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Immagine: div11 via Getty Images. Flickr/NASA. Composizione di Jordan Pearson 

I fisici stanno studiando misteriose 'bolle di nulla' che divorano tutto lo spaziotempo

Un buco spontaneo nel tessuto del reale potrebbe, in linea teorica, distruggere l'universo—ma niente panico: i fisici studiano questa ipotesi per altri motivi.
19 marzo 2020, 9:19am

E se l'universo fosse in grado di divorarsi completamente dall'interno?

Per nostra fortuna, i fisici che stanno studiando questo fenomeno—chiamato "decadimento dello spaziotempo"—credono che non sia davvero possibile. Allo stesso tempo, l'ipotesi è interessante da esplorare per via delle sue implicazioni collaterali: "bolle di nulla" nello spaziotempo, dimensioni extra nascoste, e un ipotetico osservatore che cavalca la superficie esterna nel nostro universo.

L'idea che, in un determinato scenario, l'universo venga annichilito da una bolla di nulla è in giro dal 1982, quando il fisico teoretico Edward Witten ha introdotto la teoria di un universo autofagocitante in un paper pubblicato sulla rivista Nuclear Physics B. Witten scriveva: "un buco si forma spontaneamente nello spazio e si espande rapidamente all'infinito, spingendo verso l'infinito qualsiasi cosa incontri."

Considerato che una bolla di nulla non ha per ora distrutto l'universo—né nei 14 miliardi di anni prima che Witten pubblicasse il suo paper, né nei 38 anni successivi—verrebbe da pensare che la teoria non sia più nella lista di priorità dei ricercatori. Ma tre fisici dell'Università di Oviedo, in Spagna, e dell'Università di Uppsala, in Svezia, sostengono che possiamo imparare lezioni importanti da questa ipotesi, in un paper intitolato “Nothing Really Matters”, e inviato questo mese al Journal of High-Energy Physics.

In particolare, comprendere le condizioni necessarie a questo tipo di decadimento dello spaziotempo può aiutarci a collegare le teorie sul più piccolo elemento che compone l'universo—le stringhe—con le teorie sullo spazio e il tempo stessi.

L'universo instabile

In generale, per vacuum si intende una regione di totale vuoto. Lo so, fa strano pensare al nostro intero universo—che contiene il pianeta Terra, galassie vicine e distanti e tutto quello che c'è nel mezzo—come, in realtà, il vuoto. Ma il fatto che l'universo sia per lo più vuoto è parte della regione per cui esiste in uno stato relativamente stabile.

Nella teoria quantistica dei campi, che connette la fisica quantistica e le dinamiche dello spaziotempo, un vacuum è meglio inteso come lo stato di energia più basso possibile. Gli stati quantistici "eccitati" con un livello di energia superiore allo stato di vuoto non restano eccitati a lungo, ma tendono a decadere rapidamente ai più bassi stati, emettendo fotoni e altri pacchetti di energia. I vacui non hanno stati di energia più bassi a cui decadere, così esistono felicemente in uno stato stabile.

Dato che per grossa parte il nostro universo è vuoto e si trova già allo stato di energia più basso possibile, non dovremmo preoccuparci che decada. Ma nella fisica teorica, un po' di speculazione è sempre salutare.

All'inizio degli anni Settanta, un gruppo di fisici in Russia ha esplorato l'idea che esista una via di mezzo tra un vacuum stabile e un non-vacuum instabile: ovvero, uno stato simile a un vuoto e che sembra stabile per via del periodo molto lungo in cui rimane in questo stato "metastabile" prima di decadere. Ora chiamata "falso vuoto," l'ipotesi era un tentativo di risolvere alcune incoerenze nelle teorie relative alle condizioni primordiali dell'universo, agli effetti della gravità e ad alcune osservazioni cosmologiche.

"[Una bolla di nulla] descrive un possibile canale per la 'distruzione dell'universo'; la bolla di nulla si espande fino a 'divorare tutto lo spaziotempo, convertendolo in 'nulla'."

Per quanto il concetto di falso vuoto fosse stato suggerito per descrivere solo un periodo di transizione antecedente al Big Bang, ricerche più recenti condotte nel campo di Higgs (un campo di forza quantistica individuato dall'acceleratore di particelle del CERN) suggeriscono che forse viviamo davvero in un falso vuoto, dato che ciò che un tempo consideravamo come lo stato stabile (cioè a più bassa energia) del campo di Higgs potrebbe non esserlo.

La possibilità che la stabilità del nostro universo sia un'illusione che dura da tantissimo ha lasciato spazio a domande su quanto e perché questo delicato falso vuoto potrebbe decadere. Una delle risposte è proprio tramite una "bolla di nulla."

Nulla infinito e dimensioni nascoste

Una bolla di nulla è un esempio di "bolla spaziotemporale" in cui lo spaziotempo ha proprietà diverse dentro e fuori i confini della bolla. Altri tipi di bolle potrebbero presentare diverse forze di energia oscura dentro e fuori, per esempio, ma le bolle di nulla non hanno alcun 'dentro', dice l'autrice del paper e ricercatrice all'Università di Uppsala, Marjorie Schillo.

Se una bolla di nulla si forma spontaneamente in uno spaziotempo falso-vuoto, cresce fino a ingoiare, prima o poi, l'intero universo. "[Una bolla di nulla] descrive un possibile canale per la 'distruzione dell'universo'; la bolla di nulla si espande fino a 'divorare tutto lo spaziotempo, convertendolo in 'nulla'." dice Schillo.

Ma perché una bolla di nulla dovrebbe formarsi? La risposta sta nella teoria delle stringhe, una delle candidate più popolari alla "teoria del tutto", secondo cui esisterebbero minuscole entità chiamate stringhe, dotate di proprietà che altre particelle fondamentali non hanno. In particolare, le stringhe hanno uno stato vibrazionale che tiene conto della gravità quantistica. In altre parole, la teoria integra fenomeni della fisica quantistica a comportamenti ed effetti dei campi gravitazionali. Questo risultato è la balena bianca della fisica, ed è una delle ragioni principali per cui la teoria delle stringhe è così popolare.

Una teoria così affascinante e apparentemente completa si basa su diversi assunti che non sono, però, ancora confermati a loro volta. La matematica della teoria delle stringhe funziona solo se esistono più di quattro dimensioni: tre spaziali, una temporale, poi un mucchio di altre dimensioni che sono così piccole che non possono essere individuate, ma solo derivate matematicamente. Nella teoria delle stringhe, la geometria del nostro universo è uno spaziotempo quadridimensionale solo apparentemente, perché le dimensioni extra sono compatte e ben nascoste.

Per ragioni matematiche, che sono quasi troppo tecniche per essere spiegate a parole, delle bolle di nulla non possono formarsi in uno spaziotempo dotato solo di quattro dimensioni, ma potrebbero in uno spaziotempo multimensionale e "stringato". Un modello di spaziotempo stringato è chiamato vuoto di Kaluza-Klein; in questo modello, la probabilità che una bolla di nulla distrugga tutto è una (ovvero: certa) in uno spazio infinito. I fisici non sono in realtà certi se il nostro universo abbia un volume infinito o finito, ma, se vi servono rassicurazioni, il fatto che questo scenario distruttivo risulti probabile è visto come qualcosa che va rettificato nella teoria, non come qualcosa di cui dobbiamo preoccuparci.

“Sarebbe interessante capire in quali condizioni un osservatore potrebbe 'cavalcare' la bolla di nulla e osservare un universo che è simile a quello in cui viviamo"

Come sottolinea il teorico delle stringhe Luboš Motl in un post incredibilmente divertente, una catastrofe creata da una bolla di nulla dovrebbe essere usata per escludere qualsiasi descrizione dell'universo che la contempli, dato che se doveva succedere, lo avrebbe già fatto.

"Non sappiamo se il nostro spaziotempo sia a tutti gli effetti stabile. È plausibile che sia minacciato da una catastrofe cosmica," scrive. "Ma poiché l'universo esiste da [circa 14 miliardi di anni]... sappiamo che la probabilità che si manifesti una [bolla di nulla] letale dovrebbe essere molto più grande di [un numero estremamente più piccolo di uno]."

Prosegue poi dicendo: "Se una teoria predicesse una densità di probabilità (molto) più ampia per un tumore distruttivo e letale, predirebbe anche che il nostro universo avrebbe dovuto (per certo) essere già stato distrutto a quest'ora. Ma non è stato così, quindi la teoria deve avere un problema."

Schillo è d'accordo. Dice che la sua ricerca sulle bolle di nulla punta, in parte, a stabilire quali sono le implicazioni di una descrizione dell'universo basata sulla teoria delle stringhe, dato che il decadimento dello spaziotempo per opera di una bolla di nulla è molto poco probabile.

"È importante capire questi canali di decadimento perché se vogliamo descrivere l'universo come un vuoto di stringhe, le instabilità come le bolle di nulla devono essere estremamente rare o assenti," dice.

Cavalcare una bolla

Una bolla di nulla ha anche un'altra funzione. Schillo e altri teorici credono che la descrizione matematica di un bolla di nulla distruggi-universo potrebbe anche essere usata per costruire un modello dell'origine dell'universo.

Il comportamento di una bolla di nulla che si espande velocemente è una buona approssimazione dell'inflazione primordiale dell'universo. Più nello specifico, la superficie esterna di una bolla di nulla che cresce somiglierebbe parecchio alla creazione dell'universo, se fosse possibile guardarla da fuori.

Suonerà tutto campato per aria, ma è un punto fondamentale della fisica teorica e della cosmologia dell'universo primordiale. "Uno degli argomenti futuri di ricerca che più mi appassiona è guardare all'aspetto relativo alla 'creazione dell'universo' di questo lavoro," ha detto Schillo.

"Sarebbe interessante capire in quali condizioni un osservatore potrebbe 'cavalcare' la bolla di nulla e osservare un universo che è simile a quello in cui viviamo," ha spiegato. "Poiché la bolla si espande, questo osservatore vedrebbe un universo in espansione e questo potrebbe spiegare anche l'energia oscura."

Insomma, non dovete stare in ansia all'idea di una bolla di nulla che ingoia tutto lo spaziotempo. Ma se vi siete mai chiesti che aspetto doveva avere l'universo quando è esploso per la prima volta, vale la pena restare aggiornati sul ramo della fisica che specula di bolle.