Il defunto fisico Stephen Hawking mi chiese per primo di lavorare con lui per sviluppare “una nuova teoria quantistica del Big Bang” nel 1998. Quello che era iniziato come un progetto di dottorato si è evoluto in circa 20 anni in un'intensa collaborazione che si è conclusa solo con la sua scomparsa a marzo 14, 2018.
L'enigma al centro della nostra ricerca durante questo periodo è stato come il Big Bang avrebbe potuto creare condizioni così perfettamente ospitali per la vita. La nostra risposta è essere pubblicato in un nuovo libro, Sull'origine del tempo: la teoria finale di Stephen Hawking.
Le domande sull'origine ultima del cosmo, o universo, portano la fisica fuori dalla sua zona di comfort. Eppure era proprio qui che Hawking amava avventurarsi. La prospettiva, o la speranza, di risolvere l'enigma del progetto cosmico ha guidato gran parte della ricerca di Hawking in cosmologia. “Per andare coraggiosamente dove Star Trek ha paura di calpestare” era il suo motto e anche il suo salvaschermo.
La nostra comune ricerca scientifica ha fatto sì che ci avvicinassimo inevitabilmente. Stando intorno a lui, non si poteva non essere influenzati dalla sua determinazione e dal suo ottimismo che potevamo affrontare domande mistificanti. Mi ha fatto sentire come se stessimo scrivendo la nostra storia della creazione, cosa che, in un certo senso, abbiamo fatto.
Ai vecchi tempi, si pensava che l'apparente disegno del cosmo significasse che doveva esserci un progettista, un Dio. Oggi, invece, gli scienziati puntano sulle leggi della fisica. Queste leggi hanno una serie di straordinarie proprietà generatrici di vita. Prendi la quantità di materia ed energia nell'universo, i delicati rapporti delle forze o il numero di dimensioni spaziali.
I fisici ho scoperto che se modifichi queste proprietà anche solo leggermente, rende l'universo senza vita. Sembra quasi che l'universo sia una soluzione, anche grande.
Ma da dove vengono le leggi della fisica? Da Albert Einstein a Hawking nel suo lavoro precedente, la maggior parte dei fisici del XX secolo considerava le relazioni matematiche che sono alla base delle leggi fisiche come verità eterne. In questa prospettiva, l'apparente disegno del cosmo è una questione di necessità matematica. L'universo è così com'è perché la natura non aveva scelta.
Verso la fine del 21° secolo, è emersa una spiegazione diversa. Forse viviamo in un multiverso, uno spazio enorme che genera un mosaico di universi, ciascuno con il proprio tipo di Big Bang e fisica. Avrebbe senso, statisticamente, che alcuni di questi universi fossero favorevoli alla vita.
Tuttavia, presto tali riflessioni sul multiverso furono catturate in un spirale di paradossi e nessuna previsione verificabile.
Capovolgere la cosmologia
Possiamo fare di meglio? Sì, Hawking e io lo abbiamo scoperto, ma solo abbandonando l'idea, insita nella cosmologia del multiverso, che le nostre teorie fisiche possono avere una visione dall'alto di Dio, come se fossero al di fuori dell'intero cosmo.
È un punto ovvio e apparentemente tautologico: la teoria cosmologica deve rendere conto del fatto che noi esistiamo nell'universo. "Non siamo angeli che vedono l'universo dall'esterno", mi ha detto Hawking. "Le nostre teorie non sono mai disaccoppiate da noi."
Abbiamo deciso di ripensare la cosmologia dal punto di vista di un osservatore. Ciò ha richiesto l'adozione delle strane regole di meccanica quantistica, che governano il micromondo delle particelle e degli atomi.
Secondo la meccanica quantistica, le particelle possono trovarsi in diverse posizioni possibili contemporaneamente, una proprietà chiamata sovrapposizione. È solo quando si osserva una particella che sceglie (casualmente) una posizione definita. La meccanica quantistica comporta anche salti e fluttuazioni casuali, come particelle che saltano fuori dallo spazio vuoto e scompaiono di nuovo.
In un universo quantistico, quindi, un passato e un futuro tangibili emergono da una foschia di possibilità per mezzo di un continuo processo di osservazione. Tali osservazioni quantistiche non devono essere effettuate dagli esseri umani. L'ambiente o anche una singola particella può "osservare".
Innumerevoli atti quantistici di osservazione trasformano costantemente ciò che potrebbe essere in ciò che accade, portando così l'universo più saldamente all'esistenza. E una volta che qualcosa è stato osservato, tutte le altre possibilità diventano irrilevanti.
Abbiamo scoperto che guardando indietro alle prime fasi dell'universo attraverso una lente quantistica, c'è un livello più profondo di evoluzione in cui anche le leggi della fisica cambiano ed evolvono, in sincronia con l'universo che sta prendendo forma. Inoltre, questa meta-evoluzione ha un sapore darwiniano.
La variazione entra perché i salti quantici casuali causano frequenti escursioni da ciò che è più probabile. La selezione entra in gioco perché alcune di queste escursioni possono essere amplificate e congelate, grazie all'osservazione quantistica. L'interazione tra queste due forze in competizione - variazione e selezione - nell'universo primordiale produsse un albero ramificato di leggi fisiche.
Il risultato è una profonda revisione dei fondamenti della cosmologia. I cosmologi di solito iniziano assumendo leggi e condizioni iniziali che esistevano al momento del Big Bang, quindi considera come l'universo di oggi si è evoluto da loro. Ma suggeriamo che queste leggi siano esse stesse il risultato dell'evoluzione.
Dimensioni, forze e specie di particelle si trasmutano e si diversificano nella fornace del caldo Big Bang - in qualche modo analogo a come le specie biologiche emergono miliardi di anni dopo - e acquisiscono la loro forma effettiva nel tempo.
Inoltre, la casualità coinvolta significa che il risultato di questa evoluzione - l'insieme specifico di leggi fisiche che rendono il nostro universo quello che è -può essere compreso solo a posteriori.
In un certo senso, l'universo primordiale era una sovrapposizione di un numero enorme di mondi possibili. Ma stiamo guardando l'universo oggi in un momento in cui esistono umani, galassie e pianeti. Ciò significa che vediamo la storia che ha portato alla nostra evoluzione.
Osserviamo parametri con "valori fortunati". Ma sbagliamo a presumere che siano stati progettati in qualche modo o sempre così.
Il problema con il tempo
Il nocciolo della nostra ipotesi è che, ragionando a ritroso nel tempo, l'evoluzione verso una maggiore semplicità e una minore struttura continua fino in fondo. Alla fine anche il tempo e, con esso, le leggi fisiche svaniscono.
Questo punto di vista è particolarmente confermato dalla forma olografica della nostra teoria. IL "principio olografico" in fisica prevede che proprio come un ologramma sembra avere tre dimensioni quando in realtà è codificato solo in due dimensioni, l'evoluzione dell'intero universo è similmente codificata su una superficie astratta e senza tempo.
Hawking e io consideriamo il tempo e la causalità come “qualità emergenti”, non avendo un'esistenza precedente ma derivante dalle interazioni tra innumerevoli particelle quantistiche. È un po' come la temperatura emerge da molti atomi che si muovono collettivamente, anche se nessun singolo atomo ha la temperatura.
Ci si avventura indietro nel tempo rimpicciolendo e dando uno sguardo più confuso all'ologramma. Alla fine, tuttavia, si perdono tutte le informazioni codificate nell'ologramma. Questa sarebbe l'origine del tempo: il Big Bang.
Per quasi un secolo abbiamo studiato l'origine dell'universo sullo sfondo stabile delle immutabili leggi della natura. Ma la nostra teoria legge la storia dell'universo dall'interno e come quella che include, nelle sue prime fasi, la genealogia delle leggi fisiche. Non sono le leggi in quanto tali, ma la loro capacità di trasmutazione che ha l'ultima parola.
Le future osservazioni cosmologiche potrebbero trovarne la prova. Ad esempio, osservazioni di precisione di onde gravitazionali- increspature nel tessuto dello spaziotempo - possono rivelare le firme di alcuni dei primi rami dell'universo. Se individuato, il finale cosmologico di Hawking potrebbe rivelarsi la sua più grande eredità scientifica.
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
Immagine di credito: Felix Mittermeier / Pixabay
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- Fonte: https://singularityhub.com/2023/05/12/what-stephen-hawkings-final-theory-of-the-cosmos-reveals-about-the-origins-of-time-and-life/
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