Più siamo curiosi delle grandi incognite cosmiche, più domande senza risposta riveleranno le nostre indagini sull’Universo. Indagare sulla natura di qualsiasi cosa-dove si trova, da dove viene e come è nata — ti condurrà inevitabilmente agli stessi grandi misteri: sulla natura ultima e sull’origine dell’Universo e di tutto ciò che è in esso. Eppure, non importa quanto lontano andiamo, quelle stesse domande persistenti sembrano sempre rimanere: ad un certo punto, le entità che sono il nostro” punto di partenza ” non esistevano necessariamente, quindi come sono diventate? Alla fine, ti ritrovi alla domanda finale: come ha fatto qualcosa a nascere dal nulla? Come molti interroganti recenti, tra cui Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss e molti altri hanno scritto:

“Ok, sicuramente ricevi questa domanda all’infinito, ma chiederò comunque: Come ha fatto qualcosa (l’universo/big bang) a venire dal nulla?”

Questa è forse una delle domande più grandi di tutte, perché fondamentalmente chiede non solo da dove viene tutto, ma come è nato tutto in primo luogo. Ecco quanto ci ha portato la scienza, almeno, finora.

Oggi, quando osserviamo l’Universo, la serie completa di osservazioni che abbiamo raccolto, anche con le incertezze note prese in considerazione, puntano tutte verso un quadro notevolmente coerente. Il nostro Universo è fatto di materia (piuttosto che di antimateria), obbedisce alle stesse leggi della fisica ovunque e in ogni momento, e ha iniziato — almeno, come lo conosciamo — con un Big Bang caldo circa 13,8 miliardi di anni fa. È governato dalla Relatività Generale, si sta espandendo, raffreddando e gravitando, ed è dominato dall’energia oscura (68%) e dalla materia oscura (27%), con la materia normale, i neutrini e le radiazioni che costituiscono il resto.

Oggi, naturalmente, è pieno di galassie, stelle, pianeti, elementi pesanti e in almeno una posizione, vita intelligente e tecnologicamente avanzata. Queste strutture non erano sempre lì, ma piuttosto sorsero come risultato dell’evoluzione cosmica. In un notevole salto scientifico, gli scienziati del 20 ° secolo sono stati in grado di ricostruire la linea temporale di come il nostro Universo è passato da un Universo per lo più uniforme, privo di struttura complessa e costituito esclusivamente da idrogeno ed elio, all’Universo ricco di strutture che osserviamo oggi.

Se partiamo da oggi, possiamo fare un passo indietro nel tempo e chiederci da dove provenga ogni singola struttura o componente di quella struttura. Per ogni risposta che otteniamo, possiamo quindi chiedere, “ok, ma da dove viene e come è nato”, tornando indietro fino a quando non siamo costretti a rispondere, “non lo sappiamo, almeno non ancora.”Poi, alla fine, possiamo contemplare ciò che abbiamo e chiedere: “come è nato questo, e c’è un modo in cui potrebbe essere sorto dal nulla?”

Quindi, iniziamo.

La vita che abbiamo oggi proviene da molecole complesse, che devono essere sorte dagli atomi della tavola periodica: gli ingredienti grezzi che compongono tutta la materia normale che abbiamo oggi nell’Universo. L’Universo non è nato con questi atomi; invece, hanno richiesto più generazioni di stelle che vivono e muoiono, con i prodotti delle loro reazioni nucleari riciclati in generazioni future di stelle. Senza questo, i pianeti e la chimica complessa sarebbero un’impossibilità.

Per formare stelle e galassie moderne, abbiamo bisogno di:

• gravitazione per tirare piccole galassie e ammassi stellari l’uno con l’altro, la creazione di grandi galassie e l’attivazione di nuove onde di formazione di stelle,
• che ha richiesto un pre-collezioni esistenti di massa, creato da gravitazionale di crescita,
• che necessitano di aloni di materia oscura precoce e quindi a prevenire la formazione stellare episodi espulsione che importa di nuovo in mezzo intergalattico,
• che richiedono il giusto equilibrio della materia “normale”, la materia oscura, e la radiazione per dare luogo alla radiazione cosmica di fondo, la luce elementi formano il Big Bang, e le abbondanze / pattern che vediamo in esse,
• che richiedevano fluttuazioni iniziali del seme-imperfezioni di densità-per crescere gravitazionalmente in queste strutture,
• che richiedono un modo di creare queste imperfezioni, insieme a un modo di creare materia oscura e creare le quantità iniziali di materia normale.

Questi sono tre ingredienti chiave che sono necessari, nelle prime fasi del Big Bang caldo, per dare origine all’Universo come lo osserviamo oggi. Supponendo che richiediamo anche le leggi della fisica e dello spaziotempo stesso per esistere — insieme alla materia/energia stessa-probabilmente vogliamo includere quelli come ingredienti necessari che devono in qualche modo sorgere.

Quindi, in breve, quando ci chiediamo se possiamo ottenere un Universo dal nulla o no, queste sono le entità finora inspiegabili che dobbiamo in qualche modo sorgere.

Per ottenere più materia che antimateria, dobbiamo estrapolare di nuovo nell’Universo primordiale, in un momento in cui la nostra fisica è molto incerta. Le leggi della fisica come le conosciamo sono in un certo senso simmetriche tra materia e antimateria: ogni reazione che abbiamo mai creato o osservato può solo creare o distruggere materia e antimateria in quantità uguali. Ma l’Universo che avevamo, nonostante iniziasse in uno stato incredibilmente caldo e denso in cui materia e antimateria potevano essere create in quantità abbondanti e abbondanti, doveva avere un modo per creare un’asimmetria materia/antimateria in cui inizialmente non esisteva.

Ci sono molti modi per farlo. Anche se non sappiamo quale scenario abbia effettivamente avuto luogo nel nostro giovane Universo, tutti i modi di farlo coinvolgono i seguenti tre elementi:

1. un equilibrio serie di condizioni, che naturalmente derivano in espansione, il raffreddamento dell’Universo,
2. un modo per generare barione-numero-di violare le interazioni, che il Modello Standard permette, attraverso sphaleron interazioni (e al di là del Modello Standard scenari di consentire in altri modi),
3. e un modo per generare abbastanza C e violazione di CP per creare una materia/antimattery asimmetria nella grande abbastanza importi.

Il modello standard ha tutti questi ingredienti, ma non abbastanza. Se consideri un universo simmetrico materia / antimateria come “un Universo senza nulla”, allora è quasi garantito che l’Universo abbia generato qualcosa dal nulla, anche se non siamo abbastanza sicuri di come sia successo esattamente.

Allo stesso modo, ci sono molti modi praticabili per generare materia oscura. Sappiamo-da test e ricerche approfondite-che qualunque sia la materia oscura, non può essere composta da particelle presenti nel Modello Standard. Qualunque sia la sua vera natura, richiede una nuova fisica al di là di ciò che è attualmente noto. Ma ci sono molti modi in cui potrebbe essere stato creato, tra cui:

• dall’essere termicamente creato nel caldo e inizio dell’Universo, e quindi la mancata completamente annientare distanza, rimanendo stabile in seguito (come supersimmetrica più leggero o di Kaluza-Klein particella),
• o da una fase di transizione, che spontaneamente si è verificato come l’Universo espanso e raffreddato, il ripping di particelle massicce di quantum vacuum (ad esempio, l’assione),
• come una nuova forma di un neutrino, che si può mescolare con il noto neutrini (es., un neutrino sterile), o come un pesante neutrino destrorso che esiste in aggiunta ai neutrini convenzionali,
• o come un fenomeno puramente gravitazionale che dà origine a una particella ultramassiva (ad esempio, un WIMPzilla).

Perché c’è materia oscura, oggi, quando il resto dell’Universo sembra funzionare bene all’inizio senza di essa? Ci deve essere stato un modo per generare questa” cosa ” dove non c’era una cosa del genere in anticipo, ma tutti questi scenari richiedono energia. Allora, da dove viene tutta quell’energia?

Forse, secondo l’inflazione cosmica — la nostra teoria principale delle origini pre-Big Bang dell’Universo — è davvero venuta dal nulla. Ciò richiede un po ‘ di una spiegazione, ed è ciò che si intende più frequentemente per “un universo dal nulla.”(Compreso, a proposito, come è stato usato nel titolo del libro con lo stesso nome.)

Quando immagini le prime fasi del Big Bang caldo, devi pensare a qualcosa di incredibilmente caldo, denso, ad alta energia e quasi perfettamente uniforme. Quando chiediamo, “come è nato questo,” in genere abbiamo due opzioni.

1. Possiamo seguire la strada di Lady Gaga, e solo affermare che deve essere “nato in questo modo.”L’Universo è nato con queste proprietà, che chiamiamo condizioni iniziali, e non ci sono ulteriori spiegazioni. Come fisico teorico, chiamiamo questo approccio ” rinunciare.”
2. Oppure possiamo fare ciò che i fisici teorici sanno fare meglio: cercare di inventare un meccanismo teorico che possa spiegare le condizioni iniziali, prendere in giro previsioni concrete che differiscono dalle previsioni della teoria standard e prevalenti e poi uscire cercando di misurare i parametri critici.

L’inflazione cosmica è nata come risultato di questo secondo approccio, e ha letteralmente cambiato la nostra concezione di come il nostro Universo è venuto ad essere.

Invece di estrapolare “caldo e denso” back to infinitamente calda, infinitamente denso singolarità, l’inflazione praticamente dice, “forse il Big Bang è stato preceduto da un periodo in cui un grande densità di energia era presente nel tessuto dello spazio, causando l’Universo a espandersi a un implacabile (inflazionistiche) tasso di, e poi quando l’inflazione finita, che l’energia ha trasferito in materia e antimateria-e-radiazioni, la creazione di quello che noi vediamo come il Big Bang: le conseguenze dell’inflazione.”

In dettaglio cruento, questo non solo crea un Universo con la stessa temperatura ovunque, planarità spaziale e nessun residuo di un’ipotetica grande epoca unificata, ma predice anche un particolare tipo e spettro di fluttuazioni del seme (densità), che poi uscimmo e vedemmo. Dal solo spazio vuoto stesso-sebbene sia spazio vuoto pieno di una grande quantità di energia di campo — un processo naturale ha creato l’intero Universo osservabile, ricco di struttura, come lo vediamo oggi.

Questa è la grande idea di ottenere un Universo dal nulla, ma non è soddisfacente per tutti.

Per una grande frazione di persone, un Universo in cui lo spazio e il tempo esistono ancora, insieme alle leggi della fisica, alle costanti fondamentali e ad un’energia di campo diversa da zero inerente al tessuto dello spazio stesso, è molto separato dall’idea del nulla. Possiamo immaginare, dopo tutto, un luogo al di fuori dello spazio; un momento oltre i confini del tempo; un insieme di condizioni che non hanno alcuna realtà fisica per vincolarle. E quelle immaginazioni – se definiamo queste realtà fisiche come cose che dobbiamo eliminare per ottenere il vero nulla-sono certamente valide, almeno filosoficamente.

Ma questa è la differenza tra il nulla filosofico e una definizione più fisica del nulla. Come ho scritto nel 2018, ci sono quattro definizioni scientifiche di nulla, e sono tutte valide, a seconda del contesto:

1. Un momento in cui la tua “cosa” di interesse non esisteva,
2. Spazio fisico vuoto,
3. Spazio-tempo vuoto nello stato di energia più bassa possibile e
4. Tutto ciò che ti rimane quando togli l’intero Universo e le leggi che lo governano.

Possiamo sicuramente dire di aver ottenuto “un universo dal nulla” se usiamo le prime due definizioni; non possiamo se usiamo la terza; e sfortunatamente, non sappiamo abbastanza per dire cosa succede se usiamo la quarta. Senza una teoria fisica per descrivere ciò che accade al di fuori dell’Universo e al di là delle leggi fisiche del regno, il concetto di vero nulla è fisicamente mal definito.

Nel contesto della fisica, è impossibile dare un senso a un’idea di nulla assoluto. Cosa significa essere al di fuori dello spazio e del tempo, e come lo spazio e il tempo possono sensibilmente, prevedibilmente emergere da uno stato di non esistenza? Come può lo spaziotempo emergere in una particolare posizione o ora, quando non esiste una definizione di posizione o tempo senza di essa? Da dove derivano le regole che regolano i quanti — i campi e le particelle entrambi—?

Questa linea di pensiero presuppone anche che lo spazio, il tempo e le leggi della fisica stesse non fossero eterne, quando in realtà potrebbero esserlo. Tutti i teoremi o le prove contrarie si basano su ipotesi la cui validità non è stabilita in modo solido nelle condizioni che cercheremo di applicarle. Se si accetta una definizione fisica di “nulla”, allora sì, l’Universo come lo conosciamo sembra essere sorto dal nulla. Ma se lasci alle spalle i vincoli fisici, tutto ciò che riguarda certamente le nostre ultime origini cosmiche scompare.

Sfortunatamente per tutti noi, l’inflazione, per sua stessa natura, cancella qualsiasi informazione che possa essere impressa da uno stato preesistente sul nostro Universo osservabile. Nonostante la natura illimitata della nostra immaginazione, possiamo solo trarre conclusioni su questioni per le quali possono essere costruiti test che coinvolgono la nostra realtà fisica. Non importa quanto logicamente suono qualsiasi altra considerazione può essere, tra cui una nozione di nulla assoluto, è semplicemente un costrutto della nostra mente.

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