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Le linee guida per risolvere i misteri della fisica fondamentale

Alla scorsa conferenza tenutasi presso l’Università del Minnesota, tra la fine di Luglio e i primi di Agosto, durante il Snowmass Community Summer Study, quasi 700 fisici delle particelle provenienti da circa un centinaio di università hanno raggiunto una serie di conclusioni allo scopo di svelare durante i prossimi venti anni i segreti più nascosti della materia, dell’energia, dello spazio e del tempo.

Senza alcun dubbio, negli ultimi due anni gli scienziati hanno fatto passi da gigante verso la comprensione delle leggi della natura. La scoperta del nuovo bosone scalare, annunciato il 4 Luglio 2012 dai fisici del CERN (post), ha posto ‘fine’ ad una lunga ricerca durata diversi decenni e nuovi indizi sono emersi sul comportamento bizzarro di alcune particelle chiamate neutrini (neutrini). Nonostante questi successi, in realtà rimangono ancora alcune domande aperte: ad esempio, le proprietà fondamentali dei neutrini non sono completamente comprese; materia scura ed energia scura, che costituiscono insieme il 95% del contenuto materia-energia dell’Universo, rappresentano gli enigmi più profondi della cosmologia moderna (vedasi Enigmi Astrofisici). Gli scienziati che hanno partecipato quest’anno al congresso Snowmass Community Summer Study hanno definito una serie di linee guida allo scopo di identificare e cercare di risolvere i temi più importanti della fisica delle particelle.

Ecco qui di seguito una serie di domande a cui occorrerà dare una risposta:

1. Il bosone di Higgs non è una particella come le altre. Perché è così differente? Ce ne sono altri?

2. I neutrini sono particelle elusive e molto leggere e che possono modificare la loro identità man manco che si propagano. In che modo possono essere spiegati nell’ambito del quadro generale?

3. Le particelle note costituiscono 1/6 di tutta la material presente nell’Universo. Il resto viene chiamato materia scura. Ma che cos’è? Possiamo rivelare queste particelle in laboratorio? Ci sono, forse, alter particelle che non sono state ancora scoperte?

4. Conosciamo quattro interazioni fondamentali. Si tratta di quattro manifestazioni diverse di una singola forza? Esistono altre forze in natura?

5. Esistono nuove dimensioni ‘nascoste’ dello spazio e del tempo?

6. Materia e antimateria vennero prodotte in seguito al Big Bang. Come mai il nostro Universo è fatto sostanzialmente di materia?

7. Perché l’espansione dell’Universo sta accelerando?

Oggi, nonostante esistano numerose idee nel campo della fisica delle particelle, c’è ancora molto da esplorare e la nostra comprensione dell’Universo si limita solamente ad una frazione inferiore al 5% rispetto al contenuto totale materia-energia. La domanda è: che cos’è tutto il resto? Insomma, per i prossimi venti anni l’obiettivo dei fisici sarà quello di realizzare esperimenti di nuova generazione in modo da espandere sempre di più le nostre conoscenze sulla natura dello spazio e del tempo e tentare così di risolvere alcuni misteri della fisica fondamentale.

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Il nostro Universo potrebbe far parte di un multiverso più grande

E’ stato detto più volte che il nostro Universo potrebbe essere non l’unico ad esistere là fuori ma essere uno dei tanti infiniti universi che compongono quello che viene chiamato il “multiverso”. Nonostante questo concetto possa determinare una certa incredulità, esistono delle motivazioni fisiche che giustificano, per così dire, questa affermazione. Inoltre, dobbiamo dire che non esiste un solo modo per arrivare a questa conclusione perchè altre teorie puntano tutte, e in maniera indipendente, al concetto di multiverso. Molti teorici credono, di fatto, che l’esistenza di altri “universi nascosti” o non visibili è molto più probabile di quanto venga ipotizzato diversamente. Ecco qui di seguito le cinque teorie scientifiche più plausibili che suggeriscono l’esistenza del multiverso.


 Infiniti universi

Illustrazione artistica dello spaziotempo che si estende all’infinito.
Credit: Shutterstock/R.T.Wohlstadter

Gli scienziati non sono sicuri di quale sia la forma dello spaziotempo, anche se con ogni probabilità esso ha una geometria piatta o euclidea, e si estende all’infinito. Ma se il tessuto spaziotemporale si estende indefinitivamente, ci aspettiamo che in qualche punto deve cominciare a replicarsi perché esiste un numero finito di modi con cui le particelle si possono sistemare nello spazio e nel tempo. Dunque, se si guarda abbastanza lontano, in linea teorica dovremmo incontrare un’altra replica di noi stessi o, meglio, infinite repliche di noi stessi. Alcune di queste repliche gemelle faranno esattamente ciò che noi stiamo facendo adesso mentre le altre si comporteranno in maniera completamente diversa. Ora, dato che l’Universo osservabile si estende da quando la radiazione ha cominciato ad apparire e a diffondersi nello spazio circa 13,7 miliardi di anni fa, lo spaziotempo oltre questa distanza può essere considerato come un universo vicino che si è già separato. In questo modo, esisterebbe una moltitudine di universi vicini come una sorta di gigantesco insieme di tasselli (universi) che compongono il puzzle (multiverso).


Universi a bolle  

Illustrazione artistica del concetto di universi-bolla.
Credit: Shutterstock/Victor Habbick

Oltre all’ipotesi degli universi multipli che sono creati dal tessuto dello spaziotempo che si estende in maniera infinita, altri universi potrebbero emergere da quella che viene chiamata la “inflazione eterna”. Il modello dell’inflazione afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang, aumentando il suo volume di spazio come un palloncino delle feste quando viene gonfiato. L’inflazione eterna, introdotta da Alexander Vilenkin, suggerisce un processo in base al quale in alcune porzioni dello spazio l’inflazione si arresta mentre in altre prosegue e questa situazione dà luogo alla formazione di tanti “universi a bolle” isolati. In questo modo, il nostro Universo, dove l’inflazione si è arrestata permettendo la formazione di stelle e galassie, è come una sorta di piccola bolla cosmica in un immenso oceano di spazio che contiene altri universi-bolla che stanno ancora subendo il processo d’inflazione. In alcuni di questi universi-bolla, le leggi e le costanti della fisica potrebbero essere differenti dalle nostre rendendo così gli altri universi decisamente strani o magari con forme di vita aliena bizzarre.


 Universi paralleli

Illustrazione artistica del concetto di universi-membrana che fluttuano in uno spazio multidimensionale.
Credit: Shutterstock/Sandy MacKenzie

Un’altra idea che emerge dalla teoria delle stringhe si basa sul concetto dei “brana-universi”, cioè universi paralleli che giacciono sulle superfici a 11 dimensioni note come “membrane” o più semplicemente “brane”. Questa teoria è stata introdotta da Paul Steinhardt e Neil Turok come alternativa al modello cosmologico standard al fine di superare il problema della singolarità iniziale del Big Bang. Dunque, secondo la teoria delle stringhe esistono altre dimensioni spaziali nascoste, rispetto alle tre dimensioni spaziali e a quella temporale a cui siamo abituati, che danno luogo a “brane” tridimensionali che fluttuano in uno spazio multidimensionale e dove in ciascuna di esse esiste un determinato universo. Possiamo immaginare che ogni universo-brana sia come una fetta di pane che fluttua in uno spazio multidimensionale assieme a tante altre fette di pane. Queste brane non sono sempre parallele tra loro e perciò, di tanto in tanto, esse collidono causando big bang multipli ognuno dei quali causa la nascita di un nuovo universo.


 Universi figli

Credit: NASA/JPL

La meccanica quantistica, che descrive il mondo degli atomi e delle particelle elementari, suggerisce un altro modo per la formazione degli universi multipli. La teoria descrive il mondo che ci circonda in termini di probabilità e non di certezze perciò le sue equazioni matematiche implicano che tutte le possibili combinazioni di una determinata situazione potranno verificarsi nei rispettivi singoli universi. Ad esempio, se arriviamo ad un incrocio dove possiamo andare a sinistra o a destra, l’Universo in cui viviamo potrebbe dar luogo, secondo la meccanica quantistica, a due “universi-figli”: uno in cui si procede a sinistra e un altro in cui si procede a destra. Inoltre, in ogni universo esiste una nostra copia testimone di ciò che accade dell’una o dell’altra situazione, la quale crede, anche se non correttamente, che la propria realtà sia l’unica che esista.


 Universi matematici

Credit: WGBH Educational Foundation

Gli scienziati hanno a lungo dibattuto sul fatto che la matematica sia semplicemente uno strumento utile per descrivere le leggi fisiche dell’Universo o se essa rappresenti effettivamente la realtà fondamentale per cui le nostre osservazioni dell’Universo siano in definitiva percezioni imperfette della sua vera natura matematica. Se è vero il secondo caso, forse la particolare struttura matematica che sta alla base del nostro Universo non è solamente l’unica opzione e perciò tutte le possibili strutture matematiche possono esistere nei rispettivi singoli universi.


Per maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici. Dal Big Bang al Multiverso

Axion Cosmophysics

Axion Cosmophysics – Recently, inspired by the string axiverse idea and related work, string axions including QCD axions are gathering attentions as a new cosmophysical window to the fundamental laws of nature, especially to confirm whether superstring theory is really the ultimate theory of nature. Continua a leggere Axion Cosmophysics

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?