Energia oscura nella palude delle stringhe?

Energia oscura nella palude delle stringhe?
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Difficilmente i presenti alla conferenza Strings 2018 di Okinawa dello scorso giugno si sarebbero aspettati di assistere a una talk così sconcertante per la comunità stringhista. Il fisico teorico Cumrun Vafa dell’Università di Harvard dal canto suo, mentre condivideva i suoi scomodi risultati, era certamente consapevole di star innescando una reazione a catena di articoli piuttosto concitati. In appena una manciata di mesi il dibattito che ne è scaturito ha ridisegnato la comprensione di come il nostro mondo possa emergere (o meno) dalla teoria delle stringhe. Facciamo un pizzico di chiarezza per i non addetti ai lavori.

Le stringhe

La teoria delle stringhe è ad oggi la più promettente proposta di unificazione della fisica del mondo microscopico, descritto dalle bizzarre leggi della meccanica quantistica, e di quello macroscopico, descritto dalla gravitazione di Einstein, in grado di superare le gravi incompatibilità matematiche fra le due. La semplice idea di base è che le varie particelle, apparentemente puntiformi, se osservate abbastanza da vicino si rivelino essere oggetti unidimensionali simili a cordicelle vibranti: le stringhe. Quelle che esperiamo come particelle qualitativamente diverse (elettroni, fotoni, ecc…) non sarebbero altro che stringhe con diversi modi di vibrazione, un po’ come se stessero suonando differenti note.

La coerenza matematica della teoria esige che il numero di dimensioni spaziali in cui le stringhe si propagano sia nove, costringendoci a venire a patti con l’idea che il nostro spazio possa essere dotato di ben sei dimensioni in più rispetto alle ovvie tre che ospitano le nostre esperienze quotidiane. Per giustificare questa discrepanza i teorici hanno ipotizzato che le sei dimensioni extra mancanti all’appello fossero piccolissime e compatte, invece che estese e grandi come le tre più familiari, così da poter sfuggire all’osservazione diretta. Per aiutare l’intuizione, che suo malgrado getta la spugna di fronte a oggetti con più di tre dimensioni, è utile fare un esempio concreto in 2D. La superficie di un tubo, pur essendo un oggetto bidimensionale, diventa difficile da distinguere da una linea se il raggio è molto piccolo: per questo delle due dimensioni una è estesa e l’altra è compattificata. Analogamente il nostro spazio sarebbe solo apparentemente tridimensionale per via della minuscola scala delle dimensioni extra.

piano teoria stringhe
Un piano, con due dimensioni estese, e un cilindro, con una dimesione estesa più una compatta (physicsworld)

Perso nel multiverso

Questa soluzione apre, però, tutto un altro vaso di Pandora. Infatti i diversi modi in cui le stringhe vibrano dipendono strettamente dalla forma dello spazio in cui sono immerse. La conseguenza diretta è che i tipi di particelle che le stringhe possono riprodurre dipendono dalla forma delle dimensioni extra. Sfortunatamente la teoria non è in grado di indicarci a priori una particolare forma per lo spazio, ma è compatibile con un numero imbarazzantemente alto di geometrie possibili. Quella che darebbe vita allo zoo di particelle che effettivamente caratterizza il nostro universo (elettroni, quark, ecc…) sarebbe solo una fra le tante. La teoria delle stringhe sembrerebbe descrivere sì il nostro universo, ma anche un numero enorme (si stima a 500 zeri) di altri universi a priori possibili, popolati da particelle con proprietà totalmente dissimili da quelle delle nostre. Ma allora perché a esistere è proprio questo qui fra tutti i possibili? È una domanda a cui la teoria non sa dare una risposta.

Da questa impasse nasce la controversa ipotesi del Multiverso, ovvero l’idea che questi universi possibili siano in realtà tutti quanti fisicamente esistenti in differenti regioni dello spaziotempo. Affascinante, quanto priva di qualsivoglia giustificazione sperimentale. Il Multiverso è divenuto con il tempo il simbolo dell’incapacità della teoria di essere ancora realmente predittiva. Infatti predire una moltitudine indiscriminata di universi suona molto simile a predire tutto e il contrario di tutto. Questo rischia di cozzare con il metodo scientifico stesso, che si fonda sulla possibilità di promuovere o bocciare le teorie a seconda dell’esito dell’esperimento.

L’energia oscura

LLe misurazioni sperimentali degli ultimi vent’anni sono concordi sul fatto che l’espansione dell’universo sia in accelerazione. Questo effetto repulsivo viene imputato a una densità di energia che permea lo spazio omogeneamente: la cosiddetta energia oscura. Nell’attuale modello standard della cosmologia l’energia oscura viene interpretata come energia del vuoto (positiva), ovvero come energia che lo spazio possiede di per sé, anche in assenza di materia. L’energia oscura è dunque un’immancabile caratteristica che ogni pretendente della teoria unificatrice deve saper incorporare.

Nel 2003 veniva faticosamente alla luce la brillante congettura KKLT (dalle iniziali dei suoi autori): un complicato meccanismo finalmente in grado di dotare la teoria delle stringhe di energia del vuoto (positiva). Da allora l’idea ha più volte scoperto il fianco alle critiche, ma è stata probabilmente troppo preziosa da poter scartare a cuor leggero. Almeno fino alla scorsa estate, quando Vafa e collaboratori si sono trovati a sferrarle quella che potrebbe rivelarsi la stoccata finale. Il gruppo ha infatti proposto un nuovo semplice criterio per determinare l’insieme di universi possibili che la Teoria delle Stringhe non è a priori in grado di riprodurre: la cosiddetta palude (“swampland”). Questo criterio esclude clamorosamente la possibilità di avere universi con energia del vuoto (positiva) nella teoria, relegando di fatto il meccanismo KKLT nella palude. Costituisce un duro colpo alle speranze di poter sposare stringhe ed energia oscura e, siccome il nostro universo risulta dotato di quest’ultima, ciò significa mettere in dubbio il fatto che la teoria sia realmente in grado di descriverlo. Le stringhe devono quindi assolutamente dimostrare di poter contare su una valida alternativa.

La quintessenza e altre idee

LI teorici stanno esplorando una rosa di alternative. I cosiddetti modelli con quintessenza delineano una spiegazione dell’energia oscura completamente alternativa a quella dell’energia del vuoto: l’accelerazione sarebbe imputabile alla presenza di un nuovo campo che permea tutto lo spazio. L’effetto della Quintessenza, a differenza di quello dell’energia del vuoto, è variabile e tende ad azzerarsi con il passare del tempo. Questo fa sì che la Quintessenza, declinata nel contesto della Teoria delle Stringhe, ci dipinga un universo le cui piccolissime dimensioni extra tendono a “decompattificarsi con il passare del tempo (ovvero a diventare man mano più grandi) finché non saranno estese come le altre tre.

Un altro gruppo avanza un’intrigante proposta secondo cui vivremmo sul bordo di una “bolla” che si espande in una quarta dimensione spaziale estesa. Alcuni suggeriscono che l’accelerazione dell’universo sia solamente apparente e dovuta alle eccessive semplificazioni comunemente adottate in cosmologia, come il non tenere conto delle disomogeneità. Altri studi sottolineano come la presenza di energia oscura sia intrinsecamente problematica non solo per le stringhe, ma più in generale per qualsiasi proposta di descrizione microscopica della gravità.

Una “cura” per la febbre del Multiverso? Non tutto il male potrebbe venire per nuocere: diversi fisici guardano con positività a questo sconvolgimento. I nuovi indizi infatti, relegando nella palude molte delle geometrie che credevamo tranquillamente viabili, potrebbero dare una sostanziale sfoltita alla sovrabbondanza di universi che affligge la teoria, se non addirittura curarla definitivamente. Questo ripristinerebbe tutto il potere predittivo della teoria delle stringhe, che abbiamo creduto perso per più di vent’anni. Il meccanismo che dà vita al nostro universo potrebbe essere uno e uno solo: un puntino di oasi nella sconfinata palude.

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