Lostato di Hartle-Hawking (oteoria dello stato senza confini, noto anche con la locuzione ingleseno-boundary proposal, cioèproposta senza confini) è una teoriafisica e unmodello cosmologico sull'origine dell'universo, nell'ambito delmodello standard delBig Bang, ipotizzata daJames Hartle eStephen Hawking a partire dal1983, in seguito con l'apporto anche diThomas Hertog.[1]
In questa teoria il Big Bang non deriva da unasingolarità gravitazionale iniziale ma da uno "stato iniziale senza confini" (da cui il nome dino-boundary proposal), descritto come una sorta di "cupola". L'universo - o meglio, uno stato primordiale a densità altissima di energia e temperatura, assai simile aun buco nero[2] - sarebbe quindi autosufficiente e auto-creato, mentre lospaziotempo si sarebbe espanso ad un certo punto, per un evento come lafluttuazione da questofalso vuoto di tipoquantistico.[3]
Lo stato di Hartle-Hawking si collocherebbecronologicamente come periodo precedente all'era di Planck e all'inflazione. Esso è inoltre descritto come l'inizio dell'universo o delmultiverso, oltre il quale non ha senso domandare cosa esistesse prima: affermare che esistesse ilnulla è un controsenso in termini. Il Big Bang sarebbe quindi una fase successiva a questo stato eterno precedente a tutto, essendo come un confine di unasfera oellissoide; non si potrebbe viaggiare prima di esso (se non esiste ilmultiverso), come non si può essere più a nord del polo terrestre.
In seguito Hawking ha sviluppato l'idea aggiungendo unacosmologia top-down ispirata all'interpretazione a molti mondi dellameccanica quantistica. Con l'adesione allateoria M, ipoteticateoria del tutto, infine, ha perfezionato l'idea ipotizzando unmultiversoinflazionario limitato[4] e adattandola allateoria delle superstringhe, sostenendo che prima del Big Bang il tempo (come le altredimensioni secondo lateoria delle stringhe), era "ripiegato" e curvo su sé stesso, avvicinandosi a raggiungere ilniente (a una grandezza uguale o inferiore allalunghezza di Planck, nella cosiddettadimensione compattata), «ma non è mai stato il niente [...] non c'è mai stato un Big Bang che ha prodotto qualcosa dalnulla. Sembra così soltanto da una prospettiva umana [...] gli eventi precedenti al Big Bang sono semplicemente non definiti, perché non c'è modo di misurare che cosa sia successo a tali eventi. Poiché gli eventi avvenuti prima del Big Bang non hanno conseguenze osservazionali, si possono anche tagliare fuori dalla teoria, e dire che il tempo è iniziato con il Big Bang».[5]
La teoria venne elaborata per sopperire al problema della singolarità. Essendo il nostro universo senza confini sarebbe anche l'unico che si è potuto evolvere dall'indeterminata natura quantistica dell'universo primitivo. Il modello prevedeva al suo principio una singolarità (il Big Bang), in cui, essendo il luogo e il momento dove, secondo la stessa previsione, l'universo avrebbe avuto inizio, tutte le leggi della fisica (come lalegge della conservazione della massa) perdono validità, generando paradossi e tendendo all'infinito.
Hawking rielaborò le leggi fisiche secondo una teoria matematica proposta daRichard Feynman (somma sulle storie ointegrale sui cammini), introducendo così il "tempo immaginario", un'astrazione matematica che permette di relazionare due eventi casualmente non connessi o non connessi temporalmente. Con il tempo immaginario - ossia un tempo senza la presenza dispazio espaziotempo - la singolarità può essere studiata. Hawking propone così un universo infinito o più precisamente senza contorno o confini, in espansione e con un inizio nel tempo immaginario. Tuttavia anche il modello ipotizzato da Hawking, è un modello che non può andare fino in fondo ed essere verificato fino a quando non si disporrà di una teoria che unifichi la gravità e la meccanica quantistica.[6]
Nella teoria dello stato senza confini, lafunzione d'onda dell'universo – ossia un'immagine per spiegare come sia nato l'universo – è calcolata attraverso l'integrale sui cammini, una funzione di tensione metrica definita a (D-1) di superficie compatta, dove D è la dimensione spazio-temporale.[1]Questa funzione d'onda dell'universo può soddisfare l'Equazione Wheeler-DeWitt.[1]
Il modello cosmologico prevede che l'universo non abbia confini nellospaziotempo, sostituendo ilBig bang inteso comesingolarità gravitazionale iniziale, con un modello matematico descritto per analogia con la regione di un polo terrestre: nessuno può viaggiare più a nord o più a sud dei rispettivi poli, in quanto in tale luogo non esiste un contorno.[1]
Originariamente la nuova proposta prevedeva una forma dell'universo di tipo chiuso destinato a terminare in unBig Crunch oBig Bounce[7], ma le discussioni conNeil Turok hanno portato a concludere che la proposta di assenza di condizioni al contorno è valida anche nel caso di ununiverso aperto o piatto, la cui tipica sorte dovrebbe essere ilBig Freeze o morte termica;«La condizione al contorno dell'universo è che esso non ha un confine», è la descrizione del modello, modificato da una sfera a una possibile cupola.[1][8]
Questo modello è basato sullacosmologia quantistica e lagravità quantistica, ma utilizza una geometria complessa quadridimensionale, con un particolare oggetto dettoistantone. L'universo (o ilmultiverso) nascerebbe dal nulla comefluttuazione quantistica diparticelle elementari, e all'inizio avrebbe avuto una forma acupola o semi-sfera, al posto di unasingolarità, come nel caso della Terra che è sferica o meglio ellittica.[9]
Insieme a Thomas Hertog, al CERN, nel 2006, Hawking ideò uno sviluppo ulteriore della sua proposta senza confini, la "cosmologia top-down" (un modello diFine-tuned Universe), per cui l'universo non aveva alcuno stato unico iniziale, e quindi è inappropriato per i fisici tentare di formulare una teoria che cerchi di predire la configurazione attuale dell'universo partendo da un preciso stato iniziale. La cosmologia top-down, postula che il presente possa selezionare il passato da una sovrapposizione di molte possibili storie (sempre basato sulla somma sulle storie). Secondo questa teoria matematica è inevitabile scoprire le attuali costanti fisiche del nostro universo, dato che l'attuale universo "seleziona" soltanto quelle storie passate che hanno portato alle condizioni presenti. In questo modo si fornisce una spiegazioneantropica per il motivo per cui ci troviamo in un universo che permette l'esistenza della materia e l'universo, senza per questo dover invocare l'esistenza di molteplici universi, cosa che Hawking comunque non esclude affatto.[10]
La teoria affronta la nascita dell'universo da unafluttuazione quantistica (cioè il Big Bang), ma la fine seguirà le altre teorie: un'inflazione infinita e nuovi universi, un "rimbalzo" o lo strappo del tessuto dello spaziotempo. L'universo dello stato di Hartle-Hawking non ha inizio, ma non è uguale allateoria dello stato stazionario diFred Hoyle (non è presente la cosiddettacreazione continua); esso semplicemente non ha confini iniziali, né di spazio né di tempo.
Questo modello vuole spiegare in particolare l'inizio di tutto, non la fine e, come Hawking ha proposto, si adatterebbe bene alle teoriestandard come la teoria più accreditata, l'inflazione cosmologica proposta da Alexei Starobinski eAlan Guth (ma in particolare alla variante dell'inflazione eterna einflazione caotica - o teoria delle bolle - diAndrej Linde, in quanto spiega la nascita da un nulla a-temporale, e, da questa bolla viene poi originato l'universo o gli universi, cioè ilmultiverso).
Il modello è adatto anche ad altre teorie sull'universo: in tal caso il vero stato di Hartle-Hawking non si colloca prima del Big Bang ma prima dell'ipotetica origine prima del multiverso e degli universi ciclici. Hawking in particolare ha approfondito anche le teorie delbuco nero primordiale, e lateoria M (cfr. anche lateoria delle stringhe).[1][11]
L'ultimo lavoro teorico di Hawking, completato poco prima della morte assieme a Thomas Hertog e pubblicato dopo la sua scomparsa, è incentrato sull'esistenza del multiverso, nella versione basata sulla teoria dell'inflazione eterna originatasi presumibilmente al momento del Big Bang che ha creato anche il nostro universo, destinato infine allamorte termica.[12][13][14] Si tratta di un lavoro che si innesta sugli studi di Andrej Linde (teoria delle bolle) e una versione avanzata della teoria dello stato senza confini di Hartle-Hawking. Hertog ha descritto ilpaper come «il modello originale senza confini di Stephen su una base matematica più solida. Questo riuscirebbe a limitare il multiverso ad un insieme finito e gestibile (di universi), permettendo così di testare il modello»[15], rilevando tracce di altri universi nellaradiazione cosmica di fondo.[16]
Stephen Hawking: spiega perché Dio non esiste, suYouTube.
