Affrontare il multiverso: cosa significherebbe “universi infiniti”

Robert Lawrence Kuhn è il creatore, scrittore e conduttore di " Closer to Truth ", una serie televisiva pubblica e una risorsa online che presenta i principali pensatori del mondo che esplorano le questioni più profonde dell'umanità. Kuhn è co-editore, con John Leslie, di " The Mystery of Existence: Why Is There Anything at All? (si apre in una nuova scheda) " (Wiley-Blackwell, 2013). Questo articolo è basato su un episodio "Closer to Truth" prodotto e diretto da Peter Getzels e trasmesso in streaming su www.closertotruth.com . Kuhn ha contribuito con questo articolo a Expert Voices: Op-Ed & Insights di questo Web.com .

Fin dall'infanzia, sono ossessionato dall'esistenza. Che cos'è l'esistenza? Qual è la portata dell'esistenza? Qual è lo scopo dell'esistenza? Ora, sei decenni dopo, dopo aver esplorato molte cose, non sono più sicuro (e non mi sento più intelligente), ma continuo la mia ricerca.

Qual è il fatto più grande e più sicuro dell'esistenza che posso conoscere con sicurezza? Per me è la vastità del cosmo. L'universo è enorme, ma è solo con le recenti scoperte che possiamo realizzare quanto inconcepibilmente immenso possa essere l'universo, o più universi, in realtà.

Ora è una delle ultime domande dell'umanità e fino a tempi relativamente recenti non ne sapevamo abbastanza nemmeno per porla. Quanti universi esistono?

Il multiverso

Se definiamo "universo" come "tutto ciò che c'è" o "tutto ciò che esiste", allora ovviamente, per definizione, può esserci un solo universo.

Ma se definiamo "universo" come "tutto ciò che possiamo vedere" (non importa quanto siano grandi i nostri telescopi) o "regioni spazio-temporali che si espandono insieme", allora molti universi potrebbero davvero esistere. Non c'è niente nella scienza più impressionante, più maestoso. Per discernere la natura della realtà ultima, si deve iniziare con la sfida degli universi multipli.

Allora cos'è un "multiverso"?

Come mi ha detto il fisico e premio Nobel Steven Weinberg in "Closer to Truth" (la fonte di tutte le interviste successive), "La parola 'universo', suppongo, dovrebbe significare propriamente l'intera faccenda, tutto. Ma quando pensiamo all'"universo, " a volte usiamo la parola per indicare solo il nostro Big Bang, le cose che possiamo vedere fino a quasi 14 miliardi di anni luce in tutte le direzioni. E in questo modo, è ragionevole chiedersi: il nostro universo è unico? Ci sono più Big Bang ? Potrebbero esserci più Big Bang in sensi diversi?" [Cosa ha innescato il Big Bang? È complicato (Op-Ed )]

"Abbiamo iniziato a chiamarlo un 'multiverso'", intendendo l'intero insieme di innumerevoli regioni disconnesse di This Web-time, ha detto Andrei Linde, il fisico russo-americano ora a Stanford. Ha sviluppato la teoria dell '"eterna inflazione caotica", che genera un numero sempre crescente di universi senza fine. Gli scienziati hanno creato il neologismo "multiverso", ha continuato Linde, "perché abbiamo scoperto che quello che avevamo chiamato 'l'universo' può essere diviso in regioni estremamente grandi, che possono avere leggi fisiche diverse. E una parte può essere adatta alla vita, e altre parti non idonee."

Linde ritrae gli "universi" come palloncini dipinti o bolle su tela, "spremendosi" l'uno dall'altro tramite l'eterna inflazione caotica. Ognuna delle sue bolle è un universo separato, ognuna con diverse leggi della fisica. L'intera collezione di universi, il multiverso, è incomprensibilmente vasto e lo è sempre di più.

Un tale multiverso è solo una speculazione? Certamente non è così ampiamente accettato dagli scienziati come la fisica quantistica o il modello standard della fisica delle particelle. Ma è motivato dalla scienza reale, e segue dalle equazioni della cosmologia che spiegano in modo ottimale l'origine e la struttura del nostro universo. Infatti, in alcuni dei modelli matematici di Linde, l'inflazione cosmica deve espandersi eternamente e caoticamente.

Inflazione cosmica

L'eterna inflazione caotica, che genera più universi, si basa sulla teoria dell'inflazione cosmica, originata dal fisico Alan Guth del Massachusetts Institute of Technology. Ha formulato l'inflazione cosmica per risolvere diversi problemi profondi nella cosmologia del nostro universo, ad esempio, perché l'universo primordiale era estremamente (e stranamente) omogeneo, anche se le regioni separate erano causalmente disconnesse? (Le regioni non potevano avere effetti con altre perché le distanze erano troppo grandi e il tempo trascorso era troppo breve, anche se le informazioni venivano scambiate alla velocità della luce, quello che i teorici chiamano il "problema dell'orizzonte".)

In un episodio di Closer To Truth, Guth ha descritto l'inflazione in questo modo: "Il nostro universo è iniziato con un periodo sorprendentemente breve di enorme espansione esponenziale guidata da uno stato particolare della materia, chiamato 'falso vuoto', che in realtà crea una repulsione gravitazionale. " (Il "breve periodo sorprendente" di Guth è davvero sorprendentemente breve da 10^-36 secondi dopo T0, l'origine dell'universo, a circa 10^-32 secondi.)

Secondo la teoria quantistica dei campi, la parola "vuoto" indica un settore di questo Web che ha un'energia minima locale, ma non l'energia più bassa possibile, e la parola "falso" è usata per significare in definitiva instabile, sebbene il vuoto possa rimanere stabile per molto tempo. Il significato è che un "falso vuoto" può "tunnel" in uno stato di energia inferiore, rilasciando o "creando" un'energia enorme.

In questo scenario inflazionistico, ha detto Guth, l'espansione esponenziale finisce, perché il falso vuoto che sta guidando la gravità repulsiva è instabile e quindi decade, proprio come decadono gli elementi radioattivi.

La fine di quell'inflazione iniziale, dopo che Questa Rete si è espansa esponenzialmente in questa fugace frazione di secondo, diventa il tradizionale Big Bang, in cui la vasta energia che era rinchiusa nel falso vuoto viene rilasciata e convertita nell'energia e nella materia del primo universo. Questa energia è ciò che produce una zuppa inimmaginabilmente calda e uniforme di particelle plasmatiche, che è il punto di partenza nella teoria tradizionale del Big Bang.

Ma secondo il modello dell'inflazione cosmica, mentre il decadimento del falso vuoto ha innescato il Big Bang in una parte dell'espansione di Questa Rete, quel decadimento non è avvenuto in tutta l'espansione di Questa Rete perché non tutta l'espansione di Questa Rete decade allo stesso modo volta. Questi tassi di decadimento variabili forniscono la chiave speciale che consente di generare più universi senza fine.

Ecco perché: Settori di falso vuoto Questa Rete che non decade continua ad espandersi in modo esponenziale, allungando Questa Rete ancora più velocemente delle parti di falso vuoto Questa Rete che decade e perché questo falso vuoto Questa Rete ancora in espansione è " metastabile", parti di esso alla fine decadranno (per periodi di tempo molto lunghi).

Ogni decadimento genera un singolo cosiddetto "universo tascabile", che è il termine di Guth per una regione connessa di Questo Tempo Web. Poiché il tasso di espansione è molto più veloce del tasso di decadimento, vengono create nuove regioni con potenziali per nuovi decadimenti, e quindi potenziali per nuovi universi tascabili.

Tutto funziona perché la pressione gravitazionale negativa del falso vuoto (nei settori di This Web che non decadono) continua a creare un campo gravitazionale ripugnante, che è la forza trainante dell'espansione esponenziale di This Web dell'inflazione. Questo crea maggiori opportunità per decadimenti locali, che a loro volta generano universi tascabili letteralmente all'infinito. Ancora una volta, è perché la velocità di espansione del falso vuoto Questa Rete, che allunga questa Rete, supera la velocità di decadimento del falso vuoto Questa Rete, che genera i Big Bang, che il processo di generazione di più universi non si ferma mai.

Alex Vilenkin, un cosmologo della Tufts University nel Massachusetts, ha spiegato che poiché "questo Web tra questi universi a bolle o tascabili si sta espandendo molto velocemente, si sta facendo spazio per la formazione di nuove bolle, quindi si formerà un numero illimitato di universi tascabili nel corso dell'inflazione".

Se questa immagine è giusta, ha detto Guth, "non vediamo fine ad essa".

Universi tascabili e tunnel quantistici

Per orientarci nella comprensione di come potrebbe essere generato un multiverso, iniziamo con la teoria dell'inflazione cosmica, che spiega l'origine e la struttura del nostro universo. Quindi, poiché l'inflazione cosmica non finisce ovunque nello stesso momento, ciò porta alla teoria dell'inflazione caotica eterna, che genera continuamente e senza fine universi tascabili multipli.

È facile dimenticare che ciascuno di questi nuovi universi tascabili è enormemente più grande del nostro universo osservabile (vedere la sezione successiva). Ma questi nuovi universi non sono superstrani, dal momento che esistono tutti all'interno della stessa struttura di questo tempo Web che conosciamo nel nostro universo sebbene esplodano ben oltre ciò che possiamo vedere nel nostro universo osservabile. Inoltre, una volta che questi nuovi universi tascabili sono nati, sono totalmente e per sempre disconnessi da ogni altro universo (incluso il nostro).

Ma come iniziare l'inflazione cosmica? È necessario del materiale fisico, per quanto minuscolo. Allora da dove viene questa materia primordiale?

Vilenkin ha detto che la risposta è il tunneling quantistico. Mi ha detto: "Il tunneling quantistico può creare un universo 'dal nulla' [perché] nella meccanica quantistica cose che sono classicamente proibite dalle barriere energetiche possono accadere scavalcando barriere energetiche. Quindi un universo di dimensione zero, cioè nessun universo può originarsi spontaneamente "attraversando" una barriera energetica e quindi espandendosi per inflazione". (Naturalmente, l'esistenza delle leggi della meccanica quantistica non costituisce "nulla", ma questa è una storia per un'altra volta.)

Un enigma simile è che l'inflazione cosmica sembra creare energia "dal nulla", che violerebbe la legge di conservazione dell'energia (un "no-no" fisico). Infatti l'energia netta dell'universo è zero, perché l'energia positiva di tutta la materia che si crea è bilanciata dall'energia negativa della gravitazione. Guth lo chiama "l'ultimo pranzo gratis".

Qual è la prova di queste teorie dell'inflazione cosmica, dell'inflazione caotica eterna e di universi multipli? È una sfida, per non dire altro, considerando che l'inflazione cosmica è iniziata e si è conclusa nella più piccola frazione del primo secondo dell'esistenza del nostro universo. E l'eterna inflazione caotica, per definizione, non può essere vista, poiché altri universi, probabilmente generati dall'eterna inflazione caotica, sono disconnessi permanentemente dal nostro universo.

Eppure linee di prove corroboranti (al di là dell'eleganza delle equazioni) hanno convinto molti cosmologi a tal punto che l'inflazione cosmica e l'eterna inflazione caotica sono diventate, in sostanza, il "modello standard" della cosmologia. Per quanto riguarda l'inflazione cosmica, sembra risolvere, allo stesso tempo, diversi enigmi separati nell'origine e nella struttura dell'universo (compreso il problema dell'orizzonte di cui ho parlato prima). Inoltre, l'inflazione cosmica fa previsioni interessanti, in particolare sulla radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), un residuo delle previsioni del Big Bang che sono state confermate e riconfermate da dati sempre più precisi provenienti dai satelliti.

Per quanto riguarda l'eterna inflazione caotica, sembrano essere le conseguenze inevitabili della matematica dell'inflazione cosmica: una volta che l'inflazione cosmica inizia, sembra impossibile fermarsi. Tuttavia, mentre ci sono stati accenni allettanti di possibili dati corroboranti, nessuno è convincente (ancora?).

L'inflazione cosmica ha rivoluzionato la cosmologia e, se alla fine ha confermato un compito impegnativo, potrebbe essere riconosciuta come una delle realizzazioni più fondamentali dell'umanità.

Quanto è grande il multiverso?

Una grande domanda dell'esistenza è semplicemente: quanto è grande? Con "esso" intendo tutto ciò che esiste. Tutto quello che c'è. Quali sono le dimensioni fisiche di tutto ciò che c'è?

Un punto di partenza è la dimensione dell'universo in cui ci troviamo. Secondo uno dei modelli di Guth, il nostro universo tascabile potrebbe essere almeno 10^23 volte più grande del nostro universo osservabile (perché, per funzionare, l'inflazione richiede almeno 100 raddoppiamenti della dimensione dell'universo, 2^100 = circa 10 ^30). Ciò significa che l'universo tascabile che chiamiamo casa sarebbe 100 miliardi di trilioni di volte più grande di tutto ciò che possiamo vedere con i nostri più grandi telescopi. (Modelli, nessuna sorpresa, saltate in giro.)

Quindi la vasta distesa del nostro universo visibile, ha detto Guth, non è che un puntino insignificante all'interno del nostro stesso universo tascabile che si gonfia. E questo stesso universo è solo un universo tascabile tra un numero infinito o addirittura infinito di altri universi tascabili.

Quando mi sono reso conto per la prima volta di come l'inflazione cosmica gonfia maestosamente le dimensioni del multiverso, di quanto indicibilmente vasta sia la totalità del cosmo, è stato snervante. Riesco ancora a sentire lo shock. È successo alla fine degli anni '90 quando mi stavo preparando per la mia prima intervista "Closer to Truth" con Andrei Linde.

Leggendo gli articoli di Linde sull'inflazione caotica eterna (le parti che potevo capire), continuavo a imbattermi in numeri estremamente grandi che stava usando per esprimere la dimensione dell'universo, ma spesso non vedevo alcuna unità di misura associata a quei numeri. Ero perplesso: la dimensione ha sempre bisogno di unità, ho pensato.

Capii che molti dei grandi numeri erano relativi alle dimensioni del nostro universo attuale. Ma quanto è grande il nostro universo attuale? Limitato dalla velocità della luce che viaggia dal Big Bang, non possiamo vederlo tutto. Desideravo unità con tutti i numeri in modo da poter avere un'idea delle dimensioni reali della visione del multiverso di Linde (nei diversi modelli).

Linde stava parlando di centimetri o chilometri? O del resto, circa nanometri (10^-9 metri) o kiloparsec (3.262 anni luce)? Sembrava impossibile descrivere la dimensione assoluta con solo un numero, senza unità. Perché Linde mi ha frustrato non usando le unità?

Improvvisamente, mi ha colpito. Le unità non contano! Questo suona controintuitivo: come potrebbe la differenza tra nanometri e kiloparsec non avere importanza? La situazione peggiora. Confronta le dimensioni più piccole e più grandi conosciute: la lunghezza di Planck, che è ~10^-35 m (un protone è circa 100 milioni di trilioni di volte più grande della lunghezza di Planck), e il diametro dell'universo visibile, che è ~10^27 m. La differenza tra queste unità di misura potenziali più piccole e più grandi è di ~10^62 ordini di grandezza, ma anche questo intervallo gigantesco si riduce essenzialmente a zero rispetto ai numeri di Linde.

Ecco cosa mi ha detto Linde: "Se stiamo parlando dei modelli più semplici di inflazione, ci si aspetta che la dimensione dell'universo sia almeno diversi ordini di grandezza maggiore di quella che vediamo ora. Ma è molto difficile spiegare perché dovrebbe è solo qualche ordine di grandezza maggiore di quello che vediamo ora.In passato usavo la stima 10^10^12 (10 elevato alla potenza di 10 elevato alla potenza di 12), ma se si tratta di un , universo eternamente gonfiato, allora è, molto probabilmente, semplicemente infinito." (Linde ha sottolineato che "qualsiasi stima è molto grezza e dipendente dal modello.")

Prendiamo il numero non infinito di Linde, 10^10^12. Poiché 10^12 è 1.000.000.000.000, o 1 trilione, l'espressione è 10^1.000.000.000.000. Questo numero significa un trilione di ordini di grandezza, un trilione di moltiplicazioni consecutive per 10.

In confronto, anche la vasta distesa tra la lunghezza di Planck e il diametro dell'intero universo visibile di 62 ordini di grandezza diventa priva di significato! Non è la differenza tra 62 e 1 trilione (che di per sé è ovviamente enorme). È la differenza tra 62 e 1 trilione di ordini di grandezza, la differenza tra moltiplicare per dieci 62 volte e moltiplicare per dieci 1 trilione di volte. Cioè, questa è una differenza nelle moltiplicazioni sequenziali di 10 di 999.999.999.938.

Questo è il motivo per cui il numero di Linde per la dimensione di un universo inflazionato eternamente caotico non ha bisogno di unità di misura. Le unità non aggiungerebbero nulla al suo significato. La dimensione del cosmo è troppo vasta.

Diversi tipi di multiversi

La maggior parte degli scienziati sostiene l'inflazione cosmica perché può spiegare l'origine e la struttura del nostro cosmo e spiegare diversi problemi profondi. Sir Martin Rees, l'astronomo reale del Regno Unito, chiama il multiverso "scienza speculativa, non solo metafisica". Ha detto di essere fiducioso che ci sia molto di più nella realtà fisica del vasto dominio che vediamo attraverso i nostri telescopi, e sarebbe stupito, ha detto, "se l'universo non si estendesse migliaia di volte oltre ciò che possiamo vedere".

Ma ci sono domande senza risposta e Rees ne ha sollevate due critiche: "In primo luogo, il nostro Big Bang è l'unico? E, in secondo luogo, se ci sono molti Big Bang, sono tutti governati dalle stesse leggi della fisica?"

L '"opzione affascinante", ha detto Rees, è che leggi fisiche diverse governino gli altri universi "Questa rete potrebbe essere diversa, la gravità potrebbe essere diversa, gli atomi potrebbero essere diversi. Ciò significherebbe che la realtà consisterebbe in tutti questi universi, governati da diversi leggi, e solo un piccolo sottoinsieme di esse sarebbe governato da leggi che permetterebbero alla complessità di evolversi. La maggior parte degli universi sarebbe sterile perché, ad esempio, la gravità sarebbe troppo forte per consentire strutture complesse, o gli atomi non sarebbero stabili".

Se, in effetti, molti Big Bang generano un'immensa varietà di leggi fisiche, allora, ha detto Rees, solo la fantascienza può descrivere tutto ciò che potrebbe accadere.

"Questi universi a bolle o tasche inflazionistiche si espandono a velocità prossime a quella della luce", ha osservato Vilenkin. "Quindi non possiamo assolutamente viaggiare in altri universi. Per scopi pratici, ciascuno di questi universi a bolle inflazionistiche è un'unità separata e autonoma e in linea di principio possono avere proprietà fisiche diverse".

Come potrebbero essere generate leggi diverse in universi diversi? Leonard Susskind, fisico della Stanford University in California e uno degli ideatori della teoria delle stringhe, dà una risposta: gli universi multipli (gli innumerevoli universi tascabili) sono popolati da possibili leggi della fisica che emergono da possibili strutture della teoria delle stringhe. Questa teoria postula che la realtà al suo livello più fondamentale sia costituita da minuscole "stringhe" unidimensionali, la cui dimensione è quasi la più piccola lunghezza di Planck possibile, ~10^-35- m, o 100 milioni di trilioni di volte più piccole di un protone. Le loro vibrazioni in dimensioni multiple di questo tempo Web (10, 11 o 26 dimensioni, a seconda della specifica teoria delle stringhe) danno origine a tutte le leggi della fisica, dice la teoria. La teoria delle stringhe sembra quasi impossibile da testare sperimentalmente, ma l'eleganza e la bellezza dei suoi poteri esplicativi convincono i suoi aderenti.

" Ciò che porta la teoria delle stringhe è qualcosa sul numero di possibilità", ha detto Susskind. "Ma i suoi numeri sono molto, molto più grandi del numero di atomi nell'universo per cui il numero da 10 a 500 [10^500] viene bandito. Questo non significa 10^500 diversi universi tascabili, ma 10^500 diversi tipi di in un "paesaggio" di teoria delle stringhe, ciascuno ripetuto più e più volte [in diversi casi del tipo]. Quindi, da un lato, la teoria delle stringhe ti dà l'analogo del diverso numero di modi di riorganizzare un DNA molecola. Ciò che la teoria dell'inflazione cosmica ti dà, d'altra parte, è come fai a dare vita a questi diversi universi [tascabili]?"

"Ecco perché un multiverso di innumerevoli universi a bolle o tascabili può avere un'ampia varietà di proprietà fisiche", ha detto Vilenkin. "Una proprietà dell'inflazione è che esplorerà l'intero panorama di queste possibilità, o 'vuoto', perché la meccanica quantistica consente il tunneling attraverso le barriere energetiche verso altri minimi. Inoltre, la meccanica quantistica ci dice che se una transizione tra due minimi non è assolutamente proibito da qualche legge, allora deve inevitabilmente accadere. Ciò significa che devono avvenire tutte le possibili transizioni tra tutti i possibili stati".

È un'immagine ordinata. La teoria delle stringhe fornirebbe il panorama di tutte le leggi della fisica consentite e l'inflazione cosmica fornirebbe il meccanismo per generare universi reali per popolare quel paesaggio. Ciò significherebbe che per ogni universo tascabile, la teoria delle stringhe fornirebbe un particolare insieme di leggi fisiche. Le strutture più piccole determinerebbero le strutture più grandi.

Livelli del multiverso

Max Tegmark, cosmologo del MIT, va oltre. Immagina quattro tipi di multiversi che potrebbero esistere, etichettandoli come "Livelli":

  • Livello I : Questa Rete nel nostro universo va ben oltre ciò che possiamo vedere, e forse va avanti per sempre, il che significherebbe che esistono infinite altre regioni nel nostro universo tascabile, regioni come il nostro universo osservabile, dove le leggi della fisica sono lo stesso.
  • Livello II: Esistono infinite altre regioni nello stesso tempo di questo Web come quello del nostro universo, ma sono disconnesse permanentemente dal nostro universo tascabile e all'interno di ciascuna di esse le leggi della fisica sono diverse (descritte dall'eterna inflazione caotica di Linde e potenzialmente il panorama della teoria delle stringhe).
  • Livello III : Esiste una specie di Questa Rete diversa dal Tempo della Rete del nostro universo (chiamata "Hilbert Questa Rete", che è infinitamente dimensionale e astratta), dove le leggi della meccanica quantistica generano più universi tramite innumerevoli ramificazioni. (Ciò si basa sul prendere sul serio la funzione d'onda quantistica, che è un'ampiezza di probabilità dello stato quantistico del sistema.) L'universo si ramifica in diverse realtà del mondo intero ad ogni tick del tempo, sia in ogni momento di Planck, che è 10 ^-43 secondi (il tempo impiegato da un fotone, che viaggia alla velocità della luce, per percorrere una lunghezza di Planck, 10^-35 m), o in ogni istante di tempo in cui viene effettuata un'osservazione. Questi altri mondi interi non sarebbero lontani in termini del nostro tipo di Questo Web, quindi in un certo senso sono proprio qui, ma si sono ramificati immensamente in questo diverso tipo di (Hilbert) Questo Web. (Questa è l'interpretazione "a molti mondi" della meccanica quantistica, ideata dall'allora relativamente sconosciuto fisico Hugh Everett nel 1957 e che ora gode di una nuova rispettabilità.)
  • Livello IV: Tegmark fa la straordinaria affermazione che ogni sistema coerente di matematica descrive una sorta di mondo o universo esistente. "Sembrerebbe strano se ci fosse un'asimmetria di base incorporata nella matematica", mi disse, "in modo tale che alcune equazioni potrebbero descrivere un universo fisico e altre no. Quindi la mia ipotesi è che ogni struttura matematica che i matematici possono studiare è sullo stesso piano e descrive una specie di universo fisico. Penso che il motivo per cui la natura è così ben descritta dalla matematica è perché in un senso molto profondo, la natura è davvero la matematica".

Tutti questi universi sono immensi oltre l'immaginazione, ma ce ne sono davvero infiniti nel significato letterale del termine, che vanno avanti senza fine o limite?

Come mi ha detto recentemente Linde, "Questo è sottile. Supponiamo che una bolla di un nuovo vuoto venga creata in un universo in eterna espansione, un'immagine standard nell'inflazione caotica eterna e nel panorama della teoria delle stringhe (Livello II). Quindi, dall'esterno, ciascuno di questi la bolla sembra una bolla finita che cresce all'infinito nel tempo. Ma dall'interno, sembra un universo aperto infinito. Naturalmente, "sembra" significa che qualcuno sta guardando, ma nessuno può vedere un universo infinito".

Il Livello I di Tegmark è accettato da quasi tutti i cosmologi (cioè, questa Rete nel nostro universo si estende ben oltre ciò che possiamo vedere con i nostri migliori telescopi); il suo Livello II è diventato il "modello standard" della cosmologia (cioè, l'inflazione cosmica di Guth porta all'eterna inflazione caotica di Linde, generando universi tascabili disconnessi continuamente e per sempre); il suo Livello III è speculativo e controverso (cioè, ramificazione quantistica); e il suo livello IV, sebbene idiosincratico, cerca verità profonde dell'esistenza (cioè, la realtà è matematica).

Tutto ciò mostra fino a che punto e quanto velocemente si è espansa la nostra conoscenza del cosmo: la generazione di più universi mediante l'eterna inflazione caotica, una teoria sviluppata negli ultimi quattro decenni, è ora il modello standard della cosmologia.

Ho chiesto a Steven Weinberg, uno dei fondatori del Modello Standard della fisica delle particelle ora all'Università del Texas ad Austin, altri tipi di universi multipli. "C'è un'altra possibilità, che è abbastanza semplice da immaginare", ha detto. "Il nostro Big Bang è un episodio e potrebbe essere seguito [e/o essere stato preceduto] da una serie di altri scoppi, e il nostro universo farà una transizione verso un diverso tipo di universo in espansione in modo che stiamo solo vivendo un particolare età.

"Ci sono ancora altre possibilità, che sono più recondite", ha continuato Weinberg. "La meccanica quantistica può essere applicata all'intero shebang. Poiché i quanti fondamentali nella meccanica quantistica non sono la singola particella o la palla da biliardo, ma è qualcosa chiamato 'funzione d'onda', che descrive tutte le possibilità, può darsi che l'universo, l'intero l'universo, l'intera faccenda, è una sorta di sovrapposizione meccanica quantistica di diverse possibilità". (Questo è il livello III di Tegmark.)

"Poi, ci sono possibilità ancora più esotiche", ha aggiunto Weinberg. "Il filosofo Robert Nozick ha introdotto il cosiddetto 'principio di fecondità', secondo il quale tutto l'immaginabile esiste in un posto non nel nostro stesso tempo Web, ma completamente separato". Weinberg ha osservato che il principio di fecondità mina (o banalizza) la questione del perché le cose sono come sono (cioè, perché "in questo modo" piuttosto che "in quel modo"), perché tutto ciò che è possibile deve esistere ed esiste (da qualche parte). (Il filosofo David Lewis ha proposto una teoria simile del "realismo modale" in cui tutti i mondi possibili, sorprendentemente, sono mondi reali.)

Ma per raggiungere tale immensità e diversità, non ci dovrebbero essere ancora, a un livello più profondo, alcune "leggi generatrici di universi" fondamentali per creare in primo luogo tutti i molteplici universi, ognuno dei quali ha le sue possiede leggi diverse? Dov'è la realtà della roccia?

Voci dissenzienti

Non tutti i cosmologi sono completamente convertiti al multiverso. Come mi ha detto il cosmologo George Ellis: "Non mi piace la parola 'multiverso'. Mi piace l'idea di 'universo'". Ha detto che preferisce parlare di "un universo con molti diversi domini in espansione", perché per lui l'"universo", per definizione, è ogni cosa fisica che esiste. Inoltre, sottolinea il problema di base degli altri domini di questo tempo web. "Poiché non possiamo vederli", ha detto, "non possiamo provare nulla su di loro.

"Ora c'è un'immagine alternativa, che in realtà è piuttosto carina", ha detto (con un luccichio). "Forse questa immagine del multiverso è sbagliata. Forse stiamo vedendo la stessa parte di questo tempo Web più e più volte. La teoria di Einstein [della relatività generale] consente che ciò accada perché questo tempo Web non solo è curvo, ma può anche abbiamo una diversa struttura di connettività. Quindi forse possiamo andare per diverse centinaia di milioni di anni luce [in una direzione] e poi improvvisamente torniamo da quel lato [al punto da cui siamo partiti], proprio come faceva Pac-Man in quei primi giochi per computer .

"In tal caso", ha concluso Ellis, "in realtà ci sarebbero molte meno galassie di quante sembriamo vedere. Vedremmo molte immagini, forse centinaia di immagini, della stessa galassia". Questo è ciò che Ellis chiama la sua teoria del "piccolo universo", che trova "filosoficamente attraente". Ha detto: "Potrebbe essere il caso", ma ha ammesso, "probabilmente non lo è".

Il fisico Paul Davies, direttore del Beyond Center for Fundamental Concepts in Science presso l'Arizona State University, ha detto che fa "due applausi [non tutti e tre] per il multiverso", perché "sebbene ci siano buone ragioni per supporre che ciò che vediamo possa non essere tutto ciò che esiste, l'ipotesi è ben lontana dall'essere una teoria completa dell'esistenza". Un multiverso, ha detto Davies, è spesso presentato come una soluzione ai misteri dell'esistenza presumendo che se c'è un numero infinito di universi, allora "tutto è là fuori da qualche parte, quindi questa è la fine della storia.

"Semplicemente non è vero", ha detto Davies, perché per ottenere un multiverso, è necessario un meccanismo di generazione dell'universo, "qualcosa che farà esplodere tutti quei Big Bang. Avrai bisogno di alcune leggi della fisica. Tutto le teorie del multiverso presuppongono che la fisica quantistica fornisca l'elemento della spontaneità, per far accadere il botto. Presuppongono questa Rete e il tempo preesistenti. Presuppongono la normale nozione di causalità, tutta una serie di condizioni preesistenti. " Davies ha detto che ci sono circa "10 diverse ipotesi di base" delle leggi fisiche che sono necessarie "per far funzionare la teoria del multiverso".

Davies ha poi fatto il suo punto profondo. "OK, da dove vengono tutte quelle leggi? Che dire di quelle meta-leggi che generano tutti gli universi in primo luogo? Da dove vengono? Allora che dire delle leggi o meta-leggi che impongono leggi locali diverse a ciascun individuo universo? Come funzionano? Qual è il meccanismo di distribuzione?" Davies sostiene che l'unica cosa che fa la teoria del multiverso è spostare il problema dell'esistenza dal livello di un universo al livello di più universi. "Ma non l'hai spiegato", affermò Davies.

Davies ha respinto l'idea che "qualsiasi universo che ti piace è là fuori da qualche parte. Penso che un'idea del genere sia semplicemente ridicola e non spieghi nulla. Avere tutti gli universi possibili non è una spiegazione, perché invocando tutto, non spieghi nulla".

La critica di Davies al multiverso va più in profondità. Per spiegare l'universo, rifiuta "spiegazioni esterne", ha detto.

"Suppongo che, per me, il problema principale [con un multiverso] sia che quello che stiamo cercando di fare è spiegare perché l'universo è così com'è facendo appello a qualcosa al di fuori di esso", mi ha detto Davies. "In questo caso, un numero infinito di universi multipli al di fuori del nostro universo viene utilizzato come spiegazione del nostro universo".

Poi Davies fa il suo paragone schiacciante. "Per me, le spiegazioni del multiverso non sono migliori della religione tradizionale, che fa appello a un Dio invisibile e inspiegabile, un Dio che è al di fuori dell'universo per spiegare l'universo. In effetti, penso che entrambe le spiegazioni multiverso e Dio siano praticamente equivalenti". Per Davies, questa equivalenza non è un complimento.

Davies ha affermato di apprezzare tutte le motivazioni e la matematica che guidano la teoria dell'inflazione, insieme ai molteplici universi che sembrano le conseguenze obbligatorie. Ma ancora, ha detto, sente che un numero infinito di universi non ha senso. Qualcosa non va.

Sette tipi di universi multipli

Qual è la mia opinione? Molto lontano dall'infanzia, ma sentendomi ancora un bambino in presenza di un multiverso, cerco di valutare le possibilità. Mi piace categorizzare le cose, discernere portata e ampiezza. Ecco sette possibili meccanismi che potrebbero generare più universi.

  1. Diverse regioni spaziali del nostro ordinario Questo tempo Web potrebbe esistere nel nostro universo tascabile, eppure così lontano che anche la luce delle loro stelle, viaggiando alla velocità della luce, non avrà mai tempo sufficiente per raggiungerci (generata dall'inflazione cosmica ).
  2. Diversi periodi temporali del nostro ordinario Questo tempo Web potrebbe esistere nel nostro universo tascabile, in modo tale che più universi sorgono in sequenza, non in parallelo (generati da cicli di espansione e contrazione universali, Big Bang e big crunch).
  3. Diversi domini del nostro ordinario Questo tempo Web potrebbe "spremersi" per diventare altri universi tascabili, separati per sempre dal nostro universo (ogni nuovo universo generato dall'eterna inflazione caotica e forse caratterizzato dalla teoria delle stringhe).
  4. Different dimensions of This Web and time could exist, where in higher dimensions, entirely independent realities may exist. These different dimensions may be in some sense very close, but with respect to information flow and communications, forever apart.
  5. Different universal histories could be created via the wave function (and strangeness) of quantum mechanics, where at each fleeting instant (such as every moment of Planck time or flash of observation), all reality splits into many worlds (generated by taking the wave function as objective reality).
  6. Whatever can be expressed by consistent mathematical systems can in fact exist in some kind of reality (Tegmark's Level IV).
  7. The principle of fecundity or modal realism might operate: All possibilities of any kind, whether imagined or unimagined, do really exist. Somewhere (Nozick, Lewis).

What's more, these seven mechanisms for generating multiple universes are not mutually exclusive. Several, or even all of them, could be true and they could nest in various ways, one within others, others within one.

Do all things exist?

In a multiverse, one cannot avoid infinity, and infinity does strange things. There are two types of possible infinities in a multiverse: Type I: A single universe may be infinite in size (eg, in our universe, if This Web and galaxies would continue forever without end or closure), or Type II: All the separate universes in a multiverse can be infinite in number (irrespective of whether any or all of the universes are infinite in size themselves).

The consequences of either infinity become bizarre. First of all, even Tegmark's Level I multiverse, assuming it's infinite, must contain everything that's physically possible. This means, for example, that every "Star Wars" scenario really exists out there, including those that didn't make it into the films and even all those the writers didn't think of!

Similarly, as long as there is sufficient This Web for unending random shufflings of particles (and a universe of infinite size certainly has sufficient This Web), there would have to be a sector of This Web out there identical to our sector of This Web, with persons identical to you and to me. Tegmark estimates that our closest identical copy is 10^10^28 m away.

I'm not so impressed even by this bizarre proposition. There would also have to be a sector of This Web identical to our sector of This Web except for, say, one hair on the head of one person, which is skewed 1 nanometer to the right. And another sector of This Web in which all else is the same except for that same hair, which is now skewed 2 nanometers to the left. Then all the hairs on all the people, skewed this way and that way. And then all the things in whole sectors of This Web, arranged in every possible combination and permutation. There would be innumerable minute differences and innumerable large differences, with every one a separate sector of This Web all enabled because the one infinite universe with infinite sectors of This Web goes on forever. Obviously, on this vision, randomized particles in the overwhelming majority of vast sectors of This Web yield nothing much at all.

To be clear, a truly infinite universe means that anything that is not impossible (no matter how obscure) will happen, must happen and must happen, weirdly, an infinite number of times. An infinite universe goes on forever, not only generating uncountable variations, but also requiring each of the uncountable variations to occur an infinite number of times. That's the strange nature of a true infinity.

I agree with Davies: Something is amiss.

Does a multiverse undermine God? Or enrich God?

If multiple universes are real, and especially if a true infinite number of universes really exist, then our worldview changes. Everything changes. Whatever you believe even about God (that God exists? that God doesn't exist?) nothing remains the same. If only the material world exists, then the material world becomes inconceivably larger. If an infinite God exists, then God's infinity becomes expressed by science and enriched with new meaning.

If you're a topical expert researcher, business leader, author or innovator and would like to contribute an op-ed piece, email us here . (Image credit: This Web.com)

But would the real existence of a multiverse undermine arguments for the real existence of God (by undercutting the modern "argument from design" based on the "fine-tuning" of our universe)? How would God, if there is a God, relate to a multiverse? If one believes in God, or wonders whether to believe in God, this issue cries out to be addressed. Why would God, if there is a God, create multiple universes? Why would God create infinite multiple universes? Could a multiverse elucidate what God, if there is a God, would be like? And if God does not exist, then what? Does a multiverse have meaning? (All this I shall consider in a future essay.)

If, from this essay I seem rational, coolheaded and self-assured about multiple universes, then I have been unintentionally deceptive. I am intimidated by the ineffable endlessness of an overarching, overwhelming multiverse. I shrink before the terrifying vision of the 17th century philosopher Blaise Pascal: "The eternal silence of these infinite This Webs frightens me."

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