Perché l’universo NON è una simulazione al computer

L’universo può essere una immensa simulazione a stati discreti come un gigantesco  automa cellulare? (no)

In questi giorni i giornali hanno rilanciato la (vecchia) discussione sulla possibilità che l’universo sia una simulazione in qualche tipo di supercomputer. Una citazione di Matrix, un pizzico di cospirazione, qualche numero sparso a caso e il gioco è fatto.
L’ipotesi che l’universo come noi lo percepiamo sia solo un’ombra di quello reale risale ai filosofi greci (e probabilmente anche prima). L’esempio classico è quello della Caverna di Platone. Noi saremmo come i prigionieri della caverna che possono cogliere solo le ombre del mondo reale esterno alla caverna. Di conseguenza la nostra comprensione del mondo risulterebbe incompleta.

Del resto la nostra interazione con il resto dell’universo avviene tramite i cinque sensi, con cervelli evolutisi per fare tutt’altro (cibo, riproduzione, pensare alla riproduzione, discussioni sulla riproduzione…). Sarebbe quindi logico aspettarsi che non siamo in grado di percepire altro che ombre e proiezioni di un mondo ben più complesso. Tuttavia, negli ultimi cinque secoli, grazie a strumenti come il microscopio e il telescopio (e tutte le successive migliorie) abbiamo potuto estendere enormemente le nostre capacità esplorative nel reame macroscopico e microscopico. Questo ci ha permesso di correggere la nostra descrizione dell’universo, passando dalle sfere dei cieli di cristallo al Big Bang e un universo di circa 45.5 miliardi di anni luce di raggio; da concetti come etere, flogisto e quintessenza alla comprensione delle forze fondamentali della natura che si manifestano su dimensioni inferiori del nucleo atomico.

Pertanto, per quanto limitata ed errata possa essere la comprensione attuale del nostro universo, essa è ormai troppo sofisticata perché sia credibile l’ipotesi di una simulazione basata su micro-elementi  come in un automa cellulare (tipo il gioco di life: qui uno splendido simulatore).

Infatti le misure astronomiche mostrano che l’universo ha un diametro di circa 91 miliardi di anni luce e che le interazioni fondamentali hanno luogo su una scale pari a frazioni infinitesime della grandezza del protone. Calcoli teorici mostrano come la grandezza naturale sia pari a 1.6*10-35 m (la scala di Planck). Dal punto di vista sperimentale, l’osservazione di raggi cosmici di ultra-alta energia provano l’esistenza di particelle con energie superiori a 1020eV (almeno 1000 di volte più grandi a quelle ricreate negli acceleratori di particelle). Per riprodurre questi eventi, la simulazione in cui ci troveremmo dovrebbe estendersi in una sfera di 45.5 miliardi di anni luce di raggio con una risoluzione pari ad almeno 10-27 m.

Al momento i computer attuali riescono a simulare lo spazio tempo su un reticolo quadridimensionale delle dimensioni massime di 10-15m e con una risoluzione di qualche percentuale di questo valore. Anche assumendo che il potere computazionale dei computer possa crescere  secondo la legge di Moore, tra più di un secolo dovremmo essere in grado di simulare al massimo un universo di circa un metro di grandezza. Va detto che queste simulazioni consentiranno progressi incommensurabili nella comprensione della fisica fondamentale, ma ancora lontanissimi da quanto ipotizzato dai filosofi di facebook.
Si può sempre argomentare che i 'computer' che simulano il nostro universo siano infinitamente più potenti e funzionino 'chissaccome', ma in questo caso si tratta di una riformulazione della Creazione, senza possibilità di verificare questa ipotesi o interagirci.
Inoltre, nel pot-pourri delle sciocchezze che si leggono in giro si fa una confusione tra vari tipi di ‘universi’.

L’universo alla Matrix.

In questo caso l’universo NON è una simulazione ma una illusione generata in una persona (come in un episodio de Il  Prigioniero,1969) o più individui (Dark City, 1998 e poi Matrix, 1999). È quindi una specie di ‘realtà virtuale’ molto sofisticata che genera nel nostro cervello (indirettamente, tramite stimoli visivi, tattili, olfattivi ecc…)  o direttamente (tramite stimolazione neuronale) le percezioni che noi interpretiamo come realtà.  Creare questo tipo di miraggio sarebbe infinitamente più semplice che una vera simulazione, ma richiederebbe comunque risorse computazionali enormi, dato che comunque dovrebbero simulare l’illusione delle interazioni ad alta energia.

L’universo alla Truman show.

Ispirato al racconto ‘’L’uomo dei giochi a premio” di Philip Dick (1959), il film ci mostra un mondo simulato molto più piccolo di quello reale. In questo caso il volume da simulare si estenderebbe alla sola terra (o al sistema  terra-luna, dato che le missioni Apollo ci hanno fatto raggiungere anche il nostro satellite). Anche se la simulazione del resto del mondo  macroscopico sarebbe idealmente possibile (per quanto,  galassie, redshift, buchi neri, stelle di neutroni ecc, sarebbero estremamente difficili da mettere ‘a mano’); ma resta il problema del mondo microscopico. La sola terra ha circa 6*1050 protoni e noi  – come già accennato – non siamo in grado di neanche immaginare come simularne anche uno solo.

Il macro universo simulato.

Vari articoli scientifici  hanno affrontato questo problema cercando di capire se alcuni attuali problemi aperti della fisica moderna potessero essere interpretati in chiave di evidenza e limiti di una eventuale simulazione. Ad esempio l’attuale devastante incongruenza tra meccanica quantistica e relatività generale  sarebbe risolta naturalmente non con le stringhe o la gravità quantistica, ma semplicemente con una impostazione ad hoc in questa fantomatica messinscena. Se proprio di simulazione si deve trattare, afferma l’articolo, questa potrebbe essere visibile nella distribuzione dei raggi cosmici di ultra-alta energia.  Invece di provenire da tutte le direzioni, infatti, questi dovrebbero mostrare direzioni preferenziali correlate ai vertici e alla struttura del reticolo su cui avviene la simulazione.

(già apparso su scientificast)

I dati di Planck, il fondo cosmico a microonde ed il Big Bang

A quasi quattro anni dal lancio sono stati resi pubblici i primi dati sul fondo cosmico a microonde della sonda Planck. La precisione delle misure consente di determinare con estrema precisione la quantità di materia ordinaria, oscura, e di energia oscura nel nostro universo.  I primi risultati sono stati raccolti in una trentina di articoli che analizzano in dettaglio i vari risultati della missione. Alcuni dati mostrano piccole ma significative discrepante con i valori attesi, e potrebbero aprire la strada verso teorie più precise sulla nascita ed evoluzione del nostro universo.   

Che cos'è e dove si trova Planck? 

Planck è una sonda costruita dall'Agenzia spaziale Europea,  lanciata nel 2010 e  posta in orbita attorno al secondo punto di Lagrange, sul lato opposto della luna rispetto alla terra.  In questa maniera il calore del nostro pianeta non interferisce con le  le misure.

Che cosa misura?

E' un precisissimo termometro che misura la temperatura dell'universo. Questa è in media pari a 2.75gradi  Kelvin, ossia appena  tre gradi sopra lo zero assoluto.

Ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica a seconda della sua temperatura; 
 intensità e  frequenza della radiazione emessa sono descritte dalla legge di Planck.

Sia la legge che il satellite sono intitolate al fisico tedesco che la propose 
per la prima volta nel 1900. 

La  formula poté essere derivata solo abbandonando la vecchia concezione 
della meccanica classica 

ed introducendo concetti propri della meccanica quantistica: 
storicamente fu uno dei colpi più duri al  meccanicismo dell'ottocento.

Spettro della radiazione elettromagnetica emesso dal sole (6000 gradi Kelvin) e da altri corpi a temperatura più bassa.
Il picco di emissioni è radiazione visibile ad occhio nudo (in realtà l'occhio umano si è evoluto per essere sensibile alle frequenze di maggiore intensità del Sole).

Le braci incandescenti del camino emettono luce tanto più bianca quanto più alta  è la temperatura.

Abbassando la temperatura le emissioni sono per lo più verso il rosso  (il colore dei carboni ardenti).

Anche il sole emette radiazione secondo questa legge, ad una temperatura di 6000 gradi Kelvin (la temperatura della sua superficie).

In tutti i casi viene prodotta anche radiazione infrarossa, che è quella che ci scalda. Anche gli esseri viventi emettono  radiazione, ma avendo  una temperatura di 37 gradi Celsius,  solo nell'infrarosso (ed è per questo che di notte siamo visibili solo con appositi sensori infrarossi).

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Come già accennato, lo spazio intergalattico si trova a 2.75 gradi Kelvin e quindi emette radiazione nelle microonde. Lo spettro - detto anche spettro di corpo nero - è una delle verifiche più accurate della legge di Planck e dell'esistenza del Big Bang.   Questa radiazione è stata emessa 13.78 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva solo 379,000 anni e si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di essere catturati dai protoni, formando per la prima volta gli atomi di idrogeno. La temperatura e le frequenze emesse a quel tempo erano molto più elevate, ma l'espansione dell'universo le ha fatte scendere sino al valore attuale. 

Spettro della radiazione cosmica di fondo misurato dal pioneristico satellite COBE alla fine degli anni '80.

Ma allora che misura Planck?

Gli strumenti  misurano la temperatura e lo spettro della radiazione emessa in tutte le direzioni della volta celeste. La mappa mostra le fluttuazioni (minime, circa una parte su 10000) dal valore aspettato, in rosso sotto la media e in blu sopra la media. 

Analizzando l'ampiezza e le dimensioni delle oscillazioni è possibile risalire allo stato dell'universo nei suoi primi istanti di vita: se e  quanto fosse uniforme, come si sia scatenata l'espansione, quanta materia ordinaria ed oscura è presente in esso e così via.

Mappa di Planck delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo (da qui).
I puntini rossi rappresentano le direzioni del cielo dove lo spazio appare
leggermente più caldo, in blu dove è più freddo. La mappa è in coordinate galattiche
per cui la galassia (il cui contributo è stato rimosso) giace  su una riga orizzontale al centro dell'immagine.

I dati  di Planck confermano e raffinano le misure precedenti, mostrando come l'universo si sia espanso improvvisamente per poi proseguire la sua crescita in maniera più graduale, mostrando la presenza di fluttuazioni su grande scala maggiore di quanto previsto dai modelli originali. Lo studio delle implicazioni di queste misure devono ancora venire, ma è auspicabile che - assieme agli studi su LHC - possano aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica moderna: natura della materia oscura, significato dell'energia oscura, asimmetria materia-antimateria. Già fare un passo nella soluzione di uno di questi enigmi potrebbe aprire la strada a nuove teorie sulla natura del mondo. 

La distribuzione di materia ed energia nell'universo prima e dopo le misure attuali (da qui)

Una immensa struttura agli albori dell’universo

Immagine multipla del quasar UZC J224030.2+032131
Il punto centrale è la sorgente vera e propria,
mentre le quattro immagini ai lati sono create
 dall’effetto di lente gravitazionale di una massa
interposta tra noi e la sorgente. Da qui

I  quasar sono tra le sorgenti più luminose dell’universo. Si tratta di immensi getti di materia alimentati da gas e polveri   risucchiati da altrettanto immensi  buchi neri posti al centro di alcune galassie.  Il termine, quasi stellar radio source, indica la loro identificazione originale nelle emissioni delle onde radio, ma successivemente sono stati identificati anche nel visibile ed in altre frequenze dello spettro elettromagnetico.

I fasci luminosi dei quasar, emessi in prossimità dei poli dei buchi neri,  spazzano l’universo permettendoci di osservarne alcune caratteristiche primordiali: ad esempio è stata l’osservazione dell’immagine multipla dello stesso quasar (Q0957+561) che ha permesso nel 1979 di osservare per la prima volta l’effetto della lente gravitazionale.

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Omega Centauri - questo sconosciuto - e il cannibalismo cosmico

Omega Centauri

Giovanni è un  astrofisico,  precario da ormai più di dieci anni. Segue la sua passione incurante dei tagli alla ricerca che ormai rendono impossibile la sua professione. Viene convocato presso una fondazione miliardaria, nota per i suoi traffici poco chiari e le sue contestate decisioni. Uno dei dirigenti - con l'antica passione dell'astronomia - decide di finanziare i suoi studi: gli paga   qualche mese  di stipendio per tentare di risolvere uno dei più grandi misteri del cosmo. E' un enigma che potrebbe  - un giorno - portare all'estinzione o alla salvezza della razza umana. 
In un remotissimo passato una collisione cosmica ha portato alla distruzione di una galassia nana, fagocitata dalla più grande compagna. Nello scontro sono state spazzate via stelle, pianeti, nebulose, forse civiltà millenarie. Le prove del cannibalismo cosmico sono davanti agli occhi di tutti: il nucleo della galassia ha resistito all'impatto ed è ormai prigioniero della galassia assassina. La galassia "malvagia" è la nostra Via Lattea, il nucleo superstite è Omega Centauri: al suo interno si nasconde il segreto della formazione dell'universo, legato a doppio filo con l'enigma della materia oscura.... 

 Personaggi e situazioni sono di fantasia, ma le teorie sono esatte: potrebbe essere un  soggetto per un thriller  a cavallo tra la fantascienza e le cospirazioni, ma è solo oggetto dell'ironia  dei giornalisti.  Nell'anteprima del prossimo servizio di Report si fa infatti menzione, con supponente ironia, di:
"Omega centauri, il possibile anello di congiunzione tra gli ammassi globulari e le galassie sferoidali nane, c'è scritto in bilancio esattamente così",  

come studio folle finanziato con ben ventimila (20000) euro dalla fondazione del Monte Paschi di Siena.  Del sarcasmo che nasconde ignoranza e pigrizia per non consultare almeno  la pagina di wikipedia abbiamo già parlato ieri.  A rendere ancor più surreale il tutto è l'importanza dell'oggetto in questione, studiato da moltissimi gruppi in tutto il mondo ed oggetto di quasi 2000 articoli nella letteratura scientidica.  

Nome: Omega Centauri. Già il nome trae in inganno. Omega Centauri lascia supporre che sia una stella poco luminosa nella costellazione del Centauro. Le lettere dell'alfabeto greco indicano la luminosità delle stelle: ad esempio Alpha Centauri, la stella (in realtà è un sistema con tre stelle) più vicina a noi  (dista 4,4 anni luce), è anche la più luminosa della costellazione del Centauro. 

Cos'è adesso: Omega Centauri è in realtà un enorme  ammasso stellare,  scambiato in passato per una stella per la sua relativa luminosità. E' un ammasso immenso: contiene circa cinque milioni di stelle addensate nel "minuscolo" spazio del diametro di circa 500 anni luce. E' un ammasso antichissimo: le stelle hanno in media 12 miliardi di anni, ossia si sono formate relativamente presto nella storia del nostro universo.  E' un ammasso vicino a noi: dista 16000 anni luce. 

NGC147, una galassia sferoidale nana

Cos'era in passato: Con ogni probabilità Omega centauri è il nucleo di un'antichissima galassia nana, un reperto di archeologia cosmica che suggerisce catastrofi cosmiche avvenute in un passato non troppo remoto. Questa galassia si deve essere scontrata con quella della Via Lattea, in cui si trova il nostro Sole. La Via Lattea, più grande, ha fagocitato la galassia  più piccola, inglobando in sé le stelle più esterne.  Allo scontro è sopravvissuto intatto solo il nucleo, che cela al suo interno un buco nero, altra prova a favore della sua precedente natura di nucleo galattico (vedi sotto). 

E le galassie sferoidali nane? Sono un altro mistero, nella zoologia delle galassie più piccole, quelle sferoidali sembrerebbero contenere enormi quantità di materia oscura, più di qualunque altro oggetto del nostro universo. Comprendere il perché proprio queste galassie hanno molta materia oscura potrebbe aiutare a comprendere la natura di questa misteriosa particella uno dei più grandi misteri della fisica delle particelle, della cosmologia e della fisica moderna. 

E' l'anello di congiunzione? La relativa vicinanza di Omega centauri al nostro Sole ed al nostro pianeta ne rende più semplice lo studio. Con Hubble ed altri telescopi possiamo analizzare dettagli   inaccessibili nelle altre galassie per via della loro lontananza. Questo è di aiuto per la comprensione della nascita della galassia nana originale, e della evoluzione da galassia indipendente a mero suddito della nostra Via Lattea.  


Che c'entra il buco nero al centro di omega Centauri? Al centro della nostra galassia c'è un buco nero supermassivo. Si ritiene che al centro di ogni galassia ci sia un buco nero, più o meno proporzionale alla massa della galassia madre.Al centro di omega centauri è stato identificato un buco nero grande ma di massa intermedia, compatibile con la sua origine di galassia. (aggiunto 6/5/2012)

(edit 6/5/2011, piccoli aggiustamenti al testo e chiarimenti sul buco nero suggeriti da Alessandro Clementi, grazie!)

Carnevale della Fisica - Edizione Marzo 2012: Fisica e Bolle

Questo mese ho l'onore di ospitare il Carnervale della Fisica di Marzo. Tema conduttore è:

"Fisica e Bolle"

ad esempio: Bollicine, Bolle di spumante, bolle d'aria, d'acqua, Bolle di sapone, Bolle di universo/i, Bolle di Supernovae, Bolle mediatiche e quant'altro. 

Come nelle precedenti edizioni l'argomento non è vincolante, si può partecipare seguendo poche regole:

SN 1006 Supernova Remnant
da qui 

1) scrivere un post  sull'argomento proposto (non necessariamente: anche altri argomenti purchè di fisica o scienza sono ben accetti).

2) menzionare  la partecipazione al Carnevale della fisica. 

3) avvertirmi  (entro il 31 29 marzo) commentando questo post o per email casolino.marco [att] gmail . com del vostro contributo.

Il 30 marzo sarà mia cura raccogliere i vari contributi e presentarli in questa sede.  Buon lavoro a tutti!


In questo post è presente il resoconto dei partecipanti, grazie di cuore a tutti!