Nel corso di un interessante evento tenutosi a Torino nel 2022 (1) Guido Tonelli e Piergiorgio Odifreddi hanno accennato all'esistenza di una ipotesi scientifica secondo la quale noi tutti, insieme a tutto quanto il nostro universo, potremmo trovarci all'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero presente in un altro universo.
Vale la pena spendere qualche minuto per approfondire questa proposta, avanzata per la prima volta negli anni 2000 dal fisico teorico Nikodem Popławski dell'Università di New Haven (2), che nasce da una serie di considerazioni fisiche e matematiche in grado di collegare la Relatività Generale, la cosmologia e la fisica dei buchi neri.
Tra quest'ultime sono annoverate:
- La somiglianza tra l’espansione dell’universo e l’orizzonte degli eventi.
Un buco nero possiede un orizzonte degli eventi, una superficie immaginaria oltre la quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla gravità.
L’universo osservabile è dotato di una caratteristica simile: l’orizzonte cosmologico, che costituisce il limite oltre il quale la luce non ha avuto il tempo sufficiente per raggiungerci dal momento della nascita del nostro universo (3).
Entrambi i fenomeni coinvolgono dinamiche governate dalla Relatività Generale.
La quasi equivalenza tra il valore ricavato per il raggio di Hubble (che restituisce la dimensione dell'universo osservabile) e quello calcolato per il raggio di Schwarzschild di un buco nero di massa pari a quella dell'universo, ne suggerisce l'esistenza di una relazione.
- La singolarità e Big Bang.
Nel cuore di un buco nero la Relatività Generale afferma vi sia una singolarità, un punto dove densità e curvatura dello spaziotempo diventano infinite.
Il modello standard del Big Bang descrive l’origine del nostro universo come una singolarità iniziale, dunque ciò che percepiamo come il Big Bang potrebbe essere l’interno di un buco nero formatosi in un "universo" esterno.
- La connessione tra metriche dello spaziotempo.
La Relatività Generale descrive lo spaziotempo di un buco nero utilizzando la metrica di Schwarzschild (o altre metriche più avanzate, come quelle di Kerr per buchi neri rotanti).
Alcuni studi mostrano che le equazioni che descrivono l’espansione dell’universo possono essere compatibili con quelle che descrivono lo spaziotempo all'interno di un buco nero: in particolare, esse ci dicono che l’interno di un buco nero potrebbe (teoricamente) contenere uno spaziotempo "chiuso", come quello che potrebbe dare origine ad un intero universo.
- La conservazione dell’informazione e multiverso.
I buchi neri sono associati al paradosso dell’informazione (4): la teoria quantistica prevede che l’informazione non possa essere distrutta, ma, dal punto di vista della Relatività Generale, un buco nero sembra esser in grado di eliminarla.
Alcune ipotesi suggeriscono che tale informazione possa essere conservata sotto forma di un nuovo universo generato all’interno del buco nero, e dunque che il nostro universo possa essere uno dei tanti formati in buchi neri di un "universo madre".
Per sviluppare la propria congettura Popławski si è basato sulla teoria della Relatività Generale estendendola con una particolare variante che include termini di torsione nello spaziotempo, la cosìddetta gravità Einstein-Cartan (5).
Utilizzando quest'ultima, la torsione generata dalla rotazione di un buco nero potrebbe evitare la formazione di una singolarità e produrre invece un'espansione, cioè qualcosa di simile al Big Bang, in un altro universo.
Sebbene l'idea che buchi neri presenti nel nostro universo siano connessi ad universi paralleli sia rintracciabile anche all'interno di precedenti speculazioni cosmologiche (6), Popławski è stato il primo a proporne a suo supporto un modello matematico concreto che collega la formazione di un buco nero alla nascita di un nuovo universo attraverso il cosiddetto Big Bounce.
Mentre secondo la Relatività Generale il collasso gravitazionale di una massa sufficientemente compatta da necessariamente luogo alla formazione di un buco nero, la teoria di Einstein-Cartan comporta che tale processo ad un certo punto si interrompa producendo un rimbalzo verso un nuovo universo, in crescita dall'altro lato dell'orizzonte degli eventi (7), con la formazione di un ponte di Einstein-Rosen regolare (wormhole).
La materia - afferma Popławski - a densità estremamente elevate potrebbe interagire attraverso la torsione (un fenomeno previsto dalla teoria Einstein-Cartan) così da sostituire la singolarità del Big Bang con un Big Bounce: una fase di contrazione dell'universo osservabile culminerebbe in un rimbalzo, ad un fattore di scala minimo ma finito.
Questo scenario fornisce pure una spiegazione alternativa all'inflazione cosmica in quanto perfettamente in grado di giustificare il motivo per il quale l'universo che osserviamo risulti - su larga scala - piatto, omogeneo e isotropico.
Ma non è tutto.
La torsione consentirebbe inoltre ai fermioni (quarks, neutrini, elettroni, muoni e tauoni) di risultare spazialmente estesi invece che presentarsi come "puntuali", e di conseguenza, adottando tale teoria, si eviterebbe la formazione di singolarità, verrebbe rimossa la divergenza ultravioletta nella teoria quantistica dei campi ed il modello degli elettroni assumerebbe una forma toroidale.
Infine, la produzione di coppie indotta dal campo gravitazionale durante il rimbalzo mentre la torsione è ancora intensa comporterebbe un periodo finito di inflazione cosmica.
Questa teoria comporta profonde implicazioni:
Implicazioni fisiche: collega la gravità quantistica e la Relatività Generale, due teorie che oggi sono difficili da conciliare.
Implicazioni filosofiche: l’idea che l’universo sia "figlio" di un altro universo apre prospettive sul ciclo infinito di creazione cosmica e sulla possibilità di un multiverso.
Sebbene essa si annoveri tra le teorie speculative non (ancora) verificabili sperimentalmente, offre un intrigante ponte tra le nostre attuali conoscenze sul cosmo e le profondità ancora inesplorate della fisica teorica.
Se risultasse corretta, il nostro universo sarebbe non solo un frammento della realtà, ma anche il prodotto di dinamiche che trascendono i nostri attuali modelli di comprensione.
In sintesi, alcuni tra coloro che hanno letto il mio post si domandano come sia possibile conciliare caratteristiche specifiche del nostro universo (ritmo di crescita, espansione accelerata) con il comportamento tipico dei buchi neri.
"Come si concilia il modello di Poplawksi con un universo che da circa 5 miliardi di anni ha accelerato il ritmo a cui si espande?"
Il modello di Popławski, per dar conto dell'accelerazione del ritmo di espansione, si rifà al concetto di torsione dello spaziotempo ed al comportamento della materia fermionica ad altissime densità.
La teoria Einstein-Cartan introduce la torsione come una proprietà dello spaziotempo associata allo spin delle particelle.
All'interno di un buco nero, là dove la densità raggiunge valori enormi, la torsione genera una forza repulsiva che contrasta l'attrazione gravitazionale.
Dopo un "rimbalzo" iniziale (il Big Bounce), tale forza potrebbe continuare ad influenzare l'espansione dell'universo, contribuendo così alla sua accelerazione.
Questo modello offre dunque un'alternativa alla presenza di energia oscura in quanto la torsione creerebbe un effetto che agisce come una pressione negativa intrinseca, simile a quella attribuita alla prima dal modello cosmologico standard (modello Lambda-CDM).
Tale effetto emerge naturalmente dalla geometria dello spaziotempo descritto dalla teoria Einstein-Cartan, senza richiedere la presenza di una nuova forma di energia.
Se il nostro universo è costituito effettivamente dall'interno di un buco nero, allora la sua espansione accelerata potrebbe essere interpretata come una manifestazione della struttura dello spaziotempo nel buco nero stesso.
La geometria del buco nero, descritta da soluzioni come la metrica di Kerr o di Reissner-Nordström (buchi neri rotanti, con o senza carica elettrica), suggerisce che la regione interna possa espandersi in modo indipendente rispetto all'universo esterno.
Come già indicato nel post, durante le fasi iniziali la torsione, molto intensa, avrebbe generato spontaneamente una fase di inflazione cosmica limitata nel tempo; esauritasi la spinta inflazionaria, gli effetti residui della torsione potrebbero spiegare l'accelerazione attuale senza ricorrere a meccanismi esterni od a costanti cosmologiche.
Il modello di Popławski fornisce quindi una spiegazione intrigante e coerente per l'accelerazione dell'espansione cosmica basandosi sulla torsione dello spaziotempo e sulla geometria dei buchi neri.
Tuttavia è opportuno rimarcare il fatto che questa idea rimane speculativa, e necessita di ulteriori prove sperimentali e teoriche per competere con le interpretazioni tradizionali, quali quelle basate sull'energia oscura.
Note:
(1) Su Youtube è presente il video "Odifreddi dialoga con Tonelli su i tempi, i buchi neri e gli universi" relativo ad evento organizzato il 15 marzo 2022 al Circolo dei Lettori di Torino, nell'ambito della "Settimana del Cervello".
Durante questo incontro Tonelli, in collegamento da Ginevra, ha esplorato temi legati al tempo e ai buchi neri in linea con le visioni avanzate dalla fisica contemporanea, mentre Odifreddi, noto per il suo approccio multidisciplinare, ha contribuito al dialogo ampliando la riflessione sui concetti cosmologici e filosofici legati alla struttura dell'universo.
Verso la fine dell'incontro c'é un accenno all'ipotesi avanzata da Popławski.
(2) Nikodem Popławski, classe 1975, è un fisico polacco noto per l'ipotesi secondo la quale ogni buco nero potrebbe essere una porta verso un altro universo.
Il nostro universo si sarebbe formato all'interno di un buco nero esistente in un universo più grande.
"... la sua teoria è stata classificata tra le dieci più grandi scoperte scientifiche del 2010 da magazine quali National Geographic e Science ..." (cfr. la voce Nikodem Popławski su wikipedia).
(3) Cioè dal momento in cui i fotoni hanno potuto muoversi liberamente nello spazio (380.000 anni dopo il Big Bang).
Ho promesso più volte di scrivere un post su cosa si intenda per universo osservabile (delimitato dall'orizzonte cosmologico) e cosa invece sia l'universo prodotto dall'inflazione.
(4) Vedi i miei post sull'argomento: "Leonard Susskind e la sua guerra per la salvezza della Meccanica Quantistica".
(5) La teoria di Einstein-Cartan, proposta per la prima volta nel 1922 da Élie Cartan, differisce dalla Relatività Generale principalmente in due punti:
- è formulata all’interno del quadro della geometria di Riemann-Cartan, che possiede una simmetria di Lorentz localmente calibrata, mentre la Relatività Generale è formulata all’interno del quadro della geometria Riemanniana, che non la possiede;
- viene posto un ulteriore insieme di equazioni che collegano la torsione allo spin.
La possibilità offerta da tale teoria di evitare singolarità gravitazionali (quali quella posta all’inizio dell’universo e quelle presenti all'interno dei buchi neri) la rende oggi di rinnovato interesse per lo sviluppo di nuovi modelli cosmologici.
Ecco un breve estratto dalla relativa voce di wikipedia:
"...La gravità Einstein-Cartan è una generalizzazione della teoria della relatività generale di Einstein che include gli effetti della torsione dello spaziotempo.
Questa teoria è stata sviluppata per incorporare meglio alcuni aspetti della fisica quantistica, in particolare lo spin delle particelle elementari.
a) Torsione dello spaziotempo: nella relatività generale, lo spaziotempo è descritto solo dalla curvatura, causata dalla massa e dall'energia mentre la gravità Einstein-Cartan aggiunge la torsione, una proprietà geometrica che tiene conto dello spin delle particelle.
Questa torsione è significativa solo in condizioni di densità e spin molto elevati.
b) Evitare la singolarità: secondo questa teoria, la torsione crea una repulsione estremamente forte a distanze infinitesime, e questo potrebbe evitare la formazione di singolarità, come quelle previste nei buchi neri o nel Big Bang, sostituendole con uno stato di densità finita.
c) Applicazioni cosmologiche: è stata utilizzata per spiegare fenomeni come il Big Bounce, una possibile alternativa al Big Bang in cui l'universo rimbalza invece di iniziare con una singolarità.
d) Connessione con lo spin: la torsione è direttamente legata allo spin delle particelle, e questo rende la teoria una potenziale estensione verso una descrizione quantistica della gravità, avvicinandola al concetto di gravità quantistica.
La gravità Einstein-Cartan non è largamente utilizzata rispetto alla Relatività generale, ma è particolarmente interessante in ambiti teorici come la cosmologia e la fisica dei buchi neri, dove le condizioni estreme di densità e spin possono renderla rilevante ..."
(6) Citiamo ad esempio la selezione naturale cosmologica proposta da Lee Smolin nel 1992, che suggerisce i buchi neri possano essere meccanismi per la "nascita" di universi con diverse leggi fisiche, contribuendo all'evoluzione di un multiverso.
Ogni buco nero secondo Smolin darebbe luogo ad un nuovo universo con leggi fisiche leggermente diverse, offrendo così una spiegazione alla diversità dei multiversi prevista dalla teoria di Linde.
(7) Popławski sostiene che il nostro universo potrebbe essere il risultato di un "rimbalzo" di materia compressa all'interno di un buco nero di un universo precedente la cui rotazione estremamente rapida comporterebbe l'espansione che oggi osserviamo.
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