L’energia oscura potrebbe non essere compatibile con la teoria delle stringhe

La teoria delle stringhe consente un "paesaggio" di possibili universi, circondato da una "palude" di universi logicamente incoerenti. In tutti gli universi filari semplici e praticabili che i fisici hanno studiato, la densità dell'energia oscura sta diminuendo o ha un valore negativo stabile, a differenza del nostro universo, che sembra avere un valore positivo stabile

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Un articolo del teorico delle stringhe Cumrun Vafa,  dell’Università di Harvard, e dei suoi collaboratori, ha ipotizzato una semplice formula che determina quali tipi di universi possono esistere e quali sono vietati, secondo la teoria delle stringhe, la principale candidata per una “teoria del tutto” che unifichi la forza di gravità con la fisica quantistica.

La teoria delle stringhe definisce tutta la materia e le forze come le vibrazioni di minuscoli fili di energia. La teoria consente circa 10.500  soluzioni diverse: un vasto e variegato “paesaggio” di possibili universi. I teorici delle stringhe come Wrase e Vafa hanno cercato per anni di posizionare il nostro universo particolare da qualche parte in questo panorama di possibilità.

Vafa e i suoi colleghi ipotizzano che nel panorama delle stringhe, universi come il nostro – o come si pensa che siano – non esistano. Se questa congettura è corretta, il cosmo deve essere profondamente diverso da quanto precedentemente supposto oppure la teoria delle stringhe deve essere sbagliata.

Vafa ha presentato le sue congetture alla conferenza “Strings 2018“, ad Okinawa, in Giappone, che è stata trasmessa in streaming ai fisici di tutto il mondo. Il dibattito che ha scatenato è stato feroce. La cosa ha diviso i fisici in due partiti: tra chi diceva che era tutto sbagliato e chi ripeteva trionfante di sostenere la stessa cosa da anni. Ovviamente, in tutti c’era una grande eccitazione perché se la congettura di Vafa è giusta, avrà molte enormi implicazioni enormi per la cosmologia.

I ricercatori hanno iniziato a lavorare cercando di testare la congettura ed esplorarne le implicazioni. Wrase ha già scritto due articoli in proposito, incluso uno che potrebbe portare a un perfezionamento della congettura.

La formula congetturata – proposta nell’articolo di Vafa, Georges Obied, Hirosi Ooguri e Lev Spodyneiko, e ulteriormente esplorata in un secondo articolo pubblicato due giorni dopo da Vafa, Obied, Prateek Agrawal e Paul Steinhardt, afferma, semplicemente, che l’universo si espande, la densità di energia nel vuoto dello spazio deve diminuire più velocemente di un certo ritmo. La regola sembra essere vera in tutti i semplici modelli di universi basati sulla teoria delle stringhe. Ma viola due credenze diffuse sull’universo reale: ritiene impossibile sia il quadro attualmente accettato dell’espansione accelerata dell’universo sia il modello generalmente accettato della sua nascita esplosiva.

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Energia oscura

Dal 1998, le osservazioni astronomiche hanno indicato che il cosmo si espande in modo accelerato, il che dovrebbe implicare che il vuoto dello spazio deve essere infuso con qualcosa che abbiamo chiamato “energia oscura“, qualcosa dotato di un’azione repulsiva più forte della gravità.

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Inoltre, sembra che la quantità di energia oscura infusa nello spazio vuoto rimanga costante nel tempo.

Ma la nuova congettura afferma che l’energia del vuoto dell’universo deve essere in calo.

Vafa e colleghi sostengono che gli universi con quantità stabili, costanti e positive di energia del vuoto, noti come “universi de Sitter“, non sono possibili. I teorici delle stringhe hanno lottato duramente dalla scoperta dell’energia oscura del 1998 per costruire convincenti modelli filanti di universi de Sitter stabili.

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Ma se Vafa ha ragione, tali sforzi sono destinati ad affondare in una incoerenza logica; Gli universi de Sitter non si trovano nel paesaggio, ma nella “palude“. “Le cose che sembrano coerenti ma alla fine non sono coerenti, le chiamo paludi“, ha spiegato di recente.

Sembrano quasi paesaggi; puoi farti ingannare da loro. Pensi che dovresti essere in grado di costruirli, ma non puoi“.

Secondo questa “congettura di palude de Sitter“, in tutti gli universi logici possibili, l’energia del vuoto deve essere in calo (i cosiddetti universi “anti-de Sitter”, con dosi stabili e negative di energia del vuoto, sono facilmente costruibili nella teoria delle stringhe).

La congettura, se vera, significherebbe che la densità dell’energia oscura nel nostro universo non può essere costante, ma deve invece assumere una forma chiamata “quintessenza” – una fonte di energia che diminuirà gradualmente nel corso di decine di miliardi di anni.

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Sono in corso diverse osservazioni per capire con certezza se l’universo si sta espandendo con un tasso costante di accelerazione, il che comporterebbe che quando viene creato un nuovo spazio, una quantità proporzionata di nuova energia oscura sorge con esso, o se l’accelerazione cosmica sta gradualmente cambiando, come nei modelli basati sulla quintessenza.

Una conferma della quintessenza rivoluzionerebbe la fisica e la cosmologia, inclusa la riscrittura della storia e del futuro del cosmo. Invece di lacerarsi in un Big Rip, un universo per antonomasia rallenterebbe gradualmente e, nella maggior parte dei modelli, alla fine smetterebbe di espandersi per poi contrarsi fino ad un Big Crunch o un Big Bounce.

Paul Steinhardt, un cosmologo dell’Università di Princeton e uno dei coautori di Vafa, ha affermato che nei prossimi anni, “tutti gli occhi dovrebbero essere puntati” sulle misurazioni del Dark Energy Survey, del WFIRST e dei telescopi Euclid per capire se i dati che raccoglieranno indicano se la densità dell’energia oscura è mutevole.

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Se troveremo che le osservazioni non sono coerenti con la quintessenza“, ha detto Steinhardt, “significa che l’idea della palude è sbagliata, o la teoria delle stringhe è sbagliata, o entrambe sono sbagliate o – qualcosa è sbagliato“.

Inflazione sotto assedio

Non meno drammaticamente, la nuova congettura della palude mette anche in dubbio la storia ampiamente accettata della nascita dell’universo: la teoria del Big Bang nota come inflazione cosmica.

Secondo questa teoria, un minuscolo granello di spazio-tempo infuso di energia si è dilatato rapidamente per formare l’universo macroscopico in cui abitiamo. La teoria è stata ideata per spiegare, in parte, come l’universo sia diventato così enorme, fluido e piatto.

Nel frattempo, i teorici delle stringhe, che normalmente formano un fronte unito, non sono d’accordo sulla congettura. Eva Silverstein, professore di fisica alla Stanford University e leader nello sforzo di costruire modelli teorici delle stringhe che spieghino l’inflazione, pensa che sia molto probabile che sia falso. Anche suo marito, il professore di Stanford Shamit Kachru; è il primo “K” nel KKLT, un famoso articolo del 2003 (noto dalle iniziali dei suoi autori) che suggeriva una serie di ingredienti coerenti che potevano essere usati per costruire universi de Sitter.

La formula di Vafa afferma che le costruzioni di Silverstein e Kachru non funzioneranno. “Siamo assediati da queste congetture nella nostra famiglia“, ha scherzato Silverstein. Ma a suo avviso, i modelli sull’espansione accelerata non sono più svantaggiati ora, alla luce dei nuovi documenti, rispetto a prima.

Sostanzialmente sostengono semplicemente che quelle cose non esistono, citando analisi molto limitate e in alcuni casi altamente dubbie“, ha detto.

Matthew Kleban, teorico delle stringhe e cosmologo presso la New York University, lavora su modelli filamentosi di inflazione. Sottolinea che la nuova congettura della palude è altamente speculativa e un esempio di “ragionamento del lampione”, poiché gran parte del panorama delle stringhe deve ancora essere esplorato.

Eppure riconosce che, sulla base delle prove esistenti, la congettura potrebbe essere vera. “Potrebbe essere vero sulla teoria delle stringhe, e quindi forse la teoria delle stringhe non descrive il mondo“, ha detto Kleban. “[Forse] l’energia oscura l’ha falsificata. Questo ovviamente sarebbe molto interessante“.

Mappatura della palude

Resta da vedere se la congettura della palude de Sitter e gli esperimenti futuri abbiano davvero il potere di falsificare la teoria delle stringhe. La scoperta nei primi anni 2000 che la teoria delle stringhe ha qualcosa come 10.500 soluzioni ha ucciso il sogno di poter prevedere in modo univoco e inevitabile le proprietà del nostro unico universo.

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La teoria sembrava poter supportare quasi tutte le osservazioni ed è diventato molto difficile testarla o confutarla sperimentalmente.

Nel 2005, Vafa e una rete di collaboratori hanno iniziato a pensare a come ridurre le possibilità mappando le caratteristiche fondamentali della natura che devono assolutamente essere vere.

Ad esempio, la loro “congettura della gravità debole” afferma che la gravità deve essere sempre la forza più debole in qualsiasi universo logico. Gli universi immaginari che non soddisfano tali requisiti vengono esclusi dal paesaggio alla palude.

Molte di queste congetture della palude hanno resistito notoriamente agli attacchi, e alcune hanno ora “una base teorica molto solida“, ha affermato Hirosi Ooguri, un fisico teorico del California Institute of Technology e uno dei primi collaboratori di Vafa sulla palude.

La congettura della gravità debole, per esempio, ha accumulato così tante prove che ora si sospetta sia valida in generale, sia che la teoria delle stringhe sia la teoria corretta della gravità quantistica o meno.

L’intuizione su dove finisce il paesaggio e inizia la palude deriva da decenni di sforzi per costruire modelli filari di universi. La principale sfida di quel progetto è stata che la teoria delle stringhe predice l’esistenza di 10 dimensioni spazio-temporali – molto più di quanto sia evidente nel nostro universo 4-D.

I teorici delle stringhe sostengono che le sei dimensioni spaziali extra debbano essere piccole, rannicchiate strettamente in ogni punto.

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Il paesaggio nasce da tutti i diversi modi di configurare queste dimensioni extra.

Ma sebbene le possibilità siano enormi, ricercatori come Vafa hanno scoperto che stanno emergendo alcuni principi generali. Ad esempio, le dimensioni rannicchiate in genere vogliono contrarsi gravitazionalmente verso l’interno, mentre campi come i campi elettromagnetici tendono a separare tutto.

E in configurazioni semplici e stabili, questi effetti si bilanciano avendo energia del vuoto negativa, producendo universi anti-de Sitter. Trasformare l’energia del vuoto in positivo è difficile. “Di solito in fisica, abbiamo semplici esempi di fenomeni generali“, ha detto Vafa. “De Sitter non è una cosa del genere“.

Il documento KKLT, di Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde e Sandip Trivedi, suggeriva trappole spinose come “flussi“, “istantoni” e “brane anti-D” che potrebbero potenzialmente servire da strumenti per la configurazione di un’energia del vuoto costante e positiva.

Tuttavia, queste costruzioni sono complicate e nel corso degli anni sono state identificate possibili instabilità. Sebbene Kachru abbia affermato di non avere “seri dubbi“, molti ricercatori sono arrivati ​​a sospettare che lo scenario KKLT non produca universi de Sitter stabili dopo tutto.

Vafa ritiene che una ricerca concordata di modelli universali de Sitter decisamente stabili sia attesa da tempo. La sua congettura intende soprattutto risolvere questo problema.

A suo avviso, i teorici delle stringhe non si sono sentiti sufficientemente motivati ​​per capire se la teoria delle stringhe è davvero in grado di descrivere il nostro mondo, prendendo invece l’atteggiamento che, poiché il panorama delle stringhe è enorme, deve esserci un posto per noi, anche se non si sa dove.

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La maggior parte della comunità nella teoria delle stringhe si schiera ancora dalla parte delle costruzioni di De Sitter [esistenti]“, ha detto, “perché la convinzione è:” Guarda, viviamo in un universo di De Sitter con energia positiva; quindi è meglio avere esempi di quel tipo“.

La sua congettura ha spinto la comunità all’azione, con ricercatori come Wrase alla ricerca di controesempi stabili di de Sitter, mentre altri giocano con modelli filari poco esplorati di universi per eccellenza.

Sarei altrettanto interessato a sapere se la congettura è vera o falsa“, ha detto Vafa. “Sollevare la domanda è cosa dovremmo fare. E trovare prove a favore o contro, è così che facciamo progressi“.

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