il Paesaggio Cosmico

1. il Paesaggio Cosmico " " - dalla teoria delle stringhe al Megaverso - Università della Liberetà aprile ‘09

2. storia della teoria delle stringhe storia della teoria delle stringhe La teoria delle stringhe è unateoriadellafisicache ipotizza che la materia, l'energia e in alcuni casi lospazioe iltemposiano in realtà la manifestazione di entità fisiche sottostanti, chiamate appuntostringhe (o brane). Secondo Edwar Witten, un pioniere della teoria, “la teoria delle stringhe è un pezzo di fisica del ventunesimo secolo che si è trovato per caso nel ventesimo”

3. stringhe I costituenti fondamentali sono oggetti ad una dimensione (le stringhe) invece che di dimensione nulla (i punti) caratteristici della fisica anteriore alla teoria delle stringhe. Per questa ragione le teorie di stringa sono capaci di evitare i problemi di una teoria fisica connessi alla presenza di particelle puntiformi

4. stringhe Uno studio più approfondito della teoria delle stringhe ha rivelato che gli oggetti descritti dalla teoria possono essere di varie dimensioni e quindi essere punti(0 dimensioni),stringhe(1 dimensione),membrane(2 dimensioni)e . . .“oggetti“ di dimensioni superiori.

5. stringhe Nel1968, il fisico teoricoGabriele Venezianostava cercando di capire la forza nucleare forte, quando fece una sensazionale scoperta. Veneziano trovò che una formula ormai vecchia di duecento anni creata dal matematico svizzeroEulero, la funzione betadi Eulero, si adattava perfettamente ai dati sull'interazione forte. Veneziano applicò lafunzione betaalla forza forte, ma nessuno sapeva spiegarsi perché funzionasse.

6. stringhe Nel1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen, e Leonard Susskindpresentarono una spiegazione fisica per la straordinaria precisione teorica della formula di Eulero. Rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe vibranti ad una sola dimensione, questi fisici mostrarono come la funzione di Eulero descrivesse accuratamente queste forze.

7. stringhe ma …… la descrizione che le stringhe davano della forza forte, faceva predizioni che contraddicevano direttamentele esperienze.

8. stringhe La comunità scientifica perse presto interesse nella teoria delle stringhe, e ilmodello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase a farla da padrone.

9. stringhe Poi, nel1974, John Schwarz, eJoel Scherk,e indipendentementeTamiaki Yoneya, avanzarono l’ipotesi che uno dei modi di vibrazione rappresentasse ilgravitone (particella mediatricedella forzagravitazionale) e riuscirono a calcolare quale fosse la tensione fondamentale

10. stringhe Secondo i loro calcoli, l’intensità della forza mediata dalla particella che si origina dalla vibrazione è inversamente proporzionale alla tensione della stringa e …

11. poiché il gravitone media la forza gravitazionale (molto debole), la tensione che ne risulta è colossale: mille miliardi di miliardi di miliardi dimiliardi ( 1039)di tonnellate, la cosiddettatensione di Planck Le stringhe microscopiche sono enormemente rigide

12. stringhe questa tensione è considerata un parametro fondamentale della teoria Si consideri una stringa chiusa ad anello, libera di muoversi nello spazio senza essere soggetta a forze esterne. La sua tensione tenderà a farla contrarre in un anello sempre più stretto.

13. stringhe L'intuizione classica suggerisce che essa potrebbe ridursi ad un punto, ma questo contraddirebbe il principio di indeterminazione di Heisenberg.

14. stringhe La dimensione caratteristica della stringa sarà quindi determinata dall'equilibrio fra la forza di tensione, che tende a renderla più piccola, e l'effetto di indeterminazione, che tende a mantenerla "allargata". Di conseguenza, la dimensione minima della stringa deve essere collegata alla sua tensione.

15. Conseguenze della rigidità delle stringhe Mentre le corde di un violino sono fisse a due estremi, nulla riesce a “tener ferma” una stringa. La tensione contrae la stringa fino alla lunghezza di Planck (10-35 metri). La tensione fa sì che l’energia di una stringa in vibrazione sia estremamente elevata Ma se l’energia delle stringhe è dieci miliardi di miliardi di volte quella del protone, come possiamo arrivare alleparticelle, assai più leggere, come elettroni, quark, fotoni? La meccanica quantistica ci viene in aiuto: il principio di indeterminazione ci assicura che nulla è mai perfettamente a riposo: ogni corpo è sottoposto a un qualche tipo di agitazione quantistica

16. BIZZARRIA QUANTISTICA ci può essere un fenomeno di cancellazione tra l’agitazione quantistica e le vibrazioni delle stringhe non solo … l’energia associata all’agitazione quantistica di una stringa ènegativae quindi il fenomenoriducel’energia totale della stringa in vibrazione di un fattore quasi uguale all’energia di Planck Quindi i modi di vibrazione a energia minimale, sotto l’effetto della cancellazione presentano livelli energetici relativamente bassi Sono queste energie più basse che forniscono il punto di contatto tra la descrizione teorica delle stringhe e il modo sperimentalmente sondabile delle particelle elementari

17. Scherk e Schwarz trovarono che nel modo di vibrazione candidato a generare il gravitone lacancellazioneè totale , e quindi la particella risultante non ha massa IMPORTANTE I casi in cui l’energia è piccola sono rari, la tipica stringa in vibrazione corrisponde a una particella miliardi e miliardi di volte più massiccia del protone le particelle leggere possono nascere da una stringa solo se l’enorme energia viene cancellata dall’agitazione quantistica

18. stringhe Da un punto di vista più matematico, un altro problema è che la maggior parte della teoria delle stringhe è ancora formulata solo perturbativamente, cioè come una serie di approssimazioni piuttosto che come un'esatta soluzione. Un altro problema è che la teoria non descrive un solo universo, ma qualcosa come 10500 universi, ciascuno dei quali può avere diverse leggi fisiche e costanti

19. stringhe L'uomo non possiede la tecnologia per osservare le stringhe, in quanto dai modelli matematici dovrebbero avere dimensioni intorno alla lunghezza di Planck, circa 10-35metri. Potremmo essere in grado di osservare le stringhe in maniera significativa, o almeno ottenere informazioni sostanziali osservando fenomeni cosmologici che possano chiarire gli aspetti della fisica delle stringhe.

20. ma . . . “Il mondo della fisica è agitato da una polemica furiosa...” Due fisiciSmolineWoitattaccano la teoria delle stringhe, oggi prevalente in fisica fondamentale nelle grandi università americane ed europee: la accusano di aver conquistato una posizione di predominio eccessivo La questione riguarda due problemi distinti:gravità quantistica e unificazione

21. il primoconsiste nel riconciliare le due grandi scoperte del secolo scorso: la meccanica quantistica e la relatività generale di Einstein, teorie molto ben verificate e alla base di molta tecnologia attuale, ma basate ciascuna su ipotesi contraddette dall'altra, che hanno quindi rotto la coerenza interna della fisica. il secondo, l'unificazione, è più vasto: la fisica descrive il mondo in termini di costituenti elementari (elettroni, altre particelle...) soggetti a varie forze (elettrica, di gravità...), ciascuno con la propria legge matematica. “È possibile vederci la manifestazione di un'unica entità, di una sola legge,e scrivere la formula del mondo?”

22. È l'antica ricerca di una "teoria del tutto". La teoria delle stringhe potrebbe essere vicina a realizzare entrambi gli obiettivi. La teoria ipotizza che nel mondo ci siano solo piccolestringhe che si muovono nello spazio con una certa legge. Sorprendentemente, questa ipotesi semplice definisce una teoria che descrive un mondo simile al nostro: elettroni e atomi, forza elettrica e di gravità... tutto dal moto di piccole stringhe: un mondo simile al nostro, ma non altre particelle e forzeancora, condieci dimensioni (nove spaziali – una temporale)mentre da noi ce ne sono tre spaziali e una temporale

23. Le altre dimensioni potrebbero essere arrotolate e piccolissime, rispondono i teorici delle stringhe. Oppure potremmo essere confinati per qualche ragione su una membrana ("brana", in gergo) di tre dimensioni, come ha proposto Lisa Randall. Quanto alle altre particelle, non avremmo abbastanza energia per produrle e . . . così via.

24. Tutto possibile, ma le stringhe sono una bella ipotesi e per ora solo un'ipotesi. Una teoria scientifica comincia a diventare credibile quando fa previsioni chiare, poi verificate da osservazioni ed esperimenti. Da anni le stringhe prevedono nuovi fenomeni: effetti delle altre dimensioni, nuove particelle... Fino a oggi è stata sempre smentita dagli esperimenti.

25. La storia della scienza è piena di idee bellissime cadute alla prova dei fatti. Keplero ha passato anni sull'idea che la taglia delle orbite dei pianeti fosse determinata da quella di solidi platonici inscritti l'uno nell'altro. Idea bellissima, andava quasi bene. Lo stesso Keplero, anni dopo, aveva sviluppato un ottimo modello del sistema solare basato sui bellissimi moti circolari. Andava quasi bene. Però Marte era nel cielo otto minuti di arco più in là (un'inezia, a malapena osservabile ai suoi tempi) delle predizioni dalla teoria

26. Il genio di Keplero è stato di gettare via i bellissimi solidi e cerchi per credere alla Natura, non al fascino delle idee. È questa la forza della scienza: distinguere il quasi-bene dal bene; tentare sogni audaci, ma confrontarli con la realtà.

27. stringhe Indubbiamente la teoria delle stringhe non è l'unica teoria in sviluppo a soffrire di questa difficoltà; qualunque nuovo sviluppo può passare attraverso una fase dinon verificabilitàprima di essere definitivamente accettato o respinto.

28. stringhe ComeRichard Feynmanscrive ne Il carattere della Legge Fisica, il test chiave di una teoria scientifica è verificare se le sue conseguenze sono in accordo con le misurazioni ottenute sperimentalmente. Non importa chi abbia inventato la teoria, "quale sia il suo nome", e neanche quanto la teoria possa essere esteticamente attraente: "se essa non è in accordo con la realtà sperimentale, essa è sbagliata".

29. stringhe Ovviamente, ci possono essere fattori collaterali: qualcosa può essere andato male nell'esperimento, o forse chi stava valutando le conseguenze della teoria ha commesso un errore: tutte queste possibilità devono essere verificate, il che comporta un tempo non trascurabile.

30. stringhe Nessuna versione della teoria delle stringhe ha avanzato una previsione che differisca da quelle di altre teorie - almeno, non in una maniera che si possa verificare sperimentalmente. la teoria delle stringhe possiede molte caratteristiche di interesse matematico, e può davvero diventare estremamente importante per la nostra comprensione dell'Universo, ma richiede ulteriori sviluppi prima di poter diventare verificabile.

31. Nessuno nega che le stringhe siano un'ipotesi affascinante • L'accusa è invece di : • non contemplare l'eventualità che sia errata • farsi abbagliare dalle proprie idee confondendo ipotesi e certezza, • aver imposto un'ipotesi come la sola ragionevole con arroganza e, qualche volta, con una divulgazione un po' disinvolta e • monopolizzare così le scarse risorse della ricerca. • Idee alternative esistono.

32. loop Idee alternative Quella più studiata è la teoria dei loop che non ambisce a essere teoria del tutto, ma "solo" a costruire la gravità quantistica, a riportare la fisica alla coerenza concettuale che le è stata propria fin da Newton e si è persa nel XX secolo (senza aggiungere al nostro mondo altre dimensioni e particelle).

33. loop Dalla Relatività generale abbiamo appreso chespazio e tempo formano un"continuo"che ha una dinamica propria: è come un foglio di gomma che si piega, si allunga e ondeggia. Dalla Meccanica quantistica abbiamo appreso che ogni oggetto dinamico di questo tipo è "quantizzato", cioè su piccola scala ha una struttura granulare, fatta di costituenti elementari, o "quanti". Le due idee insieme implicano che lo spazio e il tempo hanno natura granulare. Esiste cioè una grana fine dello spazio-tempo. La teoria dei loop è una descrizione matematica di questa grana fine dello spazio-tempo.

34. loop Dalla teoria risulta che questa grana ha una struttura filamentosa: lo spazio è fatto di loop, o anellini, che si intersecano. La differenza fra questi loop e le stringhe è sostanziale: le stringhe sono cordicelle che costituiscono la materia e si muovono nello spazio-tempo. Mentre i loop costituiscono essi stessi lo spazio-tempo, come i fili di una maglia costituiscono essi stessi la maglia. I loop sono atomi di spazio-tempo, o "quanti" di spazio-tempo.

35. loop Nella teoria, quindi, spazio e tempo diventano oggetti fisici, granulari, simili alla materia. Invece di avere particelle (quanti di materia) che si muovono nello spazio e nel tempo, si hanno solo quanti di vario genere in relazione tra loro. Lo spazio come “contenitore” del mondo e il tempo come ciò “lungo cui scorre” l'esistenza, spariscono dalla teoria. Il passo concettuale è evidentemente grande.

36. loop Einstein ha avuto l'intuizione che lo spazio-tempo possa essere pensato come un "campo", il campo gravitazionale, analogo ai campi elettrici e magnetici introdotti da Faraday e Maxwell. (I loop sono l'analogo gravitazionale delle "linee di Faraday" del campo elettrico). Questa idea è portata dalla teoria dei loop alle sue conseguenze naturali: la teoria non parla più di spazio e di tempo, ma solo di "campi quantizzati in interazione". Questi campi non vivono nello spazio-tempo, ma vivono, per così dire, uno sull'altro.

37. loop È giusta la teoria dei loop? Non lo sappiamo. Come gli altri approcci teorici che cercano di portarci alla gravità quantistica, si tratta di un tentativo. Fino ad oggi, la fisica ha saputo sempre risolvere i problemi fondamentali che ha incontrato, spesso grazie a vertiginosi salti concettuali. Ma solo quando avremo conferme sperimentali precise di previsioni della nuova teoria, potremo cominciare a dire che la teoria è credibile. Ma il percorso di esplorazione e di messa in discussione di idee acquisite continua comunque, ed è un affascinante viaggio del pensiero.

38. loop È possibile pensare il mondo fisico in termini genuinamente non-spaziali e non-temporali? Oppure bisogna esitare davanti a questo salto concettuale, e tornare a oggetti che si muovono nello spazio-tempo, come fa la teoria delle stringhe? Il problema sconfina nel campo della filosofia. Come sempre nei momenti di maggiori cambiamenti concettuali, la fisica chiede aiuto e ispirazione alla filosofia. Per questo, dopo quasi mezzo secolo di separazione, il dialogo fra filosofia e fisica teorica si sta oggi riallacciando.

39. loop In 1988 Carlo Rovelli, Lee Smolin and Abhay Ashtekar have introduced a theory of quantum gravity denoted loop quantum gravity. In 1995 Rovelli and Smolin obtained an explicit basis of states of quantum gravity, labelled by Penrose's spin networks, and using this basis they were able to show thatthe theory predicts that area and volume are quantized. This result indicates the existence of adiscretestructure of space at the very small scale.

40. ma . . . Susskind In un articolo scientifico “The Anthropic Landscape of String Theory” Leonard Susskind (fisico) sollevò un notevole scalpore nella comunità dei fisici e dei cosmologi, allargata poi a quella dei filosofi e dei cosmologi, sul nuovo concetto di “Paesaggio” Il Paesaggio è un’idea che riguarda non solo i mutamenti di paradigma in atto nella fisica e nella cosmologia, ma anche i profondi interrogativi culturali : La scienza è in grado di spiegare il fatto che l’universo sembri straordinariamente ben progettato per permettere la nostra esistenza?

41. Susskind Da qualche anno le pagine scientifiche parlano di due sbalorditive scoperte “oscure”. La prima è che il 90% della materia presente nell’Universo è costituito da una sostanza vaga e misteriosa chiamata materia oscura, l’altra è che il 70% dell’energia dell’universo è composto da una cosa ancora più evanescente e misteriosa chiamata energia oscura La materia oscura e l’energia oscura sono state scoperte sorprendenti, ma non sono misteri I fisici delle particelle hanno sempre saputo che le loro teorie erano incomplete e che rimangono ancora molte particelle da scoprire

42. Susskind Tutto iniziò quando Wolfgang Pauli ipotizzò che una particolare forma di radioattività coinvolgesse una particella invisibile chiamataneutrino “La materia oscura non è fatta di neutrini, ma oggi i fisici hanno postulato l’esistenza di un gran numero di particelle che potrebbero facilmente costituire la sostanza invisibile L’energia oscura ha più diritto di essere chiamata misteriosa, ma il mistero riguarda più la sua assenza che la sua presenza. I fisici sanno da oltre settantacinque anni che lo spazio avrebbe tutte le ragioni per essere pieno di energia oscura. Il mistero non è che questa esista, ma che sia così poca . . “

43. Susskind e ancora . . . “Il vero mistero sollevato dalla cosmologia odierna riguarda una questione macroscopica che sta creando enorme imbarazzo tra i fisici: perché l’universo ha tutta l’apparenza di essere stato progettato in modo che possano esistervi forme di vita come la nostra? L’interrogativo ha reso perplessi gli scienziati e allo stesso tempo incoraggiato quanti preferiscono il falso conforto di un mito creazionista . . .” dice Susskind nel suo libro IL PAESAGGIO COSMICO

44. Susskind “La situazione da molti punti di vista somiglia a quella della biologia prima di Darwin, quando cioè le persone raziocinanti non riuscivano a capire come, senza la guida di una mano divina, i processi naturali della chimica e della fisica, potessero dar luogo a una cosa complessa quanto un occhio umano . . . Credo che l’occhio si sia evoluto attraverso meccanismi darwiniani. E credo che i fisici e i cosmologi debbano trovare una spiegazione naturale anche per il nostro mondo, comprese le clamorose coincidenze che hanno cospirato per rendere possibile la nostra esistenza. . . Credo che quando si sostituisce la magia alla spiegazione razionale non si stia facendo scienza

45. Susskind In passato molti fisici preferivano credere che le leggi della natura discendessero da qualche principio matematico elegante e che l’apparente regolazione dell’universo non sia che una coincidenza fortuita. Ma le recenti scoperte nel campo dell’astronomia e della cosmologia e, soprattutto, della teoria delle stringhe non hanno lasciato altra scelta se non quella di riflettere . . . Si stanno accumulando prove a favore di una spiegazione fondata solo sui principi della fisica, della matematica e della legge dei grandi numeri di ciò che ho chiamato l’ “illusione di un disegno intelligente”

46. i sostenitori del “disegno intelligente” argomentano che è incredibile che una cosa tanto complessa come l’apparato visivo umano si sia potuto evolvere attraverso meccanismi puramente casuali. Ma i biologi avendo dalla loro parte un’arma molto potente, il principio di selezione naturale, riescono a convincere la maggior parte degli studiosi che Darwin ha ragione. Sembra più facile per i fisici (e per i cosmologi) per i quali : la vita intelligente è una conseguenza fortuita di principi fisici che niente hanno a che vedere con la nostra esistenza

47. Per Susskind “la pura e semplice fortuna” necessita di una spiegazione Non è una discussione tra religione e scienza, ma tra due opposte fazioni scientifiche: - tra coloro che credono che la natura sia determinata da relazioni matematiche che, per puro caso, permettono la vita e - coloro che credono chele leggi della fisica siano stata in qualche modo determinate dalla condizione di rendere possibile lo sviluppo della vita intelligente I toni aspri della controversia si sono cristallizzati intorno ad un unico concetto il principio antropico, un principio ipotetico secondo il quale il mondo è finemente regolato in modo da permetterci di essere qui ad osservarlo

48. Il mondo come noi lo conosciamo è molto precario, ha uno speciale interesse per i fisici. Ci sono molti modi in cui le cose potrebbero non funzionare rendendo la vita del tutto impossibile Gli aspetti per i quali l’universo deve essere abbastanza simile al nostro interessano grosso modo tre categorie: -la materia prima della vita: le sostanze chimiche; la chimica in realtà è una parte della fisica: è la fisica degli elettroni di valenza Le leggi della fisica cominciano con un elenco di particelle elementari come elettroni, quark, fotoni, aventi ciascuna proprietà caratteristiche quali massa e carica elettrica: questi sono gli oggetti di cui è fatta qualunque cosa. Eliminare una qualunque di queste particelle o anche solo cambiarne di poco le proprietà, farebbe crollare la chimica convenzionale

49. -l’evoluzione dell’universo ci ha fornito una “casa confortevole” in cui abitare. Le proprietà su larga scala dell’universo ( dimensioni, velocità di espansione, l’esistenza delle galassie, stelle e pianeti, sono essenzialmente governate dalla forza di gravità. In effetti è un miracolo tuttora inspiegato che questa forza sia così debole. La forza gravitazionale tra gli elettroni e il nucleo atomico è 10-40 volte più piccola di quella elettrica. Tuttavia la gravità ha un ruolo spettacolare nell’evoluzione dell’ universo: la sua attrazione fa sì che il materiale cosmico si accumuli in galassie, stelle . . pianeti (il materiale cosmico doveva essere in origine un po’ granuloso . . )

50. Infine c’è la questione della composizione chimica dell’universo: all’inizio c’erano solo idrogeno ed elio (certamente non sufficienti allo sviluppo della vita) , il carbonio, l’ossigeno e gli altri elementi arrivarono più tardi essendosi formati all’interno delle stelle (lievissimi cambiamenti nelle leggi dell’elettricità e della fisica nucleare avrebbero potuto impedire la formazione di carbonio) Come ha fatto questa materia ad uscire dalle stelle? E’ stata espulsa violentemente nelle esplosioni di supernove. Oltre a protoni, neutroni, elettroni, fotoni e alla forza di gravità, il fenomeno delle supernove richiede anche la presenza dell’evanescente neutrino I neutrini sfuggendo dalla stella che si sta contraendo, danno luogo a una pressione che spinge fuori gli altri elementi chimici che si trovano lungo il percorso