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mercoledì 17 ottobre 2018

Un universo dal nulla

Come ormai ho scritto più e più volte(1), nel 1954 David Bohm riprese le idee alternative di Louis de Broglie della fine degli anni Venti del XX secolo per produrre la così detta teoria delle variabili nascoste. In effetti, proprio come la teoria delle stringhe, vennero prodotti molti modelli che utilizzano le variabili nascoste e le prove sperimentali che si sono accumulate a partire dalla scoperta della disuguaglianza di Bell da parte di John Stewart Bell sono andate tutte in un'unica direzione, quella dell'inesattezza di tali teorie.
Probabilmente è anche per questo che mi sono incuriosito dal preprint che vi propongo, e che è stato anche pubblicato su Physical Review D, sulla dimostrazione matematica della creazione di un universo dal nulla.
Il contesto di tale articolo è semplice: ormai nel modello cosmologico standard è assodato che l'universo si sia espanso da una singolarità iniziale a partire da un big bang, l'istante in cui lo spaziotempo ha iniziato tale espansione. Grazie alla teoria dell'inflazione cosmica(2), tale espansione accelerata ha allontanato i punti uno dall'altro a una velocità superiore a quella della luce, ma forse l'elemento più importante della teoria è l'applicazione della meccanica quantistica alla cosmologia. Da qui in poi lo sviluppo della quantocosmologia (passatemi il neologismo!) ha suggerito nei teorici la possibilità della creazione dell'universo dal nulla, dove nulla indica l'assenza di materia e di spaziotempo, evitando così il problema della singolarità iniziale.

Un campo scalare $\varphi$ in uno stato di falso vuoto. Il vero vuoto, che si trova a un'energia inferiore, è classicamente irraggiungibile a causa di una barriera di potenziale che si frappone, quindi la transizione verso questo stato più stabile è possibile solo per effetto tunnel
Se ci muoviamo all'interno del principio di indeterminazione di Heisenberg, la meccanica quantistica prevede che il vuoto perfetto non può esistere. Possiamo vedere il vuoto quantistico come una continua oscillazione di probabilità. Questo, però, potrebbe in qualche modo produrre una bolla di vero vuoto. Ora se questa bolla è piccola, non riesce a espandersi rapidamente, e così scompare a causa delle fluttuazioni quantistiche del falso vuoto(3). Se però la velocità di espansione della bolla è sufficientemente alta da contrastare le oscillazioni quantistiche, allora a partire da questa bolla può nascere un intero universo.
In tutto questo contesto non c'è nulla di bohmiano, o non ci sarebbe stato nulla di tal genere fino a che tre fisici cinesi non hanno proposto una dimostrazione matematica della possibilità di creare un universo dal nulla all'interno della teoria della traiettoria quantistica di de Broglie-Bohm.
Al di là della dimostrazione sperimentale dell'inesattezza delle variabili nascoste, l'articolo mostra però un attegiamento nella scienza che molti filosofi non sembrano aver capito: una teoria può anche essere sbagliata, ma è sempre possibile trarre un insegnamento da quell'errore e, in alcuni casi, anche renderla parte di un'idea nuova.
L'articolo:
He, D., Gao, D., & Cai, Q. Y. (2014). Spontaneous creation of the universe from nothing. Physical Review D, 89(8), 083510. doi10.1103/PhysRevD.89.083510 (arXiv)
Lettura aggiuntiva:
Science Sunday: A Universe Ex Nihilo di Zach Webb

  1. Leggi La fisica di Nathan Never #300, Discussione su una disuguaglianza, Il noumeno, Una storia di paradossi, disuguaglianze e baffi
  2. La teoria dell'inflazione cosmica venne sviluppata tra il 1979 e il 1980 dal fisico teorico sovietico Alexei Starobinsky e dallo statunitense Alan Guth in una serie di articoli indipendenti:
    Starobinsky, A. A. (1979). "Spectrum Of Relict Gravitational Radiation And The Early State Of The Universe". Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 30: 682.
    Starobinskii, A. A. (1979). "Spectrum of relict gravitational radiation and the early state of the universe". Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz.. 30: 719.
    Starobinsky, A.A (1980). "A new type of isotropic cosmological models without singularity". Physics Letters B. 91: 99–102. doi:10.1016/0370-2693(80)90670-X.
    Guth, Alan H. (1981). "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems". Physical Review D. 23 (2): 347–356. doi:10.1103/PhysRevD.23.347. (pdf)
  3. I concetti di falso e vero vuoto sono dovuti alla natura particolare della meccanica quantistica, in particolare quando viene applicata per descrivere i primi istanti dell'universo. Il falso vuoto è uno stato quantistico apparentemnte stabile caratterizzato da un livello di energia estremamente basso, ma non il più piccolo possibile. Questo vuol dire che, almeno in linea teorica, è possibile accedere a livelli energetici inferiori. Al contrario il vero vuoto si trova in uno stato stabile e nella configurazione di energia minima.
    Il primo a giocare con il concetto di falso vuoto fu lo statunitense Sidney Coleman che, pur ottenendo alcune interessanti osservazioni sulla gravità, non applicò i suoi risultati alla cosmologia.
    Coleman, S. (1977). Fate of the false vacuum: Semiclassical theory. Physical Review D, 15(10), 2929. doi:10.1103/PhysRevD.15.2929
    Callan Jr, C. G., & Coleman, S. (1977). Fate of the false vacuum. II. First quantum corrections. Physical Review D, 16(6), 1762. doi10.1103/PhysRevD.16.1762
    Coleman, S., & De Luccia, F. (1980). Gravitational effects on and of vacuum decay. Physical Review D, 21(12), 3305. doi:10.1103/PhysRevD.21.3305

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