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Quei ‘fossili’ cosmici dell’Universo primordiale

Circa 13,8 miliardi di anni fa, il nostro Universo emerse da una sorta di “puntino quantico” il cui volume si espanse, secondo alcune stime, di un milione di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di volte in meno di un miliardesimo di un trilionesimo di trilionesimo di secondo. Da qui in poi, l’Universo continuò ad espandersi ad un ritmo meno violento, almeno secondo le leggi della fisica così come le conosciamo. Questa è la storia dell’inflazione cosmica, la versione più moderna del modello del Big Bang. Questa singola fase di rapida espansione esponenziale dell’Universo descrive molto bene gli attuali dati cosmologici e tiene conto dell’immensità dello spazio, della sua regolarità e forma geometrica spazialmente piatta su larga scala e della mancanza di direzioni privilegiate. Tuttavia, l’inflazione non spiega come e perchè abbia avuto inizio l’Universo. Le domande che essa solleva, e cioè perchè si ebbe questa rapida espansione dello spazio, come sia avvenuta o che cosa sia eventualmente accaduto prima, hanno confuso gli scienziati sin da quando venne proposta la teoria negli anni ’80. Continua a leggere Quei ‘fossili’ cosmici dell’Universo primordiale

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I mini buchi neri di LHC: portali verso universi paralleli?

L’idea che esistano altri universi è alquanto affascinante, nonostante sia quasi impossibile verificarla sperimentalmente. Oggi, però, un gruppo di teorici ritiene che l’energia raggiunta con le prossime collisioni al Large Hadron Collider (LHC) permetterà di svelare l’esistenza di universi paralleli, se esistono. Continua a leggere I mini buchi neri di LHC: portali verso universi paralleli?

LHC, in attesa del grande ‘risveglio’

Dopo la sorprendente scoperta della particella di Higgs del 2012 (post), che ha determinato l’assegnazione nel 2013 del Nobel per la Fisica a François Englert e a Peter Higgs, i fisici sono in trepidante attesa perchè sperano di imparare nuove cose nel momento in cui il Large Hadron Collider (LHC) entrerà nuovamente in funzione nel 2015 (post1; post2). Continua a leggere LHC, in attesa del grande ‘risveglio’

I misteri delle dimensioni spaziali nascoste

In un precedente post, ho spiegato come, secondo Steinhardt e Turok , il nostro Universo si sia originato da uno dei tanti big bang dovuti alle collisioni tra due membrane, o brane, descritte dalla teoria delle stringhe, ipotesi che eliminerebbe dunque il problema della singolarità iniziale. Ma esiste un modo di provare l’esistenza di questi universi paralleli? Se essi esistono davvero, perchè non possiamo vederli o “toccarli”?

Nel suo percorso di ricerca, descritto nel libro che vi presento oggi, Passaggi curvi. I misteri delle dimensioni nascoste dell’Universo, edito da Il SaggiatoreLisa Randall  ha dovuto abbattere, per così dire, alcuni ‘paletti’ della cosmologia e della fisica ufficiale e postulare l’esistenza di dimensioni nascoste, arrotolate, che sfuggono alla nostra percezione. Questa nuova visione dell’Universo potrebbe contribuire a risolvere uno dei grandi misteri della scienza moderna che ha a che fare con la gravità. Infatti, tre secoli fa, Newton formulò la legge di gravitazione universale ispirato, a quanto si dice, dalla visione della caduta di una mela staccatasi dal ramo di un albero. Si pensa che la gravità sia incontrastabile ma in realtà si tratta di una forza alquanto debole. E’ stato trovato che l’elettromagnetismo è molto più forte della gravità che al confronto risulta incredibilmente debole. La debole intensità della forza di gravità ha disorientato gli scienziati per anni ma oggi la teoria delle stringhe, grazie alle sue membrane e dimensioni extra, sembra offrire un nuovo modo di affrontare il problema. Lisa Randall si è domandata come mai la gravità fosse così debole rispetto alle altre tre forze della natura. Forse la gravità ha la stessa potenza della forza elettromagnetica ma per qualche ragione noi non riusciamo a percepire la sua azione. Ma perchè la gravità dovrebbe essere diversa e più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali? Secondo la Teoria M il punto chiave del problema sta nella forma geometrica delle stringhe. I teorici ritengono che tutto ciò che ci circonda sia composto da stringhe lineari e che gli estremi di ogni stringa siano ancorati alla nostra membrana tridimensionale. Esistono anche degli anelli chiusi che sono invece responsabili della gravità: essi si chiamano gravitoni. Le stringhe ad anello che formano i gravitoni non hanno estremi che le ancorino di conseguenza essi sono liberi di viaggiare verso altre dimensioni attenuando l’intensità della forza di gravità e facendola sembrare più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali. Quindi, questa ipotesi apre una prospettiva affascinante perché se è vero che viviamo su una brana e se esistono universi paralleli su altre membrane accanto alla nostra forse non li vedremo mai, ma potremo un giorno percepirli grazie alla gravità. Muovendo dalle grandi scoperte del Novecento, in questo libro Randall spiega ai non addetti ai lavori la sua concezione dell’Universo come membrana dotata di quattro dimensioni spaziotemporali e immersa in uno spazio multidimensionale, e come questa sia dimostrabile dal punto di vista scientifico. Ma siamo proprio sicuri che l’Universo sia così come lo descrive la teoria delle stringhe? Davvero il mondo è fatto di stringhe, membrane o universi paralleli e dimensioni extra?

La forma dello spazio quantistico secondo Shing-Tung Yau

E’ stato detto più volte che la teoria delle stringhe viene considerata come la miglior teoria per descrivere tutte le leggi della natura, dal microcosmo al macrocosmo. Secondo questa teoria, l’Universo è caratterizzato da 10 dimensioni: quattro sono le dimensioni dello spaziotempo descritte dalla teoria della relatività e le restanti sei, dette anche dimensioni extra, sono arrotolate o attorcigliate in uno spazio multidimensionale le cui forme sono descritte dalle varietà geometriche degli spazi di Calabi-Yau le cui dimensioni sono milioni di milioni di milioni di volte più piccole di un elettrone. Nel 1976 Shing-Tung Yau ha conquistato la Medaglia Fields, una sorta di premio Nobel dei matematici, per aver dimostrato l’esistenza di queste forme complesse che portano il suo nome, spazi invisibili la cui geometria può essere la chiave definitiva per comprendere i segreti più profondi del cosmo. Nel suo libro che mi piace segnalare oggi “La forma dello spazio profondo. La teoria delle stringhe e la geometria delle dimensioni nascoste dell’universo“, edito da Il Saggiatore e scritto insieme al giornalista scientifico Steve Nadis, si ripercorrono le tappe del percorso scientifico che hanno portato Yau alla formulazione di una teoria rivoluzionaria introducendo una nuova geometria dell’Universo. L’ipotesi delle dimensioni extra, che tocca varie discipline quali la fisica, la matematica e la geometria, suggerisce non solo che i nuovi spazi possano essere effettivamente reali, ma che la realtà stessa risulta più affascinante di quanto noi esseri umani possiamo immaginare. Insomma, l’ipotesi delle dimensioni extra della teoria delle stringhe potrebbe essere la chiave per comprendere i segreti più nascosti dell’Universo.

Le 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna

La cosmologia studia l’Universo ma allo stesso tempo essa rappresenta una delle discipline più creative e bizzarre della scienza. I cosmologi spesso si ‘divertono’ ad introdurre delle ipotesi, modelli e teorie fantastiche e suggestive, nella maggior parte dei casi non verificabili sperimentalmente, che tentano comunque di dare una spiegazione scientifica sull’origine dell’Universo. Vediamo allora qui di seguito una breve presentazione delle 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna.

1. Brane in collisione

Il nostro Universo potrebbe essere racchiuso in una sorta di gigantesca membrana che fluttua in uno spazio multidimensionale e che ciclicamente va in rotta di collisione con la membrana di un universo parallelo? Secondo il modello del ‘mondo-brana’ della teoria delle stringhe, esistono altre dimensioni spaziali extra dello spazio che sono solamente raggiungibili dai gravitoni mentre noi siamo confinati nel nostro universo-brana caratterizzato dalle tre dimensioni a cui siamo abituati. Neil Turok dell’Università di Cambridge e Paul Steinhardt dell’Università di Princeton hanno provato a spiegare il Big Bang come conseguenza della collisione di due brane. Queste collisioni si ripetono e danno luogo ad un nuovo ‘big bang’ perciò, se il modello ciciclo è corretto, il nostro Universo e gli altri universi potrebbero essere eterni (vedasi Idee sull’Universo).

2. Universi che evolvono

Quando la materia viene compressa fino a raggiungere densità estreme al centro di un buco nero, essa può rimbalzare all’indietro e dar luogo ad un ‘nuovo universo neonato’. Qui, le leggi della fisica potrebbero essere differenti rispetto a quelle dell’universo da cui si origina e ciò determina una sorta di evoluzione di universi, una idea suggerita da Lee Smolin del Perimeter Institute. Gli universi in cui esistono tanti buchi neri produrranno tanti universi neonati e alla fine essi saranno la popolazione dominante del multiverso. Se poi viviamo in un universo tale da possedere leggi e costanti fisiche che ottimizzano la produzione dei buchi neri, questa rimane una domanda aperta.

3. Uno spaziotempo superfluido

Una delle teorie più avanzate della moderna cosmologia suggerisce che lo spaziotempo è in definitiva una sostanza superfluida che ‘scorre’, per così dire, con una viscosità nulla. Dunque, se l’Universo è dotato di un moto di rotazione, allora lo spaziotempo superfluido dovrebbe essere caratterizzato da vortici, secondo Pawel Mazur dell’Università della Carolina del Sud e George Chapline del Lawrence Livermore Laboratories. Questi vortici rappresenterebbero quei ‘siti cosmici’ dove si sono formate le prime strutture che hanno successivamente dato luogo alla formazione delle galassie. Mazur suggerisce che il nostro Universo sarebbe nato dal collasso gravitazionale di una stella dove la combinazione della materia stellare con lo spazio superfluido avrebbero dato luogo all’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando una accelerazione all’espansione dell’Universo.

4. Il ‘nostro’ Universo

Perché il nostro Universo possiede le “giuste” leggi della fisica da permettere l’esistenza della vita? Se le costanti fisiche fossero poche non avremmo più stelle, o materia o e, forse, l’Universo durerebbe solo un battito di ciglia. Una risposta a questa domanda è il principio antropico: in altre parole, l’Universo che vediamo deve ospitare la vita altrimenti noi non saremmo qui ad osservarlo. Di recente, questa idea ha avuto molti consensi perché il modello dell’inflazione cosmica suggerisce che dovrebbero esistere una infinità di universi là fuori e la teoria delle stringhe indica che questi infiniti universi devono essere caratterizzati da altrettante infinite leggi fisiche. Bisogna, però, dire che molti cosmologi non accettano il principio cosmologico perchè da un lato non si tratta di vera e propria scienza e dall’altro non fornisce  previsioni che possono essere verificate sperimentalmente.

5. Una questione di gravità

La materia scura potrebbe non essere in definitiva una sostanza fisica ma legata ad un diverso comportamento della forza di gravità. La teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom, suggerisce che la gravità non diventa più debole con l’aumentare della distanza così come vuole la legge della gravitazione universale. Questa sorta di ‘gravità potente’ potrebbe sostituirsi alla materia scura che tiene unite le galassie e gli ammassi di galassie visto che altrimenti si disperderebbero nello spazio. Una nuova formulazione della teoria MOND, consistente con le osservazioni, ha raccolto vari consensi da parte degli scienziati nonostante non descriva alcune proprietà della radiazione cosmica di fondo.

6. Un ‘fantasma’ cosmico

Tre misteri della cosmologia moderna potrebbero essere considerati come un tutt’uno. Dopo la revisione della teoria della relatività generale, un gruppo di fisici hanno trovato una strana sostanza che emerge dalla loro teoria: il cosiddetto “condensato fantasma”. Questa sostanza è in grado di produrre una forza gravitazionale repulsiva che guida, per così dire, l’inflazione cosmica per poi generare una accelerazione dello spazio che viene attribuita all’energia scura. In più, se questa sostanza si aggrega può formare la materia scura (vedasi Enigmi Astrofisici).

7. Un ‘piccolo’ universo

La mappa a ‘spot’ della radiazione cosmica di fondo presenta una peculiarità sorprendente: ci sono pochi ‘spot’ di grande dimensione. Una possibile spiegazione è data dal fatto che l’Universo potrebbe essere ‘piccolo’, così piccolo che, tornando all’epoca in cui si è originata la radiazione cosmica, non è stato in grado di trattenere, per così dire, questi enormi ‘blob’. Se ciò è vero, questo vuol dire che lo spazio si deve essere ‘riavvolto’, in qualche modo, su se stesso. Ma l’ipotesi più strana è che l’Universo abbia una forma a imbuto. La curvatura dello spazio piegata all’indietro potrebbe determinare la forma geometrica degli spot di piccole dimensioni facendogli assumere forme più ellittiche come quelle ossevate.

8. Più veloci della luce

Come mai regioni opposte dell’Universo mostrano lo stesso aspetto? E’ un vero e proprio enigma dato che le regioni più distanti dell’Universo osservabile oggi non dovrebbero essere state mai in contatto tra loro. Anche se andiamo all’inizio del tempo quando queste aree di cielo si trovavano molto vicine tra loro, si pensa che non ci sia stato abbastanza tempo per cui la luce, o forse qualcosa d’altro che ignoriamo, abbia viaggiato da una regione all’altra. E questo discorso vale anche per la distribuzione della temperatura e della densità. Si pensa che una soluzione è che la luce si sia propagata molto più velocemente, anche se per ammettere una tale ipotesi dovremmo rovesciare la teoria della relatività.

9. Neutrini sterili  

La materia scura potrebbe essere costituita dalle particelle più elusive che siano mai state immaginate: i neutrini sterili. Si tratta di particelle ipotetiche, più pesanti, insomma una specie di cugini dei normali neutrini che dovrebbero interagire con la materia solo attraverso effetti di tipo gravitazionale, un processo che li rende essenzialmente difficili da rivelare. Nonostante ciò, i neutrini sterili potrebbero avere le giuste proprietà per formare la cosiddetta materia scura “tiepida” e muoversi con velocità dell’ordine di qualche chilometro al secondo. Queste particelle esotiche potrebbero poi aiutare, per così dire, la formazione delle stelle e dei buchi neri nell’Universo primordiale e potrebbero essere la causa che spinge le stelle di neutroni a girovagare attorno alla nostra galassia.

10. Come nel film..Matrix 

Forse, il nostro Universo non è reale. Il filosofo Nick Bostrom ha suggerito una ipotesi in base alla quale noi viviamo all’interno di una simulazione creata al computer. Insomma, gli universi sarebbero delle simulazioni e dunque noi siamo abbastanza fortunati a vivere all’interno di una di esse. Ma allora, tutte le stranezze cosmologiche, come la materia scura o l’energia scura, sono semplicemente degli artefatti creati apposta per mascherare alcune inconsistenze che sono presenti nella simulazione.

More info: New Scientist

Il ‘paesaggio cosmico’ di Leonard Susskind

Da quando la teoria delle stringhe è stata considerata come la miglior formulazione matematica candidata per rappresentare la “teoria del tutto”, la fantasia dei fisici non sembra conoscere limiti. Stringhe, brane, dimensioni nascoste, universi multipli sono ormai entrati nel linguaggio della fisica. Uno dei suoi interpreti, per così dire, è Leonard Susskind che verso la fine degli anni ’60 si rese conto che la formula di Euler  , riscoperta inizialmente da Gabriele Veneziano , era in grado di descrivere un particolare tipo di particella avente una struttura interna vibrante, non statica, una specie di stringa o corda simile ad un elastico spezzato.

Nel suo primo libro, Il paesaggio cosmico, edito da Adelphi, Susskind descrive il mondo fisico dalla prospettiva delle stringhe per cui esistono tanti universi differenti, o multiversi , ciascuno governato da proprie leggi fisiche e da valori diversi delle costanti fondamentali  e dove in uno di essi, per caso, esistono le condizioni adatte per ospitare la vita. La teoria, almeno per ora, non riesce a privilegiare un singolo modo che ci porti all’universo da noi osservato. Per risolvere il problema, Susskind propone che il “paesaggio”, formato da questa moltitudine di universi, abbia una reale esistenza. Nel suo libro più recente, La guerra dei buchi neri, sempre dello stesso editore, il cosmo di Susskind diventa ancora più bizzarro. Qui i protagonisti sono i buchi neri  che sono divoratori di ordine e di informazione, oltre che di materia. E’ una sorta di battaglia che Susskind vuole vincere bei confronti di Stephen Hawking. Infatti, negli anni Settanta, lo scienziato inglese mostrò che i buchi neri “evaporano”, emettono cioè radiazione termica, e diventano sempre meno massivi nel corso del processo sino a scomparire. Ma allora uno si può domandare se l’informazione, una volta inghiottita dal buco nero, riemerge oppure no una volta che il buco nero evapora. Hawking affermava che l’informazione andava persa per sempre e su questo non era d’accordo Susskind. Dunque se Hawking aveva ragione, sarebbe stata la fine del determinismo quantistico, cioè la violazione del fondamentale principio secondo il quale anche nell’informazione nulla si crea e nulla si distrugge.

Vedi anche:

Higgs o non Higgs, questo è il problema!

L’immagine mostra la simulazione al rivelatore ATLAS relativa al decadimento di un bosone di Higgs che determina la produzione di due raggi-gamma.
Credit: CERN/LHC

Il prossimo 4 luglio il CERN organizzerà a Ginevra un seminario allo scopo di annunciare gli ultimi risultati dei due più importanti esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), ATLAS e CMS, in merito alla ricerca del bosone di Higgs. I fisici saranno dunque in attesa di capire che cosa è stato effettivamente osservato [LIVE WEBCAST].

Non sappiamo ancora cosa accadrà mercoledì 4 luglio”, afferma Ian Hinchliffe, un fisico teorico della Divisione di Fisica presso il Dipartimento di Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory a capo del gruppo dei fisici americani nell’ambito della partecipazione all’esperimento ATLAS. “Credo che si tratti di un momento molto importante al CERN e, forse, siamo arrivati ad un primo traguardo dopo tanti anni di intenso lavoro”. Lo scorso Dicembre, entrambi i rivelatori riportarono due segnali, con un leggero eccesso rispetto al rumore di fondo, consistenti con quanto ci si aspetta per il bosone di Higgs. Nella primavera di quest’anno, gli esperimenti di LHC sono ripartiti con un livello di energia più alto e i dati sono raddoppiati. Tuttavia, anche se entrambi gli esperimenti dovessero confermare ciò che hanno rivelato lo scorso anno con i nuovi dati, nessuno è certo di affermare che si tratti in definitiva del bosone di Higgs. Ma alcuni scienziati si pongono nuove domande sulle implicazioni che la scoperta o meno del bosone di Higgs possa avere, oltre a spiegare l’origine della massa delle particelle, per risolvere uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna: l’inflazione cosmica. I cosmologi ritengono che la particella o il campo di forze che si cela dietro l’inflazione, l’inflatone, abbia una proprietà alquanto insolita: esso genera un campo gravitazionale repulsivo. Per far sì che lo spazio aumenti il proprio volume in un intervallo di tempo molto piccolo, i teorici ipotizzano che l’energia del campo deve essersi modificata attraverso lo spazio nel corso tempo, cioè da un valore elevato ad un valore più basso quando alla fine del processo l’espansione inflazionistica è terminata. Ora, il punto è che non sappiamo ancora molto sull’inflazione e alcuni critici si domandano se effettivamente sia avvenuta. Per discriminare tra vari scenari, i cosmologi hanno cominciato ad analizzare i dati della radiazione cosmica di fondo che, però, non ci permettono di avere indizi definitivi sulla natura stessa dell’inflazione cosmica. Altri teorici, invece, ritengono che LHC potrebbe essere la chiave di svolta per capire se il periodo della rapida espansione esponenziale dello spazio sia effettivamente avvenuto, anche se alcuni scettici sono convinti che ciò non sarà possibile in quanto le energie in gioco per poter “verificare” l’inflazione sono dell’ordine di 1050 volte superiori a quelle di LHC. Ma dato che l’intensità del campo inflatone si è modificata diminuendo nel corso del tempo, gli scienziati ritengono che LHC abbia comunque quell’energia necessaria per riprodurre i momenti finali dell’epoca inflazionistica. “L’idea che il bosone di Higgs possa guidare l’inflazione è possibile solo se la sua massa cade all’interno di un determinato intervallo di valori che sono osservabili da LHC”, spiega Mikhail Shaposhnikov della École Polytechnique Fédérale di Lausanne in Svizzera. Inoltre, c’è da dire che non solo il campo inflatone ma anche il campo di Higgs si è modificato nel tempo. Ora, l’inventore, per così dire, della teoria inflazionistica, Alan Guth, ha assunto originariamente che l’inflazione fosse guidata da un campo di Higgs che emerge nell’ambito di una teoria di grande unificazione. La parte interessante dei modelli inflazionistici che si basano sul campo di Higgs è che tali modelli potrebbero spiegare l’inflazione proprio nell’ambito del modello standard delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. Tuttavia, quando si prendono in considerazione questi modelli, l’energia del campo di Higgs decresce troppo rapidamente e perciò non è in grado di generare quelle fluttuazioni che sono osservate nella radiazione cosmica di fondo. Dunque, occorre ammettere l’esistenza di altri campi per tener conto di tutti gli effetti dovuti all’inflazione. Ad esempio, un modello inflazionistico di Higgs proposto da Shaposhnikov e Fedor Bezrukov dell’University of Connecticut elimina il problema di introdurre campi di forze extra e suggerische che Higgs interagisce con la gravità in maniera diversa rispetto alle altre particelle. Ciò permetterebbe al campo di Higgs di mantenere la sua energia più a lungo in modo da determinare l’Universo che osserviamo oggi. Anupam Mazumdar della Lancaster University in Inghilterra suggerisce, invece, che altre particelle potenzialmente rivelate da LHC potrebbero fornirci nuovi indizi sull’inflazione. Questi modelli alternativi si basano sulla supersimmetria, la teoria che correla i due tipi fondamentali di particelle, cioè i fermioni e i bosoni. La rivelazione da parte di LHC delle cosiddette “s-particelle” sarebbe un passo importante per la soluzione di un altro grande enigma della cosmologia legato alla materia scura di cui il neutralino, un tipo di s-particella, potrebbe essere un buon candidato. Secondo Mazumdar, se l’inflatone è una s-particella allora l’energia del campo inflatone deve essere terminata con un valore basso di densità di energia potenzialmente rivelabile da LHC; nel caso contrario, l’inflatone può aver generato un rapporto di densità di materia normale su materia scura più basso rispetto a quello che osserviamo oggi nell’Universo. “In definitiva, se LHC rivelerà il bosone di Higgs e nient’altro, per me l’inflazione può essere spiegata in termini del campo di Higgs”, afferma Shaposhnikov. “Se poi LHC rivelerà le particelle supersimmetriche o un nuovo fenomeno fisico, secondo me il modello non sarà poi così attraente. Vedremo cosa accadrà dopo il seminario del 4 luglio!”. Ad ogni modo, Guth crede che molto probabilmente l’energia del campo inflatone vada ben al di là di quelle che sono le capacità di LHC. “Anche se non lo sappiamo, rimane tuttavia molto eccitante il fatto che LHC possa rivelare quei campi di forze che hanno causato l’inflazione” dichiara Guth.

Certo è che qualsiasi notizia arrivi dal CERN il prossimo 4 luglio, gli indizi e le indicazioni finora ottenuti sono proprio all’inizio della ricerca del bosone di Higgs. Si tratta di un lungo viaggio di scoperte verso una fisica ancora inesplorata nell’ambito della supersimmetria, della materia scura, dei mini buchi neri, delle dimensioni extra dello spazio e di altri fenomeni di cui ignoriamo totalmente la loro origine e natura [LIVE WEBCAST].

Per approfondire questo ed altri argomenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso

L’Universo non è più quello di una volta

Dopo circa quattro secoli mi chiedo cosa mai avrebbe detto Galileo se avesse avuto la possibilità di utilizzare i più moderni telescopi? Da qualche decennio, infatti, la nostra visione dell’Universo è letteralmente cambiata, basti pensare alle spettacolari immagini che ci ha fornito, e continua ancora a fornirci sempre in maniera sorprendente, il telescopio spaziale Hubble. Per non parlare, poi, delle missioni spaziali passate, tra cui quella importante del satellite WMAP, e di quelle più attuali, denominate ChandraSpitzer e Fermi, fino ad arrivare alle più recenti Planck ed Herschel. Grazie agli sviluppi tecnologici nel campo dell’ingegneria aerospaziale, oggi è possibile costruire strumenti sempre più avanzati e sofisticati che ci stanno aprendo, per così dire, tante nuove finestre permettendoci di esplorare il nostro Universo in un modo senza precedenti.

Così facendo, si scopre allora che l’Universo è caratterizzato solo dal 4% circa di materia ordinaria, cioè di materia visibile e di cui siamo fatti, quella materia formata da atomi, nuclei eparticelle, e che tutto il resto è fatto di due componenti che ancora non conosciamo e che per nostra ignoranza chiamiamo materia scura (23% circa) ed energia scura (73%), cioè materia che non emette luce ed energia che rimane nascosta nel vuoto, la cui esistenza è stata svelata mediante effetti di tipo gravitazionale.  Ciò è alquanto imbarazzante e costituisce un vero e proprio rompicapo per i cosmologi. Tuttavia questa è una grande epoca per l’astronomia, un periodo in cui la velocità con la quale vengono fornite le informazioni è tale che più osserviamo l’Universo meno ne sappiamo anche se, dobbiamo dire, siamo consapevoli di ciò che ancora ignoriamo. Penso ad un esempio su tutti e che riguarda una scoperta inaspettata, arrivata verso la fine degli anni ’90: contro ogni logica e intuizione, si è trovato che l’espansione cosmica sta accelerando, un fatto alquanto sorprendente. Ci si chiede allora se abbiamo compreso veramente come funziona la gravità, se stiamo applicando in maniera errata la relatività generale o se al contrario conosciamo bene la teoria di Einstein e allora non sappiamo nulla dell’Universo o se, invece, si tratta di un effetto locale per cui la nostra posizione privilegiata si trova nello spazio all’interno di una cosiddetta “bolla cosmica”? Forse le leggi della fisica, come noi le conosciamo, non vanno bene quando vengono applicate nel passato o forse c’è qualcosa di sbagliato nel modo in cui interpretiamo i dati che si riferiscono ad un Universo primordiale. Insomma, guardare oggetti sempre più distanti vuol dire guardare indietro nel tempo ma vuol dire anche avvicinarsi al Big-Bang, cioè alla grande esplosione iniziale che ha dato origine al nostro Universo, incluse le leggi della fisica, circa 13,7 miliardi di anni fa.

Ed è proprio da lì che vogliamo ripartire per ricostruire la storia del cosmo. Ma come? E’ proprio dal nostro pianeta che, si spera, avremo le risposte che stiamo cercando. Infatti, nel tunnel presso il CERN di Ginevra, gli scienziati lavorano con il più potente acceleratore di particelle mai costruito: il Large Hadron Collider (LHC). Uno dei compiti di LHC sarà quello di creare le condizioni iniziali in cui si trovava l’Universo subito dopo il Big-Bang, cioè nella sua prima frazione di secondo, quando le condizioni di energia e temperatura erano estreme. Durante questa fase iniziale, si creavano particelle molto più pesanti di quelle che siamo in grado di osservare oggi e che successivamente, con l’espansione e il raffreddamento dello spazio, si sono trasformate nelle particelle più leggere note a tutti noi. Una delle ipotesi sulla materia scura è che essa sia composta proprio da quelle particelle massicce e antiche che sono esistite ad altissime energie. All’LHC spetterà inoltre il compito di andare oltre i confini dello spazio e deltempo. Se durante le collisioni tra i fasci di particelle, che avvengono nell’anello di 27 Km di circonferenza a velocità prossime alla velocità della luce, si vedranno sparire, per così dire, alcune particelle in uno spazio “al di fuori” rispetto a quello tridimensionale a cui siamo abituati, allora avremo la prova che esistono effettivamente le cosiddette dimensioni spaziali extra. L’Universo consisterebbe perciò di uno spazio multidimensionale caratterizzato da ulteriori dimensioni spaziali, forse sei o sette, così come vuole la famigerata teoria delle stringhe, e che esisterebbero arrotolate o intrecciate in uno spazio piccolissimo che, però, non possiamo vedere o percepire. Ritroveremo un ordine nella natura? Ciò che possiamo dire è che se mai l’LHC dovesse “vedere” le cosiddette particelle supersimmetriche, previste dalla teoria della supersimmetria, allora potremmo, forse, risolvere non solo il mistero della materia scura ma dimostrare l’esistenza di una simmetria che può farci avvicinare verso l’unificazione delle forze fondamentali della natura.

Un fatto è certo: mancano ancora alcuni tasselli per completare il puzzle. Einstein aveva ragione nell’affermare che la cosa più incomprensibile dell’Universo è che risulta comprensibile.

Le tre frontiere della fisica fondamentale

Qual’è la natura dell’Universo? Cosa sono materia, energia, spazio e tempo? Scoprire di che cosa è fatto l’Universo e come funziona costituisce oggi la sfida più importante della ricerca in fisica delle particelle. Migliaia di scienziati provenienti da diversi paesi sono impegnati a collaborare insieme in vari esperimenti allo scopo di ottenere nuovi dati e risultati entusiasmanti.

Gli odierni e i futuri esperimenti in fisica delle particelle forniranno agli scienziati la possibilità di rispondere ad alcune domande fondamentali che sono alla base delle leggi fisiche che governano l’Universo. Questi interrogativi definiscono, in un certo senso, la strada verso cui procede la ricerca della fisica delle particelle nel XXI secolo: Esistono altri principi fisici che non abbiamo ancora scoperto, nuove leggi fisiche? Come possiamo risolvere il mistero dell’energia scura? Esistono effettivamente dimensioni spaziali extra? Ad altissime energie, tutte le forze diventano una sola? Perchè esistono vari tipi di particelle? Cos’è la materia scura? Quali informazioni ci danno i neutrini? Come si è originato l’Universo? Cosa è accaduto all’antimateria? Gli scienziati hanno identificato tre frontiere della ricerca: la frontiera dell’energia, la frontiera dell’intensità, e la frontiera cosmica. Dunque la sfida di oggi è quella di spingere la tecnologia e gli esperimenti verso queste frontiere per cercare di rispondere a queste domande fondamentali su come funziona l’Universo.

Per un maggior approfondimento su questi ed altri argomenti vedi Idee sull’Universo – Da Galileo ai nostri giorni.