In base alla relatività ristretta la massa e l’energia sono intimamente legate. Quindi, visto che anche il vuoto possiede energia, l’universo potrebbe essere nato da una mutazione di questa energia in materia. Il mio punto di domanda è capire quale sia stata la causa scatenante di questa trasformazione. E’ possibile che sia sta una variazione della costante cosmologica?

L'affermazione per cui il vuoto possegga energia è falsa almeno nel senso usuale che tale affermazione potrebbe suggerire, e cioè che il vuoto sia un serbatoio di energia da cui poter attingere. Il vuoto è, per definizione, lo stato di minima energia accessibile, a quale valore di energia corrisponda tale stato è sostanzialmente una scelta arbitraria, e normalmente tale valore viene posto pari a zero.

La cosa importante da comprendere è che, qualunque sia il valore attribuito all'energia del vuoto, non può esistere uno stato ad energia più bassa (altrimenti lo stato vuoto non sarebbe realmente vuoto) per cui "l'energia del vuoto" non può essere usata per alcunché. Quello che è diverso da zero è il valore quadratico medio delle fluttuazioni dell'energia nel vuoto (se si studiano tali fenomeni in ambito quantistico) il che è una delle manifestazioni del fatto che il vuoto ribolle di particelle virtuali grazie alle quali le interazioni si trasmettono a distanza. Ma tali particelle virtuali non possono essere usate come fonte di energia pena la violazione del Principio di Indeterminazione.

Alcune teorie più avanzate, ma non ancora confermate sperimentalmente, prevedono l'esistenza di vuoti energetici e, qualora tali teoire venissero verificate sperimentalmente, tale energia sarebbe la prima candidata a spiegare l'energia oscura (quella energia non osservabile direttamente ma la cui presenza è accertata dai suoi effetti gravitazionali). Ma questa energia, essendo legata al vuoto, non può materializzarsi in particelle reali perché ha una densità bassissima. Pertanto non può essere tale energia la causa dell'origine dell'universo. Tanto più che lo spaziotempo, sede dei fenomeni legati a tutti i processi, in particolare quelli delle particelle virtuali, nasce insieme all'universo per cui non può avere ruolo nella causa dell'universo stesso.

Lo stesso concetto di causa scatenante della nascita dell'universo è molto difficile da concepire e da analizzare senza finire in ambiti totalmente estranei alle scienze sperimentali. Qualunque esperimento non può che coinvolgere solo una porzione dell'universo e quindi solo una frazione della sua energia. Risulta molto improbabile, se non impossibile, realizzare un esperimento che pretenda di riprodurre le condizioni esatte dell'istante 0 dell'universo. Non a caso gli esperimenti ad energie più elevati fin qui realizzati (al giorno d'oggi quelli effettuati con LHC presso il CERN di Ginevra) parlano sempre di condizioni analoghe a qualche istante successivo, quando l'universo era già nato e l'energia in esso contenuto era già distribuita in un volume finito.

Esistono tuttavia alcune teorie, in massima parte derivate o collegate alle teorie delle stringhe e della brane, che permettono di descrivere un maxiuniverso a tantissime dimensioni, in cui viaggiano oggetti a più di quattro dimensioni, le cui interazioni e collisioni potrebbero portare a fenomeni come la nascita di oggetti simili al nostro universo. Ma il fatto che esista una descrizione matematica di ciò non ha alcun valore finchè tale descrizione non dà luogo a previsioni che siano indagabili sperimentalmente e, contemporaneamente, distinte da previsioni analoghe fatte da altre teorie.

Pertanto, allo stato attuale delle nostre conoscenze scientifiche (sia teoriche sia sperimentali) il problema sollevato dall'autore della domanda è del tutto senza risposta e, all'atto pratico non sondabile scientificamente. Ma va considerato che questa possibilità va intesa in modo asintotico: più progredisce la conoscenza scientifica e tecnologica e più possiamo realizzare in laboratorio condizioni vicine temporalmente all'istante 0 della vita dell'universo. Tuttavia la realizzazione delle condizioni dell'universo all'istante esatto t=0 è impossibile, ed è privo di senso pensare a tempi antecedenti ad esso dato che spazio e, sopratutto, tempo sono proprietà del nostri universo che nascono contemporaneamente all'universo stesso. Non esiste tempo prima della nascita dell'universo come non esiste spazio fuori dall'universo, esattamente come non esiste un punto più a nord del polo nord o più a sud del polo sud.

PS. Dato il carattere ascientifico, nel senso spiegato prima, della questione mi permetto di descrivere l'idea a riguardo che maggiormente mi ha affascinato e incuriosito.

Ogni buco nero è circondato da una superficie, chiamata orizzonte degli eventi, che separa i punti dello spazio abbastanza lontani dal buco nero, nei quali l'attrazione gravitazionale non è abbastanza forte da bloccare la luce, dai punti dello spazio che sono troppo vicini al centro del buco nero, nei quali l'attrazione gravitazionale è talmente intensa da bloccare anche il moto della luce (da cui il nome di buco nero). L'orizzonte degli eventi può, a tutti gli effetti, essere considerato il bordo del buco nero e quindi lo spazio al suo interno costituisce il volume del buco nero. La cosa interessante è che il volume di un buco nero non cresce proporzionalmente alla sua massa, ma più velocemente, per cui la densità (rapporto massa diviso volume) di un buco nero diminuisce all'aumentare della sua massa. Questo può portare anche a situazioni molto strane per il senso comune, ad esempio si è calcolato (e in parte verificato) che i buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle galassie hanno densità inferiori a quelle dell'acqua. Se si calcola la densità media di un buco nero che abbia una massa equivalente a quella dell'universo conosciuto si ottiene una densità sostanzialmente identica a quella del nostro universo. Viviamo forse in un buco nero? O forse ogni volta che si forma un buco nero "nasce" un universo "dall'altra parte"?