Secondo il fisico Brian Cox in un lontano futuro, tutte le stelle svaniranno e l’Universo “tornerà ad essere un vuoto, senza luce né vita né significato“.
Lo sbiadimento di quell’ultima stella sarà solo l‘inizio di un’epoca infinitamente lunga e oscura. Tutta la materia alla fine sarà consumata da mostruosi buchi neri, che a loro volta evaporeranno nei più deboli barlumi di luce.
Stranamente, alcuni cosmologi credono che un precedente, freddo oscuro universo vuoto come quello che si trova nel nostro lontano futuro potrebbe essere stato la fonte del nostro Big Bang.
L’universo prima del Big Bang
Se vogliamo spiegare l’origine della materia stabile fatta di atomi o molecole, non c’era certamente nulla di tutto ciò intorno al Big Bang. Né per centinaia di migliaia di anni dopo.
In effetti, abbiamo una comprensione abbastanza dettagliata di come i primi atomi si siano formati da particelle più semplici. Una volta che le condizioni si sono raffreddate abbastanza da rendere stabile la materia complessa. E come questi atomi siano stati successivamente fusi in elementi più pesanti all’interno delle stelle. Ma questa comprensione non risolve la questione se qualcosa sia venuto dal nulla.
Quindi occorre andare più indietro. Le prime particelle di materia furono protoni e neutroni, che insieme costituiscono il nucleo atomico. Questi sono nati circa un decimillesimo di secondo dopo il Big Bang. Prima di quel momento, non c’era davvero materiale nel senso familiare del termine. Ma la fisica ci consente di continuare a tracciare la linea temporale all’indietro, fino a processi fisici che precedono qualsiasi materia stabile.
Come è nata la materia?
Questo ci porta alla cosiddetta “grande epoca unificata”. Ormai siamo nel regno della fisica speculativa, poiché non possiamo produrre abbastanza prove per sondare il tipo di processi che erano in corso in quel momento.
Ma un’ipotesi plausibile è che il mondo fisico fosse costituito da un brodo di particelle elementari di breve durata, inclusi i quark, gli elementi costitutivi di protoni e neutroni. C’era sia materia che “antimateria” in quantità approssimativamente uguali. Tuttavia, materia e antimateria si annichilano in un lampo di energia quando si incontrano, il che significa che queste particelle sono state costantemente create e distrutte.
Ma come sono nate queste particelle in primo luogo? La teoria quantistica dei campi ci dice che anche un vuoto, presumibilmente corrispondente allo spazio tempo vuoto, è pieno di attività fisica sotto forma di fluttuazioni energetiche. Queste fluttuazioni possono dare origine a particelle che fuoriescono, per poi scomparire poco dopo. Questo può sembrare un capriccio matematico piuttosto che fisica reale, ma tali particelle sono state individuate in innumerevoli esperimenti.
Lo stato di vuoto spazio temporale ribolle di particelle costantemente create e distrutte, apparentemente “dal nulla”. Ma forse tutto questo ci dice davvero che il vuoto quantistico è (nonostante il suo nome) un qualcosa piuttosto che un nulla.
La nascita dello spazio tempo
Supponiamo di chiederci: da dove è nato lo spazio tempo stesso? Quindi possiamo andare avanti portando l’orologio ancora più indietro, nell’antica “epoca di Planck“. Un periodo così antico nella storia dell’Universo che le migliori teorie della fisica falliscono.
Questa era si è verificata solo un decimilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo dopo il Big Bang. A questo punto, lo spazio e il tempo stessi divennero soggetti a fluttuazioni quantistiche. I fisici di solito lavorano separatamente con la meccanica quantistica, che governa il micromondo delle particelle, e con la relatività generale, che si applica su grandi scale cosmiche. Ma per comprendere veramente l’epoca di Planck, abbiamo bisogno di una teoria completa della gravità quantistica, che unisca le due.
Non abbiamo ancora una teoria perfetta della gravità quantistica, ma ci sono tentativi, come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop. In questi tentativi, lo spazio e il tempo ordinari sono generalmente visti come emergenti, come le onde sulla superficie di un oceano profondo. Ciò che sperimentiamo come spazio e tempo è il prodotto di processi quantistici che operano a un livello microscopico più profondo.
La teoria della gravità quantistica
Nell’epoca di Planck, la nostra comprensione ordinaria dello spazio e del tempo si rompe. Quindi non possiamo più fare affidamento nemmeno sulla nostra comprensione ordinaria di causa ed effetto. Nonostante ciò, tutte le teorie candidate sulla gravità quantistica descrivono qualcosa di fisico che stava avvenendo nell’epoca di Planck. Un precursore quantistico dello spazio e del tempo ordinari. Ma da dove veniva?
Anche se la causalità non si applica più in alcun modo ordinario, potrebbe essere ancora possibile spiegare una componente dell’universo dell’epoca di Planck nei termini di un’altra. Sfortunatamente, ormai anche la nostra migliore fisica non riesce completamente a fornire risposte. Fino a quando non faremo ulteriori progressi verso una “teoria del tutto”, non saremo in grado di dare alcuna risposta definitiva. Il massimo che possiamo dire con sicurezza è che la fisica finora non ha trovato esempi confermati di qualcosa che nasce dal nulla.
Può nascere qualcosa dal nulla?
Per rispondere veramente alla domanda su come qualcosa possa nascere dal nulla, dovremmo spiegare lo stato quantistico dell’intero Universo all’inizio dell’epoca di Planck. Tutti i tentativi in tal senso rimangono altamente speculativi. Alcuni di loro fanno appello a forze soprannaturali. Ma altre possibili spiegazioni rimangono nel regno della fisica, come un multiverso, che contiene un numero infinito di universi paralleli, o modelli ciclici dell’Universo, nati e rinati.
Il fisico vincitore del premio Nobel 2020 Roger Penrose ha proposto un modello intrigante ma controverso per un universo ciclico soprannominato “cosmologia ciclica conforme“. Penrose è stato ispirato da un’interessante connessione matematica tra uno stato dell’Universo molto caldo, denso e piccolo – come era al Big Bang – e uno stato estremamente freddo, vuoto ed espanso dell’Universo – come sarà nel lontano futuro . La sua teoria per spiegare questa corrispondenza è che quegli stati diventano matematicamente identici quando vengono portati ai loro limiti. Per quanto paradossale possa sembrare, una totale assenza di materia potrebbe essere riuscita a dare origine a tutta la materia che vediamo intorno a noi nel nostro Universo.
In quest’ottica, il Big Bang nasce da un quasi nulla. Questo è ciò che rimane quando tutta la materia in un universo è stata consumata in buchi neri, che a loro volta si sono persi nel vuoto. L’intero universo nasce quindi da qualcosa che, visto da un’altra prospettiva fisica, è quanto di più vicino si possa ottenere dal nulla. Ma quel niente è ancora una specie di qualcosa. È ancora un universo fisico, per quanto vuoto.
