La teoria "Brane World"

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Da quando Einstein formulò le prime versioni della sua teoria della relatività generale il mondo scientifico si accorse che era in atto una nuova rivoluzione copernicana del sapere.

Da allora la conoscenza umana non si è mai fermata ed ha sempre cercato di andare oltre.

Forse questa volta, dopo anni ed anni di speculazioni teoriche più o meno campate in aria, una valida nuova teoria è stata formulata.

Ciò che è sorprendente è che questa teoria, nata inizialmente nel dominio particellare delle alte energie ora sembrerebbe fornire la possibilità di una verifica sperimentale astronomica.

La teoria di cui si sta parlando è la teoria di grande unificazione nota come Brane World o Universo a Membrana, proposta da Lisa Randall e Raman ndrum.

Questa esotica ma interessante teoria, muove le mossa dalla teoria delle superstringhe e la fisica delle particelle elementari al fine di risolvere alcuni problemi fondamentali rimasti ancora insoluti.

Secondo questa teoria il nostro Universo visibile sarebbe come una membrana sottile contenuta su un altro Universo immensamente più grande. In particolare il nostro Universo sarebbe paragonabile ad una pellicola di olio, che galleggia in un oceano.

Uno dei problemi classici, che si riuscirebbe a spiegare con questa nuova teoria, è la debolezza della forza gravitazionale rispetto alle altre interazioni fondamentali della natura; con questa teoria si riesce ad unificare le quattro forze della natura in un' unica interazione fondamentale.

A differenza della teoria delle superstringhe in cui il numero di dimensioni crescevano arbitrariamente 11(14), la brane-world necessita "solo" di una quarta dimensione spaziale.

Questo risulta in aperto contrasto con la teoria di Einstein; in questo contesto se si riuscisse a dimostrare questa teoria la relatività generale risulterebbe sorpassata.

Dettaglio sulla Teoria
La Teoria ipotizza un normale spazio-tempo a 3+1 dimensioni, che risulta immerso in un iperspazio a più dimensioni; questa nuova intricata geometria suggerisce le risposte a molti dei problemi rimasti insoluti con il modello standard.

La supersimmetria (Si) fa parte di questa visione multidimensionale e, assieme al brane world, potrebbe ottenere le prime verifiche sperimentali nel dominio particellare con l'avvento dell'acceleratore di particelle Large Hadron Collider (LHC) al Cern in Svizzera.

Già dagli anni '80 con la teoria delle stringhe prima e delle superstringhe poi si è cercato di unificare le quattro forze della natura, che inglobino in una sola teoria il paradigma quantistico con la gravità classico-relativistica. Le due teorie sono validissime e largamente utilizzate nel dominio del loro campo di indagine, ma presentano lo scoglio insormontabile di non essere assolutamente compatibili fra loro.

In questo tentativo unificatore si ingloba la teoria di Randall e ndrum secondo cui nello spazio-tempo ordinario a 3+1 dimensioni dominano le normali forze della natura, mentre nell'iperspazio solamente la gravità.

Queste dimensioni aggiuntive no direttamente percepibili dall'osservatore. Solitamente per spiegare come appaiono le dimensioni aggiuntive si esegue l'operazione dell'immersione dimensionale in uno spazio con meno dimensioni: se vivessimo su un pallone da calcio, le uniche direzioni in cui potremmo muoverci sarebbero avanti-indietro e destra-sinistra, cioè per noi il pallone, nonostante sia immerso in uno spazio tridimensionale, apparirebbe come bidimensionale.

Quindi se il nostro mondo fosse una membrana (come un alga nell'oceano), nella quale si intreccino tre dimensioni, percepiremmo solo due dimensioni. Mentre in un mondo a quattro (o più) dimensioni noi, esseri tridimensionali per natura, continueremmo a percepirne solamente tre di esse.

La quarta dimensione spaziale ipotizzata da Randall e ndrum avrebbe dimensioni talmente microscopiche da sfuggire ai sensi e, topologicamente parlando, formerebbe segmenti e/o cerchietti attorcinati.

Da non trascurare poi il criterio estetico di una teoria: spesso le più grandi scoperte scientifiche sono state fatte prendendo ad esempio l'esteticità e la completezza di una teoria; può sembrare un metodo alquanto grossolano, ma la spiegazione più semplice (occam imsegna) è anche la più probabile, perché proprio su questi concetti di eleganza e completezza si è sempre mossa "madre natura".

questi concetti di eleganze e completezza si basa la Teoria delle Stringhe Cosmiche, che cerca di trovare un accordo tra la relatività generale e la meccanica quantistica.

Secondo questa stupenda teoria, tutto quello, che esiste nel cosmo sarebbe la manifestazione più o meno evidente della vibrazione e della risonanza delle, cosidette, stringhe cosmiche.

In particolare, secondo questa teoria, le particelle materiali vengono associate a delle corde vibranti invece di enti puntiformi privi di struttura. Queste stringhe sono infinitamente sottili e dello spessore paragonabile alla lunghezza teorica di Planck (10-35 m); esse vengono tese con una forza prodigiosa (10 39 tonnellate), che ne determina la frequenza di vibrazione: maggiore è questa frequenza di vibrazione e maggiore è la massa della particella associata.

Essendo maggiore la massa è anche maggiore la gravità; è proprio questo il collegamento tra la gravità relativistica e le particelle elementari quantistiche. In questo contesto la teoria delle superstringhe ingloba e prevede nel suo nucleo la forza di gravità.

In questo modo dalla teoria delle superstringhe emergono spontaneamente tutte e quattro le particelle messaggere delle interazioni fondamentali e la loro unificazione avviene appunto tramite questa super-teoria in maniera naturale.

Inoltre queste stringhe, tramite opportuna stimolazione ad una determinata frequenza di vibrazione, possono generare tutte le particelle elementari, che costituiscono il nostro Universo; un pò come avviene per le note musicali di una corda di violino in relazione alla sua frequenza di vibrazione.

La teoria delle stringhe cosmiche divenne successivamente Teoria delle perstringhe, quando si capì che insita nella teoria vi era la possibilità dell'oscillazione tra le due famiglie di particelle bosoni e fermioni (1).

Esistono varie teorie delle superstringhe ognuna delle quali prevede l'esistenza di 9 dimensioni spaziali più una temporale (sei di queste dimensioni spaziali sono impercettibili ognuna accartocciata su di se).

Nel 1995 le differenze tra le varie teorie di stringhe sono state appianate dal lavoro del professor Edward Witten, che ideò la M-Theory, dove "M" sta per Mother, cioè la Teoria Madre di tutte le superstringhe e forse delle GUTs.

In questa teoria generale le dimensioni spazio-temporali totali sono 11 e non più 10. Inoltre si postula l'esistenza di altre strutture dette "branes" oltre alle stringhe unidimensionali.

Le brane sarebbero delle stringhe estese in più dimensioni: le "1-branes" sono appunto le stringhe unidimensionali, le "2-branes" sono le membrane cioè superfici bidimensionali, ma esistono anche le "tribranes" o le "multibranes"a più dimensioni.

Tutte queste entità sono in continua e perenne vibrazione per originare l'Universo così come lo conosciamo. In questo contesto la teoria M viene detta Teoria delle Membrane.

Una stranissima peculiarità della teoria M è che nell'interazione e nella collisione tra particelle si possano originare dei mini-buchi neri; infatti se nei nostri acceleratori si riuscissero a raggiungere delle energie abbastanza elevate (circa 1019 GeV), nell'urto, due particelle di siffatta energia potrebbero avvicinarsi talmente tanto da finire entro il limite di Planck.

A questa distanza si stima, che l'attrazione gravitazionale delle due particelle prevalga su qualsiasi repulsione o ulteriore forza della natura quindi le due particelle finirebbero per comprimersi ulteriormente formando un microscopico buco nero.

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Verifica Sperimentale della Teoria
A tal proposito due scienziati americani, Charles Keeton ed Arlie Petters, hanno elaborato una teoria, che permette la verifica sperimentale di una quarta dimensione spaziale.

Il punto di partenza del loro speculazioni è la BraneWorld; da questa hanno costruito delle strutture matematiche assai complesse, che gli hanno permesso di predire l'esistenza, alquanto esotica, ma pittoresca, di mini-buchi neri sparsi un pò ovunque, anche entro i confini del nostro Sistema Solare.

La possibilità di una verifica sperimentale deriva dal fatto che con il nuovo satellite della NASA GLAST (Gamma Ray Large Area Telescope), che studierà prevalentemente i Gamma Ray Bursts (GRBs), il cui lancio è previsto nell'agosto del 2007, si possiederà lo strumento adatto ad individuare indirettamente la presenza di questi mini-buchi neri nei dintorni (o interni) del Sistema Solare.

Questi mini-buchi neri al massimo non sarebbero più grandi di un asteroide e sarebbero presenti ovunque nel cosmo, risolvendo facilmente in parte il problema della materia oscura.
Le soluzioni evoluzionistiche di queste fantomatiche entità descrivono la nascita di questi oggetti entro un secondo dal Big Bang.

L'odierna teoria gravitazionale afferma che questi mini-buchi neri dovrebbero essere "evaporati" in tempi brevissimi dopo la loro formazione secondo la teoria dell'evaporazione alla Hawking (2).

Invece la nuova teoria afferma la non validità di questo meccanismo di evaporazione, poiché i mini-buchi neri si attesterebbero nella quarta dimensione spaziale risultando quindi immuni dal meccanismo di evaporazione e sopravvivendo fino ai nostri giorni.

Se i mini-buchi neri dovessero costituire solo l'1% della materia oscura galattica, allora anche dentro il Sistema Solare ve ne sarebbero parecchie migliaia eventualmente anche all'interno dell'orbita di Plutone.

La verifica dell'esistenza di queste entità avverrebbe in maniera indiretta studiando la diffrazione dei GRBs prodotti dall'effetto di lente gravitazionale, che un eventuale reticolo di buchi neri vicini alla Terra produrrebbe.

In questo modo GLAST dovrebbe essere in grado di individuare le frange di interferenza di questo reticolo di mini-buchi neri, come l'alternarsi di massimi e di minimi nella radiazione gamma proveniente dai GRBs.

In particolare l'esistenza di una quarta dimensione spaziale produrrebbe nelle frange di interferenza una contrazione misurabile, che nel caso classico previsto dalla relatività generale non dovrebbe comparire.

In questo modo, a parte l'esistenza sparsa dei fantomatici mini-buchi neri, si riuscirebbe in un sol colpo ad unificare le quattro interazioni fondamentali in un unica teoria, che descriva l'Universo in 4 dimensioni spaziali più una temporale.

Dopo il lancio del satellite GLAST tutto apparirà più chiaro.

Note
(1): I fermioni sono particelle di materia ordinaria aventi spin semi-intero (1/2,2/3,...), per esempio elettroni e quark; i bosoni sono particelle mediatrici delle forze fondamentali aventi spin intero (0,1,2,...) come i fotoni e gravitoni.

Secondo la supersimmetria delle stringhe, ad ogni particella conosciuta ne corrisponde una simmetrica (non conosciuta): ad esempio al fotone (particella mediatrice dell'interazione elettromagnetica e quindi bosone) corrisponde il fotino (particella materiale e quindi fermione); simmetrico al quark (fermione) vi è l's-quark (bosone) e così via.

(2): Stephen Hawking professore emerito a Oxford nel 1971 elaborò una teoria secondo cui i buchi neri noti a tutti per essere delle singolarità spazio temporali, in realtà rispondono alle stesse leggi della termodinamica di corpo nero.

Quindi, come un qualsiasi corpo nero il buco nero possiederà un certo spettro di radiazione e quindi una temperatura caratteristica ed una entropia dipendente dal suo campo gravitazionale e dai suoi parametri superficiali.

Quindi i buchi neri irradieranno particelle e radiazione come tutti i corpi neri; la differenza sostanziale sta nel meccanismo di irraggiamento, che, nel caso dei buchi neri con orizzonte degli eventi, avverrà chiamando in causa le leggi della meccanica quantistica.

Lo spazio confinante con l'orizzonte degli eventi di un buco nero è, come ogni altro luogo dell'Universo, pervaso di energia di vuoto. Questa energia di vuoto, secondo il principio di indeterminazione di Heisemberg può generare una coppia di particelle virtuali, una con energia positiva ed una con energia negativa.

In vicinanza dell'orizzonte degli eventi di un buco nero spesso capita che l'antiparticella venga risucchiata mentre la particella sfugga asintoticamente; nel bilancio energetico globale è come se il buco nero avesse espulso una particella a spese della sua energia (l'antiparticella finirebbe per annichilirsi con una particella dentro all'orizzonte degli eventi, diminuendo quindi la massa del buco nero ed irradiando un fotone).

Questo fenomeno di emissione è detto evaporazione dei buchi neri, che in tempi scala abbastanza lunghi (dipendenti dal raggio e dalla massa totale del buco nero), porterebbe al completo annullamento della massa dell'oggetto (un tempo scala 1066 anni per massa solare da irradiare!).

Quindi per i mini-buchi neri originatesi nelle prime fasi di vita dell'Universo, il tempo scala di evaporazione totale risulterebbe essere brevissimo senza una quarta dimensione spaziale.

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Certo, è difficile trovare una ragione sufficiente perché tutto sia andato così com'è andato. A partire dall'origine dell'universo, intendiamo. Qualunque fisico o persona di buon senso converrà con Italo Calvino che essendo presenti al big bang o solo al disaccoppiamento tra materia e radiazione sarebbe stato arduo prevedere «le pianure della Mesopotamia nereggianti di uomini e cavalli» o altri momenti più o meno edificanti dell'avventura umana.
Eppure, se lo stupore di guardarsi allo specchio appartiene inderogabilmente alla nostra specie, la faccenda considerata con lo sguardo del fisico teorico si fa più profonda, e densa di interrogativi. Un nutrito numero di costanti fisiche sembra avere proprio quel valore - unico o compreso in uno stretto intervallo - che permette l'esistenza della vita e in particolare della nostra. È la cifra di un disegno intelligente? O più semplicemente conviene abbandonarsi al principio antropico, secondo cui - banalmente - se le costanti fossero state diverse non saremmo qui a raccontarcela?
Altro che la Mesopotamia, ci racconta sskind in questo libro. Gli ultimi modelli della fisica teorica e in particolare della teoria delle stringhe ci parlano di infinite possibilità, di infiniti universi, brane, bolle e quant'altro si è reso necessario per delineare modelli delle nuove conoscenze. Siamo immersi in un paesaggio cosmico - ecco da dove viene il titolo: è un'espressione coniata dall'autore - in cui noi, con il nostro universo antropizzato, occupiamo una sperduta valle dove la costante di struttura fine deve valere proprio 1/137 e così pure per tutte le altre.
Insomma, di carne al fuoco ce n'è tanta, e a spiegarla sskind si dedica con grande passione e competenza; soprattutto, ovviamente, sul versante più propriamente scientifico. Tutto è illustrato con dovizia di particolari, a partire dalla fisica classica per poi passare alla meccanica quantistica. E ancora relatività, elettrodinamica quantistica, modello standard della fisica delle particelle, cosmologia teorica e sperimentale. Insomma tutta, o quasi, la fisica dei giorni nostri.
Ma dove prende una piega un po' più epistemologica la discussione si fa assai più sbrigativa, più di quanto conceda la partigianeria. Riguardo alle critiche alla teoria delle stringhe, sskind ci informa del fatto che i fisici sperimentali delle alte energie «sono turbati perché non vedono alcuna possibilità di affrontare sperimentalmente gli interrogativi a cui cercano di rispondere i teorici delle stringhe», i miopi. Non sanno che «i giovani teorici brillanti sono come esploratori irrequieti: vogliono andare dove li porta la curiosità; e se questa li porta nel gran mare dell'ignoto, pace». Come dire, ognuno fa quello che vuole. «La teoria, in fondo, ha superato innumerevoli prove di coerenza matematica che avrebbero potuto decretarne la fine». E anche questo si può accettare, ma forse se si abbandonano le fisime di trovare risultati teorici da verificare in seguito con un'indagine sperimentale e se tutto ciò che importa è la coerenza matematica dell'intera costruzione, il sospetto che si tratti solo di una magnifica tautologia alla fine è lecito.
E, a voler essere puntigliosi, anche la scelta dello stile lascia più di una perplessità: non si riesce a capire che cosa dovrebbero aggiungere alla comprensione di una materia così ostica paragoni come: «L'universo primordiale non era né troppo grumoso né troppo liscio: proprio come la minestra dell'orsetto nella favola di Riccioli d'Oro». O perché debba per forza esserci simpatico l'autore che racconta: «Era il 1965, l'epoca del movimento studentesco, della liberazione sessuale, dell'LSD e delle proteste pacifiste contro la guerra nel Vietnam. Provai tutte e quattro le esperienze più qualche altra. Portavo i capelli lunghi e di solito ero vestito con un paio di jeans e una maglietta nera attillata».
Insomma, tanto di cappello a sskind e ai suoi risultati scientifici, ma sulle questioni dell'universo, della sua storia, delle sue dimensioni e delle sue possibilità di esistenza si sono lette pagine migliori, comprese anche quelle di Calvino.

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