Dimensioni nascoste dell’universo a caccia di mondi diversi

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Dimensioni nascoste dell'universo a caccia di mondi diversi

Dimensioni nascoste dell’universo a caccia di mondi diversi – Oltre allo spazio tridimensionale che costituisce il nostro mondo, potrebbero esistere dimensioni aggiuntive, invisibili, che conterrebbero il nostro mondo così come un libro illustrato contiene una singola pagina e che potrebbero contenere anche altri mondi diversi dal nostro.

Dimensioni nascoste

Il mondo “in una pagina”

Lisa Randall dell’Università di Harvard (Usa) e Raman Sundrum dell’Università Johns Hopkins (Usa) – hanno dimostrato, ancor più recentemente, che potrebbero anche esistere una o più dimensioni nascoste infinitamente estese, cioè non arrotolate su loro stesse, di cui non ci siamo mai accorti.

«Il nostro universo potrebbe trovarsi su una membrana» spiega Lisa Randall. «Questa membrana si estenderebbe all’infinito, nello stesso senso in cui noi immaginiamo che l’universo tridimensionale si estenda all’infinito. Il fatto che l’universo sia su una membrana, però, significherebbe che esistono altre dimensioni nelle quali il nostro universo non si estende». Come dire: l’universo potrebbe essere come una pagina (la membrana) infinitamente estesa, immersa in uno spazio più ampio: il megaverso, che potrebbe avere quattro, cinque o più dimensioni estese (le altre ci sarebbero, ma sarebbero arrotolate).

Gravitoni in libera uscita

E noi non potremmo accorgercene, perché tutte le forze o quasi sono vincolate a rimanere sulla nostra membrana. Tutte le forze, tranne la gravità, infatti, sarebbero mediate da particelle che corrispondono a stringhe vincolate ad avere gli estremi attaccati alla membrana del nostro universo: è quindi impossibile che se ne stacchino. La gravità, invece, è mediata dai gravitoni (i quanti della forza gravitazionale), i quali corrispondono a stringhe vibranti arrotolate su loro stesse. Ciò permetterebbe ai gravitoni di uscire dal nostro universo e andare nelle direzioni extra, anche se normalmente questo non succede, perché – secondo la teoria – i gravitoni sono come incollati alla nostra membrana (anche se non perfettamente, come vedremo in seguito).

L’universo accanto

Nel megaverso di cui parla Lisa Randall, oltretutto, potrebbero esserci anche altri universi-membrane. «Potrebbero esistere altri universi paralleli che si estendono su membrane differenti» afferma la scienziata, «che potrebbero essere anche molto vicini a noi (fino a circa dieci volte la lunghezza di Planck), ma rimanere invisibili ».
Questi mondi potrebbero essere anche molto diversi dal nostro: densissimi, infuocati, oppure vuoti e freddi. E potrebbero esistere anche universi con un numero diverso di dimensioni. Potrebbero, cioè, esserci mondi filiformi, nei quali ci si può muovere solo in avanti o all’indietro, oppure piatti, o perfino quadridimensionali.

A caccia di prove

Per dimostrare che tutto ciò non è solo fantasia, oggi molti scienziati sono a caccia prove sperimentali. Finora, infatti, non c’è alcun indizio concreto del fatto che le dimensioni extra esistano veramente, anche se la teoria delle stringhe ha avuto qualche successo teorico nel descrivere alcune proprietà della forza gravitazionale e alcune proprietà dei buchi neri, corpi celesti così densi che nemmeno la luce può sfuggire dal loro campo gravitazionale.
Recentemente, però, sono stati ideati molti esperimenti per misurare particolari effetti dovuti alle dimensioni extra: se questi esperimenti daranno i risultati che prevede la teoria, allora nei prossimi anni avremmo la prova che le dimensioni extra esistono veramente.

Prova 1: Misurare la gravità

Uno dei primi esperimenti che è stato ideato per cercare le dimensioni nascoste consiste nello studio della forza gravitazionale, come proposto da Arkani-Hamed, Dimopoulos e Dvali.
Se ci fossero dimensioni nascoste di diametro paragonabile al millimetro, suggeriscono questi scienziati, si osserverebbero deviazioni alla legge di Newton. In particolare, con una sola dimensione nascosta “gigante”, la gravità aumenterebbe, al diminuire della distanza tra le particelle interessate, con l’inverso del cubo della distanza (invece che con il quadrato). Su scale piccole, insomma, la gravità sarebbe molto più intensa di quanto normalmente si assume che sia.
Ciò spiegherebbe, oltretutto, perché la gravità è tanto più debole delle altre forze: è come se si disperdesse nelle dimensioni nascoste. Con un paragone un po’ colorito, si potrebbe dire che queste dimensioni extra farebbero da “spugna”: assorbirebbero la gravità. Così come una spugna assorbe l’acqua fino a quando i pori sono completamente pieni, così le dimensioni nascoste assorbirebbero la gravità fino a saturarsi, dopo di che è come se non ci fossero. Ecco perché l’effetto delle dimensioni nascoste non è visibile nei moti planetari, che si svolgono su scale molto maggiori.
Verificare sperimentalmente queste previsioni teoriche sembra facile, ma non lo è affatto, perché la forza di gravità è debolissima. L’esperimento più accurato finora effettuato risale al 2001 ed è stato realizzato dal gruppo Eöt-Wash dell’università di Washington, guidato dai fisici Eric Adelberger e Blayne Heckel. Il gruppo ha misurato con una bilancia di torsione l’intensità della forza di gravità fino a meno di 0,2 millimetri e non ha osservato alcuna anomalia.

Prova 2: Guardare alla Luna

Un’altra possibilità è quella di mettere alla prova le leggi della gravità su distanze planetarie o cosmiche. Questa tecnica è stata suggerita recentemente da Gia Dvali per rilevare l’esistenza di eventuali dimensioni extra infinitamente estese (cioè non arrotolate). Dvali ha calcolato, infatti, che la lieve perdita di gravità nelle dimensioni nascoste altererebbe leggermente l’orbita del nostro satellite attorno alla Terra.

Quest’orbita, infatti, è un’ellisse poco pronunciata, simile a un cerchio. C’è un punto dell’orbita ellittica, detto perigeo, nel quale la Luna è alla distanza minima possibile dalla Terra. Secondo le tradizionali leggi di Newton, il perigeo dovrebbe trovarsi in una posizione fissa rispetto alla Terra. Secondo i calcoli di Dvali, invece, il perigeo dovrebbe muoversi leggermente, con un movimento detto “precessione”.

Questa precessione, se esiste, è estremamente debole. Secondo Dvali, però, l’effetto è quasi misurabile grazie alla moderna tecnologia laser che permette di stabilire con precisione l’orbita del nostro satellite usando gli specchi lasciati sulla superficie lunare una trentina di anni fa dagli astronauti della missione Apollo 11. La precessione del perigeo, dunque, se c’è, potrebbe essere misurata in un prossimo futuro.

Prova 3: Galassie che scappano

Sempre secondo Dvali, la “fuga” della gravità nelle dimensioni extra (estese) è tanto più marcata quanto maggiore è la distanza tra gli oggetti che interagiscono. Il fenomeno, quindi, diventerebbe evidente su distanze paragonabili alle dimensioni dell’universo visibile (che ha un raggio di quasi 14 miliardi di anni luce). In questo modo, Dvali e altri scienziati cercano di spiegare in termini di dimensioni extra uno dei misteri più indecifrabili dell’astronomia contemporanea: l’accelerazione dell’espansione dell’universo. Il nostro universo, infatti, si sta espandendo sempre più velocemente, come se fosse spinto da una forza antigravitazionale. Per essere più precisi, già da alcuni anni gli astronomi si sono accorti che le galassie lontane, e gli ammassi di galassie, si allontanano tra loro sempre più velocemente, aumentando sempre di più l’abisso di vuoto che li separa gli uni dagli altri. Ciò è molto strano, perché l’attrazione gravitazionale tra galassie e ammassi di galassie dovrebbe spingere in senso contrario, cioè rallentando l’espansione. Perché, allora, la gravità sembra diventare repulsiva su distanze cosmologiche?

La spiegazione ufficiale di questo mistero è che lo spazio vuoto è permeato di una sorta di fluido ineffabile che esercita una pressione negativa, cioè spinge il vuoto a espandersi. Uno dei problemi, però, è che questo fluido sarebbe talmente diluito che i teorici non riescono a trovarne una plausibile spiegazione teorica.

La spiegazione di Dvali e alcuni suoi colleghi è un’altra: su larga scala, le proprietà della gravità cambiano, perché i gravitoni (i “quanti” di forza gravitazionale, cioè le particelle che mediano la forza gravitazionale) scappano nelle direzioni nascoste. Quando due galassie distanti interagiscono, infatti, lo fanno scambiandosi un’enorme quantità di gravitoni. Se esistesse almeno una dimensione nascosta infinita, sostiene Dvali, alcuni gravitoni, nel percorrere l’enorme distanza tra una galassia e l’altra, uscirebbero dalla membrana sulla quale giace il nostro universo e si sperderebbero nelle dimensioni aggiuntive. Questa fuga, oltretutto, avrebbe un duplice effetto: non solo indebolirebbe l’attrazione gravitazionale tra galassie (o ammassi) lontane, ma causerebbe una distorsione della membrana-universo, cioè una distorsione dello spazio-tempo che, invece di essere piatto come normalmente si assume, si tenderebbe per acquisire la forma di un iperboloide, sebbene molto schiacciato. E sarebbe soprattutto questo fenomeno a generare l’espansione osservata dagli astronomi.

Prova 4: Perdite energetiche

Se alcuni scienziati cercano la prova delle dimensioni nascoste nello spazio, altri si concentrano su esperimenti che avvengono direttamente qui, sulla nostra Terra, e in particolare negli acceleratori di particelle come il Tevatron del Fermilab (Usa), che è attualmente l’acceleratore più potente al mondo. Per lo meno fino a quando entrerà in funzione l’Lhc (Large hadron collider) del Cern di Ginevra, in Svizzera.

«Nelle collisioni ad altissima energia tra protoni e antiprotoni, c’è una probabilità misurabile che si produca un gravitone se esistono dimensioni extra» spiega Maria Spiropulu, scienziata del Fermilab protagonista nel settore. «Secondo diverse versioni della teoria, il gravitone può trasformarsi in altre particelle o “scappare” nelle dimensioni extra (che sarebbero altrimenti inaccessibili alla nostra esperienza)». Nel primo caso, si potrebbe dedurre l’esistenza del gravitone dalle altre particelle che vengono prodotte. Nel secondo caso, invece, si osserverebbe una violazione del principio di conservazione dell’energia: i rivelatori dell’esperimento, infatti, dovrebbero registrare una perdita corrispondente all’energia del gravitone scomparso.

Finora, non sono state riscontrate anomalie, anche se i dati esaminati hanno comunque permesso di fissare alcune limitazioni alla larghezza delle dimensioni nascoste. Spiropulu spiega: «C’è una grande quantità di limitazioni che si possono dedurre da esperimenti diversi, secondo i parametri che si prendono in considerazione (come il numero di dimensioni e la loro forma)». In ogni caso, la larghezza delle dimensioni nascoste non può essere superiore a un millimetro circa, come stabilito in un punto precedente (Prova 1), anche se esistono limitazioni più stringenti.

Prova 5: Buchi neri microscopici

Un’ultima possibilità è che, nelle collisioni tra particelle, si creino buchi neri microscopici. Un buco nero è un oggetto, normalmente una stella, talmente compresso che nemmeno la luce può sfuggire al suo campo gravitazionale. Per la precisione, non può uscire nulla di tutto ciò che si trovi all’interno di una superficie sferica detta “orizzonte degli eventi”, nemmeno la luce. Tutto ciò che si trova all’interno di questo orizzonte, quindi, non ha rapporto di causa ed effetto con il nostro universo: non possiamo più vederlo, né sapere che cosa gli accada.

Normalmente, i buchi neri sono lo stadio finale del ciclo di evoluzione delle stelle più grandi. In linea di principio, però, nulla vieta che qualsiasi oggetto diventi un buco nero, purché sia compresso entro un volume piccolissimo. Se si volesse trasformare la Terra in un buco nero, per esempio, bisognerebbe comprimerla a tal punto da farla entrare nel palmo di una mano. In pratica, quindi, nessuno sa immaginare una tecnica per trasformare un oggetto in un buco nero.

Un metodo per creare micro buchi neri, però, forse ci sarebbe, anche se si tratta solamente di un’ipotesi teorica. Secondo molti fisici, infatti, una tale eventualità si verificherebbe se le nostre teorie attuali si potessero estrapolare fino a energie estremamente elevate, pari all’energia di Planck (1019 Gev, e un Gev è l’energia corrispondente alla massa del protone). Se i nostri acceleratori riuscissero a fornire una tale energia alle particelle elementari, allora, forse, potrebbero creare un buco nero microscopico: in tal caso, infatti, le particelle si avvicinerebbero a tal punto da trovarsi separate da una distanza paragonabile alla lunghezza di Planck. E a questa distanza si stima che l’attrazione gravitazionale tra le particelle sia talmente elevata da costringerle a comprimersi ulteriormente e formare un microscopico buco nero. Il problema principale, però, oltre al fatto che non conosciamo le leggi fisiche che varrebbero in queste condizioni estreme, è che i nostri acceleratori non sono assolutamente in grado di produrre scontri così violenti.

«Se ci fossero dimensioni extra estese (una o più), tuttavia, tutto ciò potrebbe avvenire a energie più basse» dice Spiropulu. Prima di vedere i buchi neri, inoltre, a energie inferiori, dovremmo osservare altri “fenomeni di stringa”, cioè tipici della teorie delle stringhe, negli scontri tra particelle elementari. Alcuni fisici sperano che le tracce di questi fenomeni esistano già, nascoste nella mole di dati raccolti dal Tevatron, anche se le speranze maggiori sono rivolte all’acceleratore Lhc in costruzione presso il Cern di Ginevra.

Non è detto che queste teorie trovino le conferme sperimentali che alcuni si aspettano. Tuttavia, non per questo perderebbero necessariamente tutta la loro importanza, o sarebbero considerate semplici fantasie, perché resterebbero comunque tra le vette più alte raggiunte dal pensiero umano nel secolo scorso.

Andrea Parlangeli
Tratto dal volume “Ricordando Franco Conti”, edito dalla Scuola Normale Superiore di Pisa, centro di ricerca matematica Ennio De Giorgi (Pisa, 2004).

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