Loop vs stringa: due facce della stessa medaglia?

Sono passati circa 80 anni da quando gli scienziati si sono resi conto della difficoltà di conciliare la teoria della gravità con la meccanica quantistica e questo tentativo rimane ancora incompiuto. Tuttavia, da qualche decade i fisici hanno provato ad aggirare il problema proponendo due formulazioni ben distinte, e cioè la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop, che sono considerate ampiamente incompatibili dai rispettivi sostenitori. Oggi, però, alcuni scienziati affermano che l’unica strada da perseguire è quella di unire gli sforzi poichè i due modelli matematici, forse i migliori candidati per una “teoria del tutto”, potrebbero essere in definitiva due facce della stessa medaglia.

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Esplorando l’energia scura con i supercomputer

Il prossimo decennio potrebbe vedere un rapido sviluppo nell’ambito della ricerca sull’energia scura, quella enigmatica componente che costituisce circa il 70 percento del contenuto materia-energia dell’Universo. Due nuovi strumenti, molto potenti, esploreranno il cielo a caccia di galassie distanti. DESI, che sta per Dark Energy Spectroscopic Instrument, misurerà la distanza di 35 milioni di oggetti cosmici mentre LSST, il Large Synoptic Survey Telescope, realizzerà una serie di immagini e video ad alta risoluzione di circa 40 miliardi di galassie. Entrambi gli strumenti permetteranno agli astronomi di comprendere ancora più in dettaglio come l’energia scura, quel fenomeno che sembra essere responsabile dell’espansione cosmica accelerata, abbia dato forma alla struttura dell’Universo nel corso del tempo.

L’idea del multiverso: quali evidenze?

La storia dell’umanità può essere considerata come una sorta di viaggio verso la conoscenza, nonostante il nostro pianeta sia stato declassato dal centro dell’Universo a un corpo celeste roccioso che orbita attorno ad una stella di classe media che si trova, a sua volta, in una delle tante miliardi di galassie che popolano il cosmo. Tutto questo fa senso anche a molti fisici i quali ritengono oggi più di prima che anche il nostro Universo possa essere considerato come una minuscola porzione di una struttura più grande. L’idea è che ci potrebbero essere tantissimi universi che come “bolle” sono venuti all’esistenza e stanno crescendo esponenzialmente: stiamo parlando di una ipotesi o meglio di un modello noto come multiverso.

Una survey galattica per studiare l’accelerazione cosmica

Sappiamo che l’Universo si espande ad un ritmo accelerato. Tuttavia, ciò che causa tale espansione accelerata rimane ancora un mistero. La spiegazione più plausibile è che esista una strana forma di energia, detta “energia scura“, che guida l’espansione cosmica. Oggi, un nuovo strumento astronomico, chiamato Physics of the Accelerating Universe Camera (PAUCam), cercherà delle risposte esplorando l’Universo con un metodo innovativo. La camera, che registrerà la posizione di circa 50.000 galassie, potrebbe far luce anche sulla natura della materia scura e quindi sull’evoluzione cosmica.

Il collasso ‘imminente’ dell’Universo

Alcuni fisici hanno proposto un meccanismo secondo cui il nostro Universo terminerà ad un certo punto la sua espansione ed inizierà a collassare su sé stesso. I calcoli suggeriscono che tale collasso sia “imminente”, almeno su scale di tempo astronomiche, e potrà avvenire tra qualche decina di miliardi di anni.

La prova matematica sull’origine ‘spontanea’ dell’Universo

I cosmologi ritengono che le fluttuazioni quantistiche abbiano permesso all’Universo di emergere spontaneamente dal nulla. Oggi, essi hanno la prova matematica che supporterebbe tale idea.

Dai paradossi della cosmologia a nuove idee sull’Universo

Alcune semplici osservazioni del mondo che ci circonda sembrano contraddire le leggi della fisica. Risolvere questi paradossi potrebbe cambiare il modo con cui comprendiamo l’Universo.

I ‘sapori’ della materia scura

Secondo i dati più recenti, sappiamo che oltre l’80% della materia presente nell’Universo è sconosciuta. Ad essa, gli astronomi danno il nome di materia scura che finora nessuno è mai stato in grado di rivelarla nemmeno con i migliori rivelatori a terra. Nonostante ciò, l’unica risorsa che ci permette di determinare la sua presenza è data dalle osservazioni astronomiche. Oggi, però, il fisico Mikhail Medvedev della University of Kansas ha pubblicato un importante articolo di ricerca che si è meritato la copertina della prestigiosa rivista Physical Review Letters. Lo scienziato propone un modello alternativo che tenta di spiegare la natura dell’enigmatica materia scura denominato “flavor-mixed multicomponent dark matter model”.

La struttura dell’Universo non spiegherebbe l’accelerazione cosmica

E’ quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo di fisici dell’Università del Texas a Dallas che stanno tentando di capire come mai l’Universo sembra espandersi ad un ritmo accelerato, una scoperta che risale al 1998 grazie all’osservazione delle supernovae Ia distanti. Per spiegare la “accelerazione cosmica” gli astrofisici hanno avanzato nel corso degli anni alcune ipotesi e oggi una di queste sembra possa essere scartata definitivamente.

Un modello cosmologico alternativo all’inflazione

Il nostro Universo potrebbe esistere all’interno di un buco nero. Nonostante questa ipotesi possa sembrare alquanto strana, non lo è, invece, per il fisico teorico Nikodem Poplawski. La sua idea potrebbe rappresentare il quadro migliore per spiegare l’origine dell’Universo e tutta la realtà fisica che ci circonda.

Il modello cosmologico standard, che descrive l’evoluzione del nostro Universo, lascia alcune domande aperte dato che implicano l’origine dello spazio e del tempo da una singolarità iniziale, cioè una regione infinitamente piccola che contiene una concentrazione infinitamente grande di materia, che poi si è espansa nello spazio, in seguito all’inflazione, fino a raggiungere le dimensioni che osserviamo oggi. Il modello inflazionistico, che suggerisce un periodo di rapida espansione esponenziale, soddisfa alcuni dettagli importanti, come ad esempio l’aggregazione e la concentrazione della materia primordiale da cui si sono formate successivamente le strutture quali galassie e ammassi di galassie. Nonostante ciò, gli scienziati devono ancora rispondere ad alcune domande: Che cosa ha dato il via al Big Bang? Che cosa ha fatto terminare il periodo dell’inflazione? Qual è la sorgente della misteriosa energia scura che sembra causare una accelerazione all’espansione dello spazio? L’idea che il nostro Universo possa essere interamente ‘contenuto’ in un buco nero fornisce le risposte a queste domande e a molte altre. Intanto viene eliminata la nozione di singolarità e l’idea Poplawski si basa sulle due teorie fondamentali che abbiamo al momento a disposizione: la relatività generale e la meccanica quantistica. La relatività generale è la teoria più moderna della gravità che viene descritta come la curvatura dello spaziotempo prodotta da un corpo celeste di grande massa. In essa tutti gli oggetti si muovono seguendo traiettorie ellittiche (come le orbite dei pianeti, delle comete o degli asteroidi) e la stessa radiazione ne viene influenzata attraverso la deflessione dei raggi luminosi (lente gravitazionale). La relatività generale descrive l’Universo su larga scala e qualsiasi evento viene descritto come un punto nello spaziotempo. La meccanica quantistica descrive, invece, il mondo degli atomi e delle particelle. Le due teorie sono, al momento, come due famiglie separate che vivono nella stessa casa e non si parlano. Infatti, uno degli obiettivi principali dei teorici è proprio quello di  trovare un punto d’incontro in modo tale da unificare le due teorie in una unica descrizione (gravità quantistica) per spiegare in maniera adeguata tutta una serie di fenomeni, inclusi il comportamento delle particelle elementari in prossimità dei buchi neri (vedasi Idee sull’Universo). Negli anni ’60, alcuni teorici introdussero una serie di modifiche alla relatività generale tenendo conto degli effetti descritti dalla meccanica quantistica: questa formulazione matematica è stata chiamata la teoria della gravità Einstein-Cartan-Sciama-Kibble. Questo modello non solo fornisce un passo importante verso una teoria quantistica della gravità ma porta ad un quadro alternativo del nostro Universo. Le modifiche introdotte nella teoria di Einstein incorporano una importante proprietà quantistica chiamata spin. Le particelle come gli elettroni hanno uno spin proprio, cioè un momento angolare intrinseco analogo a quello di un pattinatore sul ghiaccio. Ora, lo spin delle particelle interagisce con lo spaziotempo e ne determina una proprietà chiamata torsione. A sua volta, la torsione dello spaziotempo può determinare effetti significativi solo durante le epoche primordiali dell’Universo o nei buchi neri. In queste condizioni estreme, la torsione dello spaziotempo si può manifestare come una forza di natura repulsiva che si oppone alla forza gravitazionale attrattiva dovuta alla curvatura dello spaziotempo. Come descritto nella versione originale della relatività generale, stelle di grande massa possono collassare in un buco nero che dà luogo ad una regione dello spazio dove nulla, nemmeno la luce, è in grado di sfuggire alla sua intensa attrazione gravitazionale. Ecco allora come l’effetto della torsione potrebbe agire durante le fasi primordiali della storia dell’Universo all’interno di un buco nero. Inizialmente, l’attrazione gravitazionale tra le particelle supera le forze repulsive dovute alla torsione, determinando il collasso gravitazionale della materia in una piccolissima regione di spazio. Tuttavia, alla fine del processo, l’effetto della torsione diventa maggiore e fa sì che la materia non diventi estremamente compressa in un punto di densità infinita. Nonostante ciò, la materia può essere ancora compressa in uno stato a densità elevata. Inoltre, l’immensa energia gravitazionale concentrata in questo stato fisico determina la produzione di particelle dato che, secondo l’equazione di Einstein E=mc², l’energia può essere convertita in materia. Una delle conseguenze di questo processo è l’incremento della massa del buco nero. Il numero via via crescente di particelle dotate di spin risulta nella formazione di livelli di torsione dello spaziotempo sempre più elevati. La torsione repulsiva ferma il collasso gravitazionale e crea un big bounce, cioè un rimbalzo come quello che avviene in un pallone compresso. Il rapido rinculo, che segue dopo il rimbalzo, è ciò che determina l’espansione dello spazio. Il risultato di questo rinculo è in accordo con le osservazioni della forma, della geometria e della distribuzione di materia nell’Universo. In più, il meccanismo della torsione suggerisce uno scenario interessante: ogni buco nero produce un nuovo universo. Se ciò è vero, allora la materia primordiale del nostro Universo deve essere arrivata da qualche altra parte. Dunque, il nostro Universo potrebbe essere la parte interna di un buco nero che esiste in un altro universo. Per cui così come noi non siamo in grado di vedere ciò che avviene all’interno di un buco nero, allo stesso modo qualsiasi osservatore che si trova nell’altro universo non sarà in grado di vedere cosa succede nel nostro. Il moto della materia lungo l’orizzonte degli eventi avviene solo in una direzione e ciò dà al tempo una direzione privilegiata che noi percepiamo come un movimento in avanti, cioè dal passato al futuro. In questo modo, la freccia del tempo del nostro Universo viene, per così dire, ereditata attraverso la torsione dall’altro universo ‘madre’ da cui discende. La torsione può inoltre spiegare l’asimmetria barionica tra materia e antimateria nel nostro Universo che rappresenta ancora uno dei grandi misteri della cosmologia (vedasi Enigmi Astrofisici). A causa della torsione, la materia si trasforma nelle particelle a noi familiari, quali elettroni e quark, mentre l’antimateria si trasforma, invece, in materia scura, quella componente misteriosa che costituisce il 23% circa del contenuto materia-energia del nostro Universo. Infine, la stessa torsione potrebbe essere la sorgente dell’energia scura, quell’altra componente enigmatica dominante che costituisce il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e che permea tutto lo spazio causando una accelerazione dell’espansione. La geometria con un effetto di torsione produce in maniera naturale una costante cosmologica che rappresenta una sorta di forza aggiuntiva per spiegare nella maniera più semplice gli effetti dell’energia scura. In questo modo, l’espansione accelerata dell’Universo potrebbe terminare essendo l’evidenza più forte degli effetti dovuti alla torsione.

Per riepilogare, questo meccanismo di torsione fornisce un quadro teorico per uno scenario in cui la parte interna di un buco nero rappresenta un nuovo universo. Esso diventa anche una specie di rimedio ai maggiori problemi della cosmologia e delle varie teorie della gravità. Oggi, forse, i fisici hanno bisogno di combinare completamente la teoria della gravità di Einstein-Cartan-Sciama-Kibble con la meccanica quantistica in una teoria quantistica della gravità. Se, però, vengono superati alcuni problemi naturalmente emergono altre domande tipo: Che cosa sappiamo del buco nero all’interno del quale risiede il nostro Universo? Quanti altri universi esistono al di fuori del buco nero? Come facciamo a verificare che il nostro Universo esiste effettivamente all’interno di un buco nero? A quest’ultima domanda possiamo rispondere in questo modo: dato che tutte le stelle così come i buchi neri ruotano, il nostro Universo può aver ereditato una sorta di “direzione preferenziale” data dall’asse di rotazione del buco nero da cui discende. Di fatto, esiste una recente evidenza da uno studio relativo ad una survey di 15 mila galassie in cui si osserva che esistono più galassie a spirale che ruotano in senso antiorario in un emisfero mentre nell’altro emisfero esistono più galassie a spirale che ruotano nel verso opposto (post). Per concludere, secondo Poplawski tener conto degli effetti della torsione nella geometria dello spaziotempo rappresenta un passo fondamentale verso la formulazione di una nuova teoria cosmologica.

arXiv: Cosmology With Torsion - An Alternative To Cosmic Inflation