teoria di Einstein si rompe nell’inflazione eterna. ”
“Prevediamo che il nostro universo, sulle scale più grandi, sia ragionevolmente liscio e globalmente finito. Quindi non è una struttura frattale “, riferiva Hawking.
La teoria dell’inflazione eterna proposta da Hawking e Hertog si basa sulla teoria delle stringhe: un ramo della fisica teorica che tenta di riconciliare la gravità e la relatività generale con la fisica quantistica, in parte descrivendo i costituenti fondamentali dell’universo come minuscole stringhe vibranti.
Il loro approccio utilizza il concetto di teoria delle stringhe di olografia, che postula che l’universo sia un ologramma ampio e complesso: la realtà fisica in alcuni spazi 3D può essere ridotta matematicamente a proiezioni 2D su una superficie.
Hawking e Hertog hanno sviluppato una variante di questo concetto di olografia per proiettare la dimensione temporale dell’inflazione eterna. Ciò ha permesso loro di descrivere l’inflazione eterna senza dover fare affidamento sulla teoria di Einstein. Nella nuova teoria, l’inflazione eterna si riduce a uno stato senza tempo definito su una superficie spaziale all’inizio del tempo.
“Quando tracciamo l’evoluzione del nostro universo indietro nel tempo, ad un certo punto arriviamo alla soglia dell’inflazione eterna, dove la nostra nozione familiare del tempo cessa di avere alcun significato”, dice Hertog.
La precedente “teoria dello stato senza confini” (no-boundary proposal) di Hawking prediceva che se si torna indietro nel tempo all’inizio dell’universo, l’universo si restringe e si chiude come una sfera, ma questa nuova teoria rappresenta un passo indietro rispetto al lavoro precedente. “Ora stiamo dicendo che c’è un confine nel nostro passato”, riferisce Hertog.
Hertog e Hawking hanno usato la loro nuova teoria per ricavare previsioni più affidabili sulla struttura globale dell’universo. Hanno predetto che l’universo che emerge dall’inflazione eterna sul confine passato è finito e molto più semplice della struttura infinita del frattale prevista dalla vecchia teoria dell’inflazione eterna.
I loro risultati, se confermati da ulteriori lavori, avrebbero implicazioni di vasta portata per il paradigma del multiverso. “Non siamo per un unico, singolo universo, ma i nostri risultati implicano una significativa riduzione del multiverso a una gamma molto più piccola di possibili universi”, ha affermato Hawking. Ciò rende la teoria più predittiva e verificabile.
Hertog ora progetta di studiare le implicazioni della nuova teoria su scale più piccole che sono alla portata dei nostri telescopi spaziali. Crede che le onde gravitazionali primordiali – le increspature nello spaziotempo – generate all’uscita dall’inflazione eterna costituiscano la “pistola fumante” più promettente per testare il modello.
L’espansione del nostro universo sin dall’inizio significa che tali onde gravitazionali avrebbero lunghezze d’onda molto lunghe, al di fuori della gamma degli attuali rilevatori LIGO. Ma potrebbero essere ascoltati dal previsto osservatorio spaziale gravitazionale europeo, LISA, o osservate in esperimenti futuri che misurino la radiazione cosmica di fondo.
Il testo di questo articolo è stato tradotto dal testo pubblicato sul sito dell’Università di Cambridge da Sarah Collins sotto licenza Creative Commons — Attribution 4.0 International — CC BY 4.0 ed è dunque disponibile secondo la stessa licenza.
