Universo/Universo parallelo

Un universo parallelo è un universo che corrisponde esattamente al nostro, ma non c'è modo che essi interagiscano tra di loro. Il termine scientifico di più universi paralleli è multiverso, ovvero, è un insieme di universi coesistenti previsto da varie teorie (per es. quella dell'inflazione eterna, di A. Linde, o quella secondla qualecui da ogni buco nero nascerebbe un nuovo universo), ideata dal fisico Lee Smolin. Le dimensioni parallele sono contemplate anche in tutti i modelli correlati al concetto di D-brane, classe di P-brane inerenti alla teoria delle stringhe.

Hugh Everett III

Nella "interpretazione a molti mondi" della meccanica quantistica, di Hugh Everett III, dalla sua tesi di dottorato (The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics), viene proposto per la prima volta, e in modo serio, il concetto di multiverso. Esso prevede che ogni misura quantistica porti alla divisione dell'universo in tanti universi paralleli quanti sono i possibili risultati dell'operazione di misura.

Sempre secondo questa teoria, tutti gli universi, se hanno le stesse leggi fisiche, sono strutturalmente uguali, tranne che, secondo Everett, non sono comunicanti, ma potrebbero esercitare un'azione reciproca.

Copenhagen

Altra teoria famosa è quella di Copenhagen e quella delle "storie consistenti". In entrambe lo stato dell'intero multiverso è correlato agli stati degli universi costitutivi dalla sovrapposizione quantistica, ed è descritto da una singola funzione d'onda universale.

L'interpretazione a molti mondi (Many Worlds Interpretation) non può spiegare l'apparente universo antropico, questo perché le costanti fisiche di almeno una parte degli infiniti possibili "mondi" sono le stesse. L'interpretazione a molti mondi può, comunque, spiegare l'esistenza (all'apparenza improbabile) di un pianeta come la Terra.

Teoria delle "bolle"

Bisogna immaginare tanti dischi posti uno sopra all'altro: ogni disco corrisponde a un universo, e ognuno di essi ha costanti fisiche diverse da quelle degli altri. Questa teoria si trova particolarmente bene con la teoria dell'inflazione cosmica. Il concetto dell'universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un "universo genitore". Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia. Queste fluttuazioni possono creare piccole bolle e wormhole. Se la fluttuazione di energia non è molto grande, un piccolo universo a bolla può formarsi, sperimentare una qualche espansione (come un palloncino che si gonfia), ed in seguito potrebbe contrarsi e sparire dal campo di esistenza. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto ad un certo valore critico, si forma un piccolo universo a bolla dall'universo parentale, va incontro ad un'espansione a lungo termine, e permette la formazione sia di materia che di strutture galattiche a grandissima scala.

Teoria delle stringhe e delle superstringhe

Nell'ambito della teoria delle superstringhe troviamo un altro tipo di multiverso ancora: le membrane. Secondo la teoria delle stringhe la materia è composta da minuscole corde vibranti in uno spazio di 11 dimensioni (10+1), dunque 7 in più dallo spazio 3D a noi noto, compresa la dimensione temporale.

Le stringhe potrebbero essere aggregate a membrane 3D (o più) immerse in uno spazio molto più ampio (iperspazio); ogni membrana è un universo distinto. Alcuni scienziati ritengono che il Big Bang che ha dato origine al nostro universo sia stato originato tra uno scontro tra due o più membrane.

Seconda la teoria delle stringhe e delle superstringhe le ipotesi di natura corpuscolare e ondulatoria della materia non sono alternative. A un livello più macroscopico, la materia appare composta da particelle, che in realtà sono aggregati di cariche energetiche. Ad una dimensione di analisi crescente, queste particelle si presentano composte da energia.

Il costituente primo della materia sono stringhe di energia che vibrano ad una determinata frequenza o lunghezza d'onda caratteristica, e che si aggregano a formare particelle.

Gli infiniti universi paralleli potrebbero coesistere nello stesso continuum di dimensioni, vibrando a frequenze differenti. Il numero di dimensioni necessarie è indipendente dal numero di universi, ed è quello richiesto per definire una stringa (al momento 11 dimensioni). Questi universi potrebbero estendersi da un minimo di 4 a tutte le dimensioni in cui è definibile una stringa. Se occupano 4 dimensioni, queste sono il continuo spazio-temporale: nel nostro spazio-tempo, coesisterebbero un numero infinito o meno di universi paralleli di stringhe, che vibrano entro un range di lunghezze d'onda/frequenze caratteristico per ogni universo. Coesistendo nelle stesse nostre 4 dimensioni, tali universi sarebbero soggetti a leggi aventi significato fisico analogo a quelle del nostro universo.

La novità di questa teoria è che gli infiniti universi non vivono in dimensioni parallele, né necessitano di postulare l'esistenza di più di 4 dimensioni di spazio-tempo. Ciò che consente di definire una pluralità di universi indipendenti non è un gruppo di 4 o più dimensioni per ogni universo, ma l'intervallo di lunghezze d'onda caratteristico.

L'intervallo teorico di frequenze/lunghezze d'onda per le vibrazioni di una stringa determina anche il numero finito/infinito di universi paralleli definibili.

Ipotesi del Multiverso nella fisica

Il satellite WMAP, che rilevà il cold spot, permise a Laura Mersini-Houghton di fornire un'evidenza empirica misurabile per un universo parallelo all'interno del multiverso. Secondo Max Tegmark l'esistenza di altri universi è conseguenza diretta delle osservazioni cosmologiche: egli descrive l'insieme generale di concetti correlati che condividono la nozione che esistono altri universi al di là di quello osservabile, e si spinge fino a fornire una tassonomia degli universi paralleli organizzata a livelli.

Classificazione

I fisici George Ellis, U. Kirchner e W.R. Stoeger, per poter rendere chiara la terminologia, consigliano l'utilizzo del termine "Universo" per il modello teorico della totalità dello spaziotempo connesso nel quale viviamo, dominio universo per l'universo osservabile o una parte simile dello stesso spazio-tempo, "universo" per uno spazio-tempo generale, che si applica sia al nostro "Universo" oppure ad un altro disconnesso dal nostro, multiverso per una collezione di spazio-tempi non connessi tra di loro, e universo a multi-dominio per riferirsi a un modello dell'insieme di spazio-tempi singoli connessi nella modalità descritta dai modelli della teoria dell'inflazione caotica.

I livelli secondo la classificazione di Tegmark descritti secondo la terminologia di Ellis, Koechner e Stoeger sono brevemente descritti in seguito.

Universi a multi-dominio

I Livello, o multiverso aperto: una predizione generica di inflazione cosmologica è quella dell'universo infinito dell'ipotesi ergodica, che, essendo infinito, deve contenere vari volumi di Hubble che adempiano tutte le condizioni iniziali.

Universi con costanti fisiche diverse

II Livello, o teoria dell'universo a bolle di Andrej Linde: nell'inflazione caotica, altre regioni termalizzate possono avere diverse costanti fisiche, diversa dimensionalità e diverso contenuto di particelle (sorprendentemente, questo livello include anche la teoria di Wheeler sull'universo oscillante).

Multiversi

Livello III, o interpretazione multimondo di Hugh Everett III: un'interpretazione della meccanica quantistica che propone l'esistenza di universi multipli, tutti "identici come costanti fisiche", ma che possibilmente si dipanano in stati differenti. Molti ritengono che l'interpretazione di Everett (considerata come una teoria formale) sia un'estensione conservativa della meccanica quantistica standard, il che vuol dire che se si riesce ad esprimere i suoi risultati nel linguaggio della meccanica quantistica ordinaria, essa non porta a nuovi universi con leggi e costanti fisiche diverse, ossia a nuovi risultati non-contemplati dalla fisica senza interpretazione everettiana. Questo, secondo Tegmar, "è un fatto ironico, dal momento che storicamente questo livello è stato il più controverso". Nel settembre del 2007 David Deutsch ha presentato quella che viene considerata una prova dell'interpretazione a molti-mondi.

Insieme definitivo

Livello IV, o insieme definitivo di Tegmark: altre strutture matematiche danno differenti equazioni fondamentali per la fisica. Questo livello considera reale ogni ipotetico universo basato su queste strutture. Siccome esso contiene tutti gli altri insiemi porta a chiusura la gerarchia dei multiversi: non ci può essere un livello 5. La questione ancora aperta riguarda le possibili suddivisioni del livello IV in futuro.

Teoria MT

Un multiverso di una specie differente è stato ipotizzato con l'estensione a 11 dimensioni della teoria delle stringhe conosciuta come Teoria M. In questa teoria il nostro universo, così come gli altri, sono creati da collisioni fra membrane in uno spazio a 11 dimensioni. A differenza di quelli della meccanica quantistica questi universi possono avere diverse leggi fisiche così come anche costanti fisiche differenti.