Energia Oscura e Stringhe

Di recente un articolo (che invito a leggere) ha destato l’attenzione delle comunità scientifica ed è stato scritto un post semi-divulgativo al riguardo. Proviamo a capire insieme di cosa si tratti usando un gergo un pelino meno tecnico e forse più comprensibile, per quanto questo possa comportare errori ed approssimazioni.

Prima di arrivare al contenuto dell’articolo dobbiamo fare un rapidissimo excursus sulla Teoria delle Stringhe.

La Teoria delle Stringhe

La teoria delle stringhe fornisce una elegante ed incredibile spiegazione del perché esistono 4 forze fondamentali e riesce a dare una consistente descrizione della Gravità Quantistica. In qualsiasi altro modo si provi a mettere insieme la Relatività Generale di Einstein e la Meccanica Quantistica si arriva a delle inconsistenze. In stringhe questi problemi non ci sono.
Come si riesce ad unire le due teorie senza inconsistenze? Assumendo che le unità fondamentali non siano particelle ma stringhe, oggetti unidimensionali che possono essere di due tipi: stringhe aperte (tipo uno spago, lacci di scarpe) o stringhe chiuse (tipo elastici)! Oltre alle stringhe esistono anche le Brane, che sono una sorta di “lenzuoli giganti” multi-dimensionali sulle quali le stringhe aperte si possono attaccare.

Il prezzo da pagare per questi privilegi è accettare il fatto che il nostro spazio-tempo non è solo quadridimensionale come Einstein ci insegna, ma ben dieci-dimensionale! Questo risultato è fondamentale e si può vedere in tanti modi diversi nella Teoria delle Stringhe: se così non fosse, molte questioni tecniche fondamentali vengono meno, il fotone diventa massivo, la teoria diventa inconsistente, etc… Si è quindi costretti ad accettare questa condizione. Avere dimensioni in più non è per forza un male, anzi! Con dimensioni extra si possono risolvere innumerevoli problemi.

La teoria delle stringhe è enorme, vasta e complicata e quindi si avrebbe bisogno di una serie di articoli per apprezzarla appieno (che comunque verranno scritti, quindi stay tuned).
Nella teoria delle stringhe stessa esistono (a livello perturbativo, “approssimativo”) cinque diverse teorie che sono tra di loro equivalenti e si può usare una di esse indifferentemente, senza problemi. In una di esse, chiamata Superstringa di Tipo IIB, esistono solo Brane di tipo dispari: 1-Brana, 3-Brana etc..
Per immaginare una 1-Brana pensate ad un oggetto unidimensionale lunghissimo. Fatelo muovere facendo tante foto. Incollate le foto e quello che ottenete è una immagine di un “lenzuolo” bidimensionale.
Per immaginare una 2-Brana (non presente nella tipo IIB, ma ad esempio nella Superstringa di Tipo IIA) pensate ad un lenzuolo enorme. Ora fatelo muovere e, come sopra, scattate delle foto a tale oggetto ogni istante di tempo. Mettete insieme le foto ed ottenete un volume di spazio (che è tridimensionale).
Per immaginare una 3-Brana, pensate ad un volume di spazio 3 dimensionale. Adesso fate come sopra ed ottenute uno spazio 4D.

“Strana” coincidenza: si noti che il nostro spazio è tridimensionale e il nostro spazio-tempo è quadridimensionale, quindi sembra esserci la possibilità che il nostro universo sua una 3-Brana che, “muovendosi”, descrive lo spazio-tempo quadridimensionale di Einstein che noi conosciamo bene. Effettivamente, le Equazioni di Einstein emergono naturalmente dalla Teoria delle Stringhe.
In conclusione, il nostro universo può essere una 3-Brana che descrive uno spazio quadridimensionale immerso in uno spazio 10-dimensionale. Sembra fantascienza ma moltissimi conti con tanta matematica e soprattutto tanta fisica ci portano a tali risultati.

All’interno della Teoria delle Stringhe si possono risolvere anche altre questioni che sono aperte in Fisica Teorica: perché le forze sono così diverse tra di loro? Perché esistono le particelle e perché sono fatte proprio nel modo in cui le osserviamo? Perché la gravità è così debole?
In Stringhe si hanno risposte a tali problemi.

Il contenuto dell’Articolo

L’articolo in questione offre uno scenario allettante: il nostro universo è una sorta di “sottospazio” (una 3-brana) di un universo più grande (5-dimensionale, detto Bulk) che ha una costante cosmologica negativa. Lo spaziotempo in questione con costante cosmologica negativa prende il nome di Anti-de Sitter. Nonostante ciò, in questo modello il nostro universo ha una costante cosmologica positiva (e viviamo quindi in uno spaziotempo di tipo de Sitter), proprio come si osserva sperimentalmente da ormai vent’anni! Con la Teoria delle Stringhe si riesce a spiegare, in tal modo, come mai la costante cosmologica sia positiva e quindi perché esiste l’Energia Oscura. Per caprine di più consiglio fortemente la lettura di questo articolo sull’Energia Oscura.

Quali altri vantaggi ci sono in questo modello? Questi modelli sono detti Modelli di Randall-Sundrum e risolvono un altro problema aperto nella fisica teorica detto Problema della Gerarchia: come mai la gravità è così debole rispetto alle altre forze? Detto in soldoni, la gravità è debole perché “si disperde” nella dimensione extra, cosa che le altre forze non fanno. Detto in maniera tecnica, il gravitone ho uno zero modo che è localizzato su una brana che non è la nostra mentre noi, che siamo su una brana diversa, sentiamo solamente gli effetti a lunga distanza della gravità, che quindi ci sembra più debole. Le altre 3 forze fondamentali non si disperdono e quindi sono molto più intense, ai nostri occhi.

Il nostro universo (la 3-Brana a sinistra, rappresentata schematicamente come un piano) sente solo debolmente l’effetto dei gravitoni, che nascono nella 3-Brana di destra. Lo scenario è immerso in uno spazio con costante cosmologica negativa detto di Anti-de Sitter. Nonostante ciò, nella nostra brana osserviamo una costante cosmologica positiva.

Questi sono solo alcuni dei grandissimi vantaggi che la Teoria delle Stringhe offre: nessun’altra teoria (e lo ripeto, nessuna) riesce ad oggi a dare spiegazioni più soddisfacenti di questa, nonstante sia ancora da comprendere e da capire ed alcune previsioni e questioni tecniche sono fuori dal nostro controllo. Nessuno al mondo ha ancora una teoria migliore e senza inconsistenze. Se un giorno essa sarà falsificata in qualche modo, i primi ad esserne felici saranno proprio i fisici teorici: ci sarà nuovo lavoro per tutti e sarà un cambiamento epocale! Fin quando questo non avverrà, non possiamo fare altro che fare fisica e vedere cosa la teoria ci insegna.

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