Il cosmo sulla brana, Tra teoria delle stringhe e universi paralleli per scoprire il mistero

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Il cosmo sulla brana, Tra teoria delle stringhe e universi paralleli per scoprire il mistero

di Corrado Ruscica, scelto da Corrado Ruscica

Secondo il cosiddetto modello standard della cosmologia, lUniverso si è originato circa 13,7
miliardi di anni fa da una grande esplosione iniziale, il Big-Bang, che espandendo la struttura
dello spazio e del tempo, diventando sempre più grande grazie ad una crescita esponenziale nota
come espansione inflazionaria produsse tutta una serie di processi fisici dando luogo alle
strutture che osserviamo oggi sotto forma di pianeti, stelle e galassie. Sebbene il modello
cosmologico standard descrive levoluzione dellUniverso subito dopo il Big-Bang, tuttavia esso ha
presentato da sempre una serie di problemi. Se, ad esempio, andiamo a ritroso nel tempo fino al
Big-Bang e assumiamo che lo spazio si riduca a una entità infinitesimale e incredibilmente densa, si
trova che le leggi della fisica non possono essere più applicate. In più cè da dire che nessuno sa
ancora esattamente cosa sia il Big-Bang e nella versione, per così dire, ufficiale del modello
cosmologico standard non si parla né dellUniverso prima del Big-Bang né si introducono delle ipotesi su cosa lo abbia provocato o generato.

Prima del Big-Bang

Per eliminare il problema dei valori infiniti a cui portano le leggi della fisica, quando esse
vengono estrapolate al tempo iniziale t=0, cioè in prossimità del punto della singolarità, come si
dice in matematica, rappresentato proprio dal Big-Bang, occorre capire cosa lo ha generato. Al
momento, nessuno ha la soluzione al problema della singolarità iniziale, anche se alcuni fisici
teorici hanno suggerito che il Big-Bang non fu affatto l’inizio, in altre parole l’Universo avrebbe
potuto esistere anche da molto tempo, forse da sempre, ma non tutti concordano. Burt Ovrut, Paul
Steinhardt e Neil Turok hanno provato a risolvere l’enigma della singolarità iniziale ipotizzando
che il Big-Bang si sarebbe originato dallo scontro di due brane giganti, cioè le membrane
descritte dalla teoria delle stringhe, che muovendosi nello spazio multidimensionale entrano di
tanto in tanto in collisione, un po come avviene quando si scontrano due gigantesche onde marine.

Secondo questa ipotesi, a un determinato istante, prima del Big-Bang, due brane, rappresentanti due
universi paralleli, cominciarono ad avvicinarsi l’una all’altra, fluttuando nello spazio
multidimensionale, fino a causare una collisione. L’energia liberatasi dalla collisione finì nel
Big-Bang creando l’espansione della brana-universo e riscaldando tutte le particelle ad altissima
temperatura. In più, il Big-Bang non fu un evento eccezionale, unico, ma le collisioni tra le due
brane sarebbero state più di una. Questa ipotesi eliminerebbe dunque il problema della singolarità
iniziale implicando che sia trascorso del tempo prima del Big-Bang così da permettere alle due brane
di arrivare alla collisione. Sebbene questa idea sia affascinante, presenta dei problemi teorici
dato che non sappiamo cosa succede veramente quando due membrane entrano in contatto poichè le
equazioni che usiamo per descrivere questi eventi straordinari cessano di avere senso.

I brana universi

Abbiamo un modo di provare lesistenza dei brana-universi? Se essi esistono davvero, perché non
possiamo vederli? Questa nuova visione dell’Universo potrebbe contribuire a risolvere uno dei grandi
misteri della scienza moderna che ha a che fare con la gravità. Si pensa, infatti, che la gravità
sia incontrastabile ma in realtà si tratta di una forza alquanto debole. E’ stato osservato
sperimentalmente che l’elettromagnetismo è estremamente più forte della gravità, cioè di circa 10
milioni di miliardi di triliardi di volte. Come mai la gravità è così debole rispetto alle altre
tre forze della natura? Questo dato di fatto ha disorientato gli studiosi per anni, ma la teoria
delle stringhe, grazie alle sue membrane e dimensioni extra, sembra offrire un nuovo modo di
affrontare il problema. Forse la gravità ha la stessa potenza della forza elettromagnetica, ma per qualche ragione noi non riusciamo a percepire la sua azione.

Immaginiamo, ad esempio, un tavolo da biliardo molto grande. La sua superficie a due dimensioni
rappresenta il nostro Universo tridimensionale e le biglie sono gli atomi e le particelle. L’idea
introdotta dallastrofisica Lisa Randall è che gli atomi e le particelle che compongono la materia
risiedono sulla nostra brana, ossia sulla nostra fetta di universo, allo stesso modo delle biglie
sulla superficie del tavolo da biliardo. Quando le biglie si scontrano si generano onde sonore che
si diffondono nello spazio. La gravità potrebbe agire analogamente alle onde sonore e non restare
confinata nella nostra brana ma diffondersi, perciò, oltre il nostro universo-brana. Dunque,
secondo la teoria delle stringhe, le particelle responsabili della gravità, chiamati gravitoni,
avrebbero la forma di anelli chiusi a differenza delle stringhe aperte, associate alle altre
particelle, i cui estremi resterebbero ancorati sulla superficie della brana tridimensionale. 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 perciò lintensità della forza
gravitazionale e facendola sembrare più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali. Questa
ipotesi apre una prospettiva affascinante perché se è vero che il nostro cosmo giace su una brana e
se esistono universi paralleli su altre brane accanto alla nostra forse non li vedremo mai, ma potremo un giorno percepirli per mezzo della gravità.

A caccia di gravitoni

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? Oggi i fisici sono
impegnati nella verifica sperimentale delle equazioni della teoria delle stringhe altrimenti non
potremo più parlare di scienza ma di filosofia. Forse un giorno troveremo qualche indizio
dell’esistenza delle stringhe non solo nello spazio ma anche sulla Terra, ad esempio nei laboratori
dove sono in funzione gli acceleratori di particelle. Infatti, facendo collidere fasci di
particelle, di solito protoni, si ottiene uno sciame di particelle esotiche e tra queste si spera di
osservare una unità di gravità: il gravitone. Lidea è quella di individuare un gravitone nel
momento della sua fuga in qualche dimensione extra attraverso un dispositivo che segnali la sua
assenza. Purtroppo questo evento non si è ancora verificato, ma ci si aspetta molto dagli esperimenti che saranno realizzati all’LHC presso il CERN di Ginevra.

BOX
Scritto da Corrado Ruscica

Astronomo, scrittore e divulgatore scientifico. Il suo blog, Astronomica Mentis
(http://astronomicamentis.blogosfere.it), è dedicato agli scienziati e alle loro idee sullUniverso,
e affronta temi di cosmologia, astrofisica, astrobiologia e fisica delle particelle.

Apparso su Scienza e Conoscenza n. 33 – Luglio/settembre 2010

http://www.macrolibrarsi.it/ebooks/e-book-idee-sull-universo.php?pn=1567

http://www.macrolibrarsi.it/libri/__da-esecutori-a-co-creatori-cosmos.php?pn=1567

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