Ogni buco nero potrebbe contenere un universo

E se il nostro universo esistesse all’interno di un buco nero?

Sembra un’ipotesi irrealistica ma, secondo Nikodem Poplawski, fisico teorico all’Università di New Haven in Connecticut, potrebbe essere la migliore spiegazione di come è iniziato l’universo e di ciò che osserviamo oggi. In ogni caso, questa ipotesi è stata proposta anche da alcuni altri fisici.

La teoria del Big Bang ed il Modello Cosmologico Standard, anche se spiegano molte cose, quasi tutto in realtà, fanno ancora storcere la bocca a diversi scienziati per via di alcune notevoli domande irrisolte.

L’ipotesi inflazionistica

Per molti, l’idea che l’universo sia scaturito da una “singolarità” è decisamente controintuitiva: un punto infinitamente piccolo che contiene una concentrazione infinitamente alta di materia, che improvvisamente comincia ad espandersi per arrivare alle dimensioni che osserviamo oggi.

L’ipotesi inflazionistica, un’espansione superveloce dello spazio proposta negli ultimi decenni, spiega molte osservazioni ma, secondo alcuni, ad esempio Avi Loeb, astronomo e astrofisico di Harvard, ha un difetto: si adatta troppo bene a tutto e, soprattutto, non è falsificabile.

Inoltre restano in sospeso alcune importanti domande: cosa ha iniziato il big bang? Cosa ha causato la fine dell’inflazione? Qual è la fonte della misteriosa energia oscura che apparentemente sta facendo accelerare l’espansione dell’universo?

L’idea che il nostro universo sia interamente contenuto all’interno di un buco nero fornisce risposte a questi problemi e molti altri. Elimina la nozione di singolarità fisicamente impossibili nel nostro universo. 

E attinge a due teorie centrali in fisica.

La prima è la relatività generale, la moderna teoria della gravità. Descrive l’universo su larga scala. Qualsiasi evento nell’universo si presenta come un punto nello spazio e nel tempo, o nello spaziotempo. Un oggetto enorme come il Sole distorce o “curva” lo spaziotempo, come una palla da bowling appoggiata su un telo teso.

La distorsione gravitazionale dello spazio-tempo generata dal Sole influenza il movimento della Terra e degli altri pianeti che gli orbitano attorno, prigionieri di questa curvatura che ci appare come forza di gravità.

La seconda è la meccanica quantistica, che descrive l’universo su scale più piccole, a livello atomico o ancora più microscopico. Tuttavia, la meccanica quantistica e la relatività generale sono attualmente teorie separate; da tempo i fisici si sforzano di combinarle in un’unica teoria della “gravità quantistica” perché l’idea è che infinitamente grande ed infinitamente piccolo debbano essere interdipendenti per spiegare adeguatamente ogni tipo di evento, ma finora non è stato possibile.

Un adattamento della relatività generale degli anni ’60, chiamato teoria della gravità di Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, tiene conto degli effetti della meccanica quantistica. Non solo sembra costituire un passo avanti verso la gravità quantistica, ma porta anche a un’immagine alternativa dell’universo.

Questa variazione della relatività generale incorpora un’importante proprietà quantistica nota come spin. Particelle come atomi ed elettroni possiedono spin o il momento angolare interno, qualcosa che si può visualizzare e comprendere guardando un pattinatore sul ghiaccio che ruota su se stesso.

In questa immagine, gli spin delle particelle interagiscono con lo spaziotempo e lo dotano di una proprietà chiamata “torsione”. Per comprendere la torsione, immagina lo spaziotempo non come una tela bidimensionale, ma come un’asta flessibile e monodimensionale.

Piegare l’asta corrisponde allo spazio-tempo curvo e torcere l’asta corrisponde alla torsione dello spazio-tempo. Se un’asta è sottile, puoi piegarla, ma è difficile vedere se è attorcigliata o meno.

La torsione dello spaziotempo sarebbe significativa, nell’universo primordiale o nei buchi neri. In questi ambienti estremi, la torsione dello spazio-tempo si manifesterebbe come una forza repulsiva che contrasta l’attrazione della forza gravitazionale proveniente dalla curvatura dello spazio-tempo.

Nella versione standard della relatività generale, stelle molto massicce finiscono per collassare in buchi neri: regioni dello spazio da cui nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.

La torsione dello spaziotempo

Ecco come la torsione si manifesterebbe nei momenti iniziali del nostro universo:

Inizialmente, l’attrazione gravitazionale dallo spazio curvo supererebbe le forze repulsive generate dalla torsione, facendo collassare la materia in regioni dello spazio più piccole. Alla fine, però, la torsione diventerebbe molto forte e impedirebbe alla materia di comprimersi in un punto di densità infinita; la materia raggiungerebbe uno stato di densità estremamente grande ma finita.

Poiché l’energia può essere convertita in massa, l’energia gravitazionale immensamente alta in questo stato estremamente denso provocherebbe un’intensa produzione di particelle, aumentando notevolmente la massa all’interno del buco nero.

Il numero crescente di particelle con spin provocherebbe livelli più elevati di torsione nello spazio-tempo. La forza repulsiva, alla fine, fermerebbe il collasso e creerebbe un “grande rimbalzo“. Il rapido contraccolpo successivo ad un rimbalzo così grande potrebbe essere ciò che ha provocato l’espansione del nostro universo.

Il risultato di questo rinculo corrisponde alle osservazioni della forma, della geometria e della distribuzione della massa dell’universo.

Ogni buco nero produrrebbe un nuovo universo primordiale al suo interno

A sua volta, il meccanismo di torsione suggerisce uno scenario sorprendente: ogni buco nero produrrebbe un nuovo universo primordiale al suo interno.

Se questo fosse vero, il nostro universo potrebbe essere l’interno di un buco nero esistente in un altro universo. Proprio come noi non possiamo vedere cosa sta succede all’interno dei buchi neri nel nostro universo, nessun osservatore appartenente all’universo genitore potrebbe vedere cosa sta succedendo nel nostro.

Il movimento della materia attraverso il confine del buco nero, chiamato “orizzonte degli eventi“, avverrebbe solo in una direzione, fornendo una direzione del tempo che percepiamo come l’andare verso il futuro. La freccia del tempo nel nostro universo sarebbe quindi ereditata, attraverso la torsione, dall’universo genitore.

Infine, la torsione potrebbe essere la fonte dell’energia oscura, una forma misteriosa di energia che permea tutto lo spazio e accelera il tasso di espansione dell’universo. La geometria con torsione produce naturalmente una “costante cosmologica“, una sorta di forza esterna aggiunta che è il modo più semplice per spiegare l’energia oscura. Pertanto, l’espansione accelerata osservata dell’universo potrebbe finire per essere la prova più forte della torsione.

La torsione fornisce quindi una base teorica per uno scenario in cui l’interno di ogni buco nero diventa un nuovo universo.

Appare anche come rimedio una buona spiegazione a problemi importanti dell’attuale teoria della gravità e della cosmologia. I fisici devono ancora combinare completamente la teoria di Einstein-Cartan-Sciama-Kibble con la meccanica quantistica in una teoria quantistica della gravità.

D’altra parte, però, la torsione mentre risolve, come abbiamo visto, alcune domande importanti, ne solleva di nuove. Ad esempio, cosa sappiamo dell’universo genitore e del buco nero all’interno del quale risiede il nostro universo? Quanti strati di universi genitori potrebbero esserci? Come possiamo testare che il nostro universo vive in un buco nero?

Per l’ultima domanda potremmo anche avere modo di trovare una risposta: poiché tutte le stelle e quindi i buchi neri ruotano, il nostro universo dovrebbe avere ereditato l’asse di rotazione del buco nero genitore come “direzione preferita”.

Recentemente, dall’osservazione di oltre 15.000 galassie sono emerse prove secondo cui in un emisfero dell’universo molte galassie a spirale sono “mancine” o ruotano in senso orario, mentre nell’altro emisfero sono più “destrorse” o ruotano in senso antiorario.

In ogni caso, includere la torsione nella geometria dello spaziotempo potrebbe essere un passo giusto verso una teoria definitiva della cosmologia.

Fonte: Inside Science