Teoria delle stringhe: la tensione dinamica riscrive le regole

La teoria delle stringhe è stata a lungo acclamata dalla comunità fisica come la candidata più promettente per delineare la natura fondamentale dell’Universo. Secondo questa affascinante prospettiva, le particelle elementari e le forze fondamentali non sarebbero altro che le vibrazioni di minuscoli filamenti di energia.

Tuttavia, l’alba del XXI secolo ha portato con sé una consapevolezza critica: la maggior parte delle configurazioni della realtà descritte dalle equazioni della teoria si sono rivelate incompatibili con le osservazioni dirette del nostro Universo.

La teoria delle stringhe e il dilemma dell’energia oscura

In particolare, le predizioni della teoria delle stringhe convenzionale cozzano con l’evidenza dell’energia oscura, una forza misteriosa che sembra accelerare l’espansione del Cosmo, e con le teorie affermate della gravità quantistica, le quali, per contro, suggeriscono l’esistenza di una vasta “palude” di universi intrinsecamente impossibili.

In questo contesto di sfide e incongruenze, una recente analisi condotta dal fisico Eduardo Guendelman dell’Università Ben-Gurion del Negev, in Israele, ha offerto una potenziale via d’uscita. La sua ricerca suggerisce che un sottoinsieme piuttosto esotico di modelli di stringhe – quelli in cui la tensione delle stringhe non è un valore fisso, ma viene generata dinamicamente – potrebbe effettivamente fornire una scappatoia dalla “palude“, riconciliando le previsioni teoriche con le osservazioni astrofisiche.

All’inizio degli anni 2000, i teorici delle stringhe si sono resi conto che le equazioni della teoria non conducono a un’unica descrizione dell’Universo, bensì a un numero sbalorditivo di 10^500 possibili soluzioni. Ciascuna di queste soluzioni corrisponde a una varietà quasi infinita di universi potenziali, ognuno dotato di proprie particelle e forze distinte, un concetto che ha dato origine alla nozione di “paesaggio della teoria delle stringhe“, un multiverso di cosmi possibili.

A complicare ulteriormente il quadro, nel 2005, si è scoperto che questo vasto paesaggio è a sua volta circondato da una cosiddetta “palude” di soluzioni. Queste ultime sono teorie quantistiche dei campi che, pur apparendo inizialmente valide, a un’analisi più approfondita si rivelano incompatibili con qualsiasi teoria praticabile della gravità quantistica, rendendo tali universi ipotetici di fatto irrealizzabili.

La “palude” della cosmologia reale

Per discernere tra il paesaggio delle possibili soluzioni della teoria delle stringhe e la “palude” di quelle incompatibili, è stato proposto che le teorie plausibili debbano rispettare specifici “vincoli di palude“. Tuttavia, quando le teorie delle stringhe convenzionali si conformano a questi vincoli, i fisici si trovano di fronte a una difficoltà significativa: non riescono a riprodurre con facilità né l’inflazione, quella breve esplosione di rapida espansione che si ritiene abbia caratterizzato il nostro universo primordiale, né l’energia oscura, la quale si presume stia accelerando l’espansione del nostro Cosmo attualmente.

Guendelman, membro del Foundational Questions Institute (FQxI), ha spiegato che “la teoria delle stringhe più convenzionale è molto ostile all’inflazione, in particolare agli ‘scenari di slow-roll’, e persino all’esistenza dello spazio di de Sitter come vuoto della teoria – il vuoto del nostro Universo reale – che è alla base non solo dell’inflazione, ma anche dell’energia oscura“. Egli ha aggiunto che “i vincoli della palude rendono la cosmologia impossibile o quasi impossibile per il cosmologo pratico, perché l’universo reale sembra essere saldamente nella palude della teoria convenzionale”.

In risposta a queste sfide, Guendelman ha recentemente pubblicato un nuovo articolo che introduce una prospettiva promettente. La sua ricerca ha dimostrato come un particolare sottoinsieme esotico di teorie delle stringhe possa essere intrinsecamente più adatto a descrivere il nostro Universo reale, superando le limitazioni dei suoi omologhi più convenzionali. Questo lavoro apre nuove vie per conciliare la teoria delle stringhe con le osservazioni cosmologiche.

Tensione dinamica delle stringhe: una nuova prospettiva

Nella maggior parte dei modelli convenzionali di teoria delle stringhe, la tensione intrinseca alle stringhe è considerata una costante, un valore che viene arbitrariamente e manualmente aggiunto al modello. Tuttavia, il fisico Eduardo Guendelman ha esplorato un approccio differente, concentrandosi su modelli in cui questa tensione non è predefinita, ma generata dinamicamente dal comportamento delle stringhe stesse all’interno del modello.

Guendelman ha descritto dettagliatamente la formulazione di una tale teoria. Il suo lavoro rivela che, proprio a causa della natura dinamica della tensione, i vincoli di palude – quelle condizioni che distinguono le teorie plausibili da quelle impossibili – risultano significativamente indeboliti. Questa attenuazione è dovuta al fatto che i calcoli alla base di tali vincoli sono correlati alla dimensione della cosiddetta scala di Planck. La scala di Planck è concettualizzata come la dimensione più piccola possibile di qualsiasi entità nell’universo, comprese le stringhe.

Guendelman ha spiegato che, poiché la scala di Planck è intrinsecamente legata alla tensione della stringa, nei modelli con tensione dinamica, la scala di Planck stessa diventa dinamica. In un regime in cui sia la tensione dinamica che, di conseguenza, la scala di Planck, assumono valori molto elevati, i vincoli di palude perdono rilevanza o diventano estremamente deboli. Questa scoperta ha implicazioni profonde: “Quindi la teoria delle stringhe con tensione dinamica è favorevole all’inflazione e all’energia oscura”, ha concluso, suggerendo una potenziale riconciliazione tra la teoria e le osservazioni cosmologiche relative all’espansione del nostro Universo.

Lo studio è stato pubblicato sul The European Physical Journal C.