Archivi tag: stringhe

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

Annunci

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?

Perché la teoria delle stringhe?

La necessità di formulare una teoria quantistica della gravità che permetta di descrivere qualsiasi fenomeno fisico, dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande, sembra avere oggi nella cosiddetta teoria delle stringhe la migliore formulazione matematica più adeguata per descrivere l’Universo su tutte le scale. Secondo la teoria delle stringhe, tutte le particelle del modello standard a noi familiari, come gli elettroni, protoni, neutroni, fotoni, etc., possono essere descritte dalle diverse frequenze di vibrazione di una singola stringa. In altre parole, ad ogni frequenza di vibrazione della stringa è associata un tipo di particella del modello standard, analogamente alle note musicali che sono emesse dalle vibrazioni a varie frequenze, ad esempio, di una corda di un violino. La stringa si manifesta a valori altissimi di energia o su scale di distanze estremamente piccole (vedasi Idee sull’Universo).

Dato l’argomento alquanto complesso, mi piace segnalare un sito web (whystringtheory.com) dove coloro che sono interessati a saperne di più, e che sappiano soprattutto un pò di inglese, possono trovare alcune informazioni di base. Il sito, curato da alcuni studenti della Oxford University e fondato dalla Royal Society, è organizzato attraverso una serie di domande, non vuole essere un punto di riferimento della ricerca scientifica attuale ma vuole semplicemente illustrare alcuni concetti fondamentali della teoria delle stringhe.

Come è nato l’Universo?

E’ una delle grandi domande a cui gli scienziati stanno cercando di dare una risposta. Attualmente, il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore per descrive, con buona approssimazione, le fasi evolutive della storia cosmica. Secondo questo modello possiamo rappresentare la nascita e l’evoluzione dell’Universo in tre atti: 1) una singolarità iniziale che fa emergere l’Universo dal nulla; 2) l’inflazione cosmica che dà forma all’Universo e 3) l’espansione cosmica durante la quale si formano le stelle e le galassie man mano l’Universo si raffredda. Tuttavia, il modello cosmologico standard non è completo in quanto le leggi della fisica vengono meno in prossimità dell’istante iniziale, cioè nel momento del Big Bang: qui, le equazioni della relatività generale divergono e danno valori infiniti della densità e della temperatura. Già, ma allora che cos’è il Big Bang? Nessuno lo sa e il termine stesso contiene una contraddizione poiché non è stato “big”, dato che l’Universo sarebbe emerso da una singolarità, e non c’è stato un “bang”, dato che non c’era un mezzo su cui si sarebbero propagate onde sonore. In realtà, il Big Bang non indica una esplosione “nello” spazio ma “dello” spazio stesso poiché da questo enigmatico evento iniziale si sarebbero originati, oltre lo spazio, anche il tempo, la materia e l’energia (vedasi Idee sull’Universo).

Questa spiegazione sulla nascita dell’Universo non lascia, però, tutti soddisfatti e, se ci ragionate un attimo, diventa difficile accettare una situazione fisica che generi l’Universo dal nulla (vedasi questo post). La domanda successiva potrebbe essere: “che cosa” avrebbe dato il via? Ad oggi nessuno sa rispondere a questa domanda e allora alcuni scienziati stanno provando a cambiare il punto di vista proponendo altri scenari cosmologici in cui viene eliminato il problema della singolarità. I due modelli alternativi, descritti qui di seguito, si basano rispettivamente su argomentazioni che derivano dalla meccanica quantistica e dalla teoria delle stringhe.

Universo pulsante

Nel suo libro edito da Alfred A. Knopf Once before Time: A whole story of the Universe, Martin Bojowald, professore di fisica presso la Penn State University affronta uno dei problemi della fisica di frontiera è cioè quello di risolvere, appunto, la singolarità del Big Bang, un momento significativo della storia dell’Universo dove, però, le leggi della fisica come noi le conosciamo non sono più valide. Ma a questo problema se ne aggiunge un altro dato che il tentativo di unificare la teoria quantistica con la relatività generale porta agli infiniti. Secondo Bojowald, la teoria della gravità quantistica potrebbe eliminare questi problemi e, forse, spiegare qual’era lo stato fisico dell’Universo ancora prima del Big Bang. Per fare un esempio, possiamo paragonare la teoria quantistica della gravità ad un quadro la cui cornice può sembrare definita per alcuni mentre per altri il disegno in essa contenuto deve essere ancora completato. Una estensione della teoria quantistica della gravità è la cosiddetta Loop Quantum Gravity (LQG), elaborata per la prima volta nel 1990 da Carlo Rovelli e Lee Smolin, per spiegare il moto degli atomi in uno spaziotempo quantizzato. Secondo questa teoria, il tempo non si ferma esattamente nel Big Bang ma ci può essere una sorta di “preistoria del tempo”. In altre parole, con la LQG si introduce il concetto di tempo discreto e la teoria prevede l’esistenza di nuove forze di natura repulsiva che contrastano il collasso gravitazionale classico. Insomma, il tempo ha la forma di un reticolo che può assorbire una determinata quantità di energia, ma non di valore infinito, in modo da bloccare il collasso gravitazionale e trasformarlo successivamente in espansione. In questo modo, l’Universo si espande e si contrae ciclicamente senza mai arrivare ad una singolarità.

Universo ciclico

L’altro affascinante modello cosmologico di cui Vi voglio parlare si basa su concetti più esotici che nascono dalla teoria delle stringhe. Nel loro libro Universo senza fine. Oltre il Big Bang, edito da Il Saggiatore , Paul J. Steinhardt  e Neil Turok partono dal fatto che non esiste una teoria o un modello che spieghi “che cosa” abbia causato il Big Bang, anche se le recenti formulazioni matematiche della cosmologia di stringa descrivono la singolarità iniziale come un momento di transizione nella storia dell’Universo. In maniera brillante ed eloquente, Steinhardt e Turok criticano il modello cosmologico standard e presentano una descrizione alternativa assumendo che il Big Bang sia solo un momento di transizione nell’infinita serie di collisioni tra due membrane, o brane, su una delle quali risiede il nostro Universo e sull’altra un universo parallelo. Tutto questo dà luogo ad una sorta di “universo ciclico”. Bisogna dire che i due modelli hanno molto in comune perchè entrambi concordano sul fatto che l’Universo si sia espanso negli ultimi 14 miliardi di anni e anche su come si sono formate le stelle e le galassie. Tuttavia i due modelli vanno in contrasto su ciò che riguarda lo stato fisico dell’Universo prima del Big Bang. Di fatto, il modello cosmologico standard ammette la singolarità come punto di partenza da dove hanno avuto origine lo spazio, il tempo la materia e l’energia. Il modello ciclico ammette ancora il Big Bang che, però, non rappresenta l’inizio dello spazio e del tempo. Secondo Steinhardt e Turok, non c’è stato solamente un “bang” nella storia dell’Universo, ma tanti “big bang” che si ripetono ciclicamente con un tempo scala di 1000 miliardi di anni, ciascuno dei quali è caratterizzato dalla creazione di materia ed energia e dalla successiva formazione di nuove stelle, galassie, pianeti e, forse, della vita stessa. Dunque il nostro Universo sarebbe quello prodotto dall’ultimo ciclo di una collisione avvenuta tra due membrane.

Come facciamo, quindi, a discriminare tra questi scenari cosmologici? Quale modello è quello più vicino alla realtà? In generale, cosa può fare un modello? Ogni teoria sullo spaziotempo deve essere coerente con ciò che siamo in grado di osservare nell’Universo. Di fatto, nessuna osservazione diretta del Big Bang sarà possibile. L’epoca più antica che possiamo osservare risale a circa 400 mila anni dopo la nascita dell’Universo e ci è stata fornita dal satellite WMAP. Prima di questa epoca, l’Universo era troppo caldo e opaco a causa della radiazione emessa, sarebbe un pò come cercare di vedere sotto la superficie del Sole. Uno dei risultati più importanti è che i dati di WMAP sulla radiazione cosmica di fondo indicano che la geometria dell’Universo è piatta su larga scala e ciò supporta il modello di Guth sull’inflazione. Ma la “prova finale” potrebbe arrivare dallo studio di un’altra forma di radiazione fossile, ad esempio dovuta all’emissione e alla propagazione di onde gravitazionali. Se i dati del satellite Planck, che ha un potere esplorativo più elevato rispetto al suo predecessore, riveleranno ‘tracce’ del passaggio di onde gravitazionali, che è uno degli obiettivi scientifici della missione, allora questo rappresenterà un punto a favore della teoria dell’inflazione, già perché il modello degli universi-membrana prevede una debole, se non quasi assente, produzione di onde gravitazionali. Dunque, non ci resta che aspettare i risultati di Planck che dovrebbero essere resi pubblici entro la fine di quest’anno.

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: