L’obiettivo più complicato della fisica

Nel corso dei secoli, i fisici hanno fatto passi da gigante verso la comprensione della realtà collegando tutta una serie di fenomeni fisici che appaiono molto differenti. Ricordiamo che una storia della fisica di grande successo, avvenuta nel corso del 19° secolo, fu l’unificazione dell’elettricità e magnetismo in un’unica entità che ora chiamiamo interazione elettromagnetica. Poi, i fisici unificarono un’altra forza con l’elettromagnetismo, la forza debole, il che portò alla formulazione della teoria dell’interazione elettrodebole. Oggi, alcuni scienziati ritengono che il passo successivo, e di conseguenza quello più logico, sia la descrizione di tutte e quattro le forze fondamentali della natura nell’ambito di un singolo quadro matematico: stiamo parlando della famigerata teoria del tutto.

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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.

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.

Spazio e tempo: discreti o continui?

Se prendiamo un chilometro e lo dividiamo in due parti uguali, avremo la metà di un chilometro. Se dividiamo in parti uguali la metà di un chilometro, avremo un quarto di chilometro e così via fino a raggiungere una lunghezza che risulta più piccola del diametro di un atomo. La domanda è: questa operazione di suddivisione può proseguire all’infinito, oppure esiste un limite?

L’origine ‘fondamentale’ del tempo

Mettiamo nel giusto ordine le seguenti frasi: un uomo muore, più tardi si sposa e finalmente nasce. Grazie al nostro senso della percezione del tempo, si tratta di un gioco da ragazzi: “la morte segue sempre la nascita” e non accade mai il contrario. Tuttavia, ad un livello più fondamentale, il problema sull’origine del tempo rimane ancora un mistero.

Stringhe nell’inflazione cosmica?

Due teorici dell’Institute for Advanced Study (IAS) a Princeton hanno proposto recentemente un metodo per trovare delle “evidenze” che facciano luce su una famosa idea che risulta difficilmente verificabile sperimentalmente: stiamo parlando della teoria delle stringhe. Questo metodo si basa sulla ricerca di “particelle reliche” che sarebbero esistite circa 14 miliardi di anni fa, originatesi con una energia 15 miliardi di volte superiore a quella che si ha tipicamente durante una collisione al Large Hadron Collider (LHC). Per far questo, gli scienziati non possono certamente portare il grande collisore adronico a quelle energie, nemmeno avvicinarsi, ma potrebbero rivelare delle “tracce” dell’eventuale esistenza di queste particelle primordiali attraverso osservazioni cosmologiche, grazie soprattutto ad una tecnologia adeguata.

I buchi neri non sono eterne ‘prigioni’

L’argomento più caldo della scorsa settimana, e che ha fatto il giro del web e dei media tradizionali, è stato l’annuncio da parte di Stephen Hawking secondo il quale ci sarebbe un modo per risolvere il famigerato paradosso dell’informazione dei buchi neri. I fisici hanno a lungo dibattuto su ciò che accade all’informazione circa lo stato fisico di un oggetto che viene “risucchiato” da un buco nero. Inizialmente, si pensava che l’informazione fosse perduta per sempre ma poi si concluse che ciò violava le leggi della meccanica quantistica. Ora secondo lo scienziato inglese, che ha presentato la sua proposta durante la Hawking Radiation Conference ospitata dal Nordic Institute for Theoretical Physics (Nordita) in Svezia (post), l’informazione non finirebbe completamente nel buco nero ma potrebbe essere per così dire “trattenuta” nel suo confine, ossia nell’orizzonte degli eventi, ed essere “trasportata” verso l’esterno, anche se in una forma caotica, mediante la radiazione Hawking.

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.

Dall’inflazione cosmica al multiverso

Le osservazioni cosmologiche mostrano che l’Universo è alquanto uniforme su larga scala, almeno quella accessibile dai nostri telescopi. La miglior spiegazione teorica è fornita dalla teoria dell’inflazione 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.