Dopo quasi 14 miliardi di anni di apparente stabilità, le leggi della fisica potrebbero essere pronte a subire un cambiamento radicale, uno di quelli in grado, almeno in teoria, di cancellare l’intero universo.
L’universo è pieno di stelle che esplodono, buchi neri che divorano materia e vaste quantità di materia ed energia oscura che gli scienziati non comprendono ancora del tutto. A uno sguardo superficiale può sembrare un luogo caotico. Eppure, secondo i fisici, il cosmo è in realtà sorprendentemente stabile.
Questa condizione viene descritta come stato di vuoto: una sorta di equilibrio fondamentale che permette alle leggi della fisica di restare coerenti e quindi studiabili.
Ma c’è un problema non da poco. Anche se l’universo appare stabile, chi studia i campi quantistici teme che uno di questi possa trovarsi in equilibrio precario, sull’orlo di una transizione verso uno stato energetico completamente diverso. Questa possibile instabilità viene chiamata decadimento del falso vuoto, e in teoria avrebbe effetti simili a uno tsunami cosmico capace di smantellare la realtà così come la conosciamo.
Secondo alcuni fisici, persino le leggi della fisica potrebbero essere riscritte.
“Il mondo come lo conosciamo crollerebbe come un castello di carte”, afferma Peter Onyisi, professore associato di fisica teorica all’Università del Texas ad Austin.
I campi quantistici e la fragilità della realtà
Per capire questo tipo di minaccia cosmica bisogna entrare nel mondo dei campi quantistici. Il modo più semplice per immaginarli è partire da qualcosa di familiare: il campo elettromagnetico. È quello che spiega fenomeni come l’attrazione e la repulsione tra magneti, l’elettricità che alimenta i nostri dispositivi e persino la luce del Sole.
Chi ha mai giocato con una calamita in classe può ricordare le linee invisibili del campo magnetico rese visibili dalla limatura di ferro: curve che sembrano disegnare nello spazio forze che non vediamo, ma che esistono ovunque. Il campo elettromagnetico è solo uno dei tanti campi quantistici che permeano l’universo, attraversando tutto — noi compresi.
Per trovarsi in uno stato stabile, o “vuoto vero”, questi campi devono occupare il loro livello energetico più basso possibile. Tuttavia, alcune proprietà del campo di Higgs, quello che contribuisce a dare massa alle particelle, suggeriscono che ciò che percepiamo come stabile potrebbe in realtà essere solo un equilibrio temporaneo.
In altre parole: potremmo trovarci in un falso vuoto, in attesa di una transizione verso uno stato ancora più fondamentale.
Il “falso vuoto” come una valle tra montagne
Per rendere l’idea, Onyisi propone una metafora:
“Immaginate di attraversare una catena montuosa e di passare attraverso molte valli: il fondo di ciascuna è più basso della strada che avete appena percorso o che vi attende davanti, ma non necessariamente rappresenta il punto più basso in assoluto”, spiega. “Un vuoto che non è lo stato energetico minimo viene chiamato ‘falso vuoto’, a differenza del ‘vero vuoto’.”
I campi quantistici tendono naturalmente a cercare il loro stato energetico più basso. Il problema del campo di Higgs è che, se davvero si trovasse in un falso vuoto, potrebbe un giorno “saltare” verso uno stato più stabile attraverso un processo chiamato tunneling quantistico: un fenomeno per cui le particelle attraversano barriere energetiche che normalmente non avrebbero abbastanza energia per superare.
Questo passaggio non riguarderebbe solo il campo di Higgs, ma potrebbe innescare una ristrutturazione radicale delle leggi fondamentali della fisica e della chimica.
Un universo che smette di funzionare
“Le masse di elettroni e quark diventerebbero improvvisamente migliaia di miliardi di volte più grandi”, spiega David Tong, professore di fisica teorica all’Università di Cambridge. “Sospetto che la maggior parte degli atomi, oltre l’idrogeno, non esisterebbe più e si disintegrerebbe. Le reazioni nucleari smetterebbero di funzionare, quindi le stelle non brillerebbero più. La chimica verrebbe cancellata: la vita non sarebbe possibile. L’universo non sarebbe più il luogo vibrante e complesso che conosciamo.”
Tutto questo disastro, che gli scienziati come Onyisi e Tong sottolineano essere altamente teorico, sarebbe causato da un fenomeno chiamato bolla cosmologica. In pratica, si tratterebbe dell’espansione del vero vuoto da un punto dell’universo fino a coinvolgerlo interamente.
Ma, trattandosi di ipotesi puramente teoriche e non di osservazioni sperimentali, non è chiaro come queste “bolle” si propagherebbero né quali sarebbero esattamente le loro proprietà.
Le simulazioni con il calcolo quantistico
È proprio su questo punto che si inserisce il lavoro di Jaka Vodeb, ricercatore post-dottorato al Forschungszentrum Jülich in Germania, e dei suoi colleghi. In uno studio pubblicato di recente su Nature Physics, il team ha utilizzato un tipo di hardware quantistico chiamato quantum annealer, manipolando 5.564 qubit (i “bit quantistici” alla base dei computer quantistici) per simulare il comportamento di queste bolle cosmiche.
“Abbiamo scoperto qualcosa di molto interessante”, racconta Vodeb. “Contrariamente alle idee precedenti, queste bolle non si espandono da sole.”
Secondo la simulazione, la crescita delle bolle avverrebbe attraverso interazioni complesse, in cui quelle più grandi tendono ad alimentarsi delle più piccole. Anche se si tratta di un modello semplificato, i risultati potrebbero offrire indizi su ciò che, in teoria, potrebbe accadere anche nel nostro universo.
Nessun motivo di panico (per ora)
La buona notizia è che, anche se il campo di Higgs fosse davvero in uno stato di falso vuoto, il tempo necessario per una sua eventuale “transizione” sarebbe incomprensibilmente lungo.
“Parliamo di un tempo circa un miliardo, miliardo, miliardo, miliardo, miliardo, miliardo di volte più lungo dell’età attuale dell’universo”, dice Tong. “Non credo ci sia nulla di cui preoccuparsi.”
In altre parole: se anche lo scenario più estremo fosse reale, non ci sarebbe nessuno a osservarlo.