L’axiverso delle stringhe

Intervista a Sergei Dubovski, fisico teorico dell’Università di Stanford in California, che spiega perché studiare gli assioni (particelle non ancora osservate) può aiutare a provare la teoria delle stringhe

INTERVISTE – Se già il concetto di multiverso vi mette in difficoltà, che ne dite di axiverso? Confusi? Proviamo ad andare per ordine. Una delle caratteristiche più rivoluzionarie della teoria delle stringhe (la teoria della fisica che ipotizza che la materia, l’energia e in alcuni casi lo spazio e il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche sottostanti, chiamate appunto stringhe) è il concetto di multiverso, ovvero l’esistenza di un numero enorme di universi paralleli. Ma questa predizione e le sue conseguenze pratiche sono molto difficili da studiare. Secondo Sergei Dubovski, fisico teorico dell’Università di Stanford in California, si può aprire una finestra sul multiverso studiando la fisica degli assioni, particelle esotiche non ancora osservate. La loro scoperta ci porterebbe a concludere che viviamo in uno strano “axiverso” in cui i buchi neri esplodono formando gigantesche bosenove. Oggiscienza ha intervistato Sergei Dubovski per scoprire la verità sugli universi paralleli.

OS: Cosa vuol dire “axiverso”?

SD:Questa è la parola che abbiamo inventato per descrivere un universo con tanti tipi di particelle elementari molto leggere, non ancora osservate, che nella letteratura scientifica vengono comunemente chiamate “assioni.” Serve per richiamare una delle predizioni più interessanti e controverse della teoria delle stringhe: il cosiddetto “multiverso,” ovvero l’esistenza di innumerevoli universi paralleli, in ciascuno dei quali vigono diverse leggi della fisica. Alcune delle proprietà fisiche dell’universo in cui viviamo, come le quattro forze fondamentali o l’esistenza di elettroni e protoni, non sarebbero in realtà fondamentali ma verrebbero determinate in modo più o meno casuale a seconda del particolare universo in cui ci troviamo a vivere.

Un’analogia calzante riguarda alcune delle proprietà del nostro pianeta come la durata del giorno e i cicli lunari; queste non sono quantità fondamentali, la Terra è solamente uno tra i miliardi di pianeti con caratteristiche diverse e noi ci troviamo a vivere qui perché l’ambiente terrestre è favorevole alla vita. Allo stesso modo, ci troviamo a vivere in questo particolare universo che obbedisce queste particolari leggi fisiche in parte per caso, in parte perché in universi dalle proprietà molto diverse dal nostro la vita come noi la intendiamo non si sarebbe potuta sviluppare.

OS: È notoriamente difficile riuscire a testare o falsificare una teoria del multiverso. Voi cosa proponete di fare?

SD:A differenza dell’esistenza di altri pianeti, l’esistenza di altri universi è difficile da testare perché questi non sono accessibili. Tuttavia, alcuni degli stessi meccanismi, che all’interno della teoria delle stringhe danno luogo alla proliferazione degli universi, possono generare allo stesso tempo la miriade di assioni nel nostro universo: ne consegue l’axiverso, ovvero un universo popolato di assioni. È incoraggiante che una forte motivazione indipendente in favore dell’esistenza di almeno un assione venga dalla teoria delle interazioni nucleari forti. Questo “assione di QCD” [QCD è l’acronimo di Cromodinamica Quantistica, la teoria che descrive le interazioni nucleari ndr], spiegherebbe perché le leggi delle interazioni forti sono invarianti rispetto all’inversione della freccia del tempo.

OS: Quali sarebbero le conseguenze della presenza di molti assioni nel nostro universo? Quali nuovi strani fenomeni potremmo osservare?

SD: Se l’axiverso è realtà, ne derivano numerose conseguenze osservabili. Alcuni assioni ultra-leggeri potrebbero aver cambiato le proprietà dei fotoni emessi poco dopo il Big Bang e il satellite Planck, lanciato la scorsa estate, potrebbe scoprirli. Ma l’effetto più sconvolgente è la predizione che i buchi neri rotanti sarebbero instabili a causa di questi assioni, fenomeno noto come superradianza.

OS:Cosa comporta questo per la fisica dei buchi neri?

SD: Gli astrofisici si aspettano che molti buchi neri ruotino e questa ipotesi è supportata dalle osservazioni astronomiche. Se non ci fossero gli assioni, i buchi neri continuerebbero a ruotare praticamente per sempre. L’unico modo in cui possono perdere energia e rallentare è attraverso la radiazione di Hawking, ma questo succede  lentamente, su una scala temporale molto più lunga dell’età dell’universo. L’esistenza di assioni leggeri accelererebbe in maniera drammatica il processo di Hawking e il rallentamento della rotazione del buco nero.

OS:Potremmo usare questo effetto per estrarre energia dai buchi neri?

SD: Purtroppo, non disponiamo di un buco nero rotante nelle nostre vicinanze, anche se dal punto di vista della salute pubblica questo va a nostro favore. L’unica possibilità è osservare da qualche parte nel cielo un buco nero che rallenta la sua rotazione.

OS: Nel tuo articolo parli di un strano oggetto chiamato bosenova. Di cosa si tratta?

SD: La bosenova è un fenomeno già osservato in laboratorio. Recentemente, i fisici hanno imparato a creare e studiare uno stato della materia molto esotico detto condensato di Bose-Einstein. Se gli atomi impacchettati uno accanto all’altro dentro questo condensato si attraggono tra di loro, il condensato diventa instabile. Prima collassa, poi esplode, da cui il nome bosenova che richiama il concetto di supernova, cioè il collasso e la successiva esplosione di una stella. A causa della superradianza, un buco nero rotante creerebbe attorno a sé una nuvola gigante di condensato di Bose-Einstein formato dagli assioni. Una delle possibili conseguenze è l’esplosione chiamata bosenova, ma su scala astrofisica. Se è mai successo da qualche parte nell’universo, dovremmo riuscire a vederlo con i futuri rivelatori di onde gravitazionali.

OS:Che altri nuovi aspetti del nostro universo (o axiverso) ci potrebbero insegnare gli assioni?

SD: Ci mostreranno una quantità di nuovi fenomeni fisici di natura spettacolare. Un buco nero circondato da una nuvola di assioni superradianti è un sistema notevole: in poche parole, un gigantesco atomo gravitazionale nel cielo, qualcosa di mai visto prima. Dal punto di vista più concettuale, la scoperta di molti assioni sarebbe una forte conferma dell’idea di multiverso. Come ho detto, gli assioni stanno al cuore del meccanismo che in teoria delle stringhe è responsabile per la proliferazioni di universi. Gli assioni contengono informazioni sulla forma e la grandezza delle extra dimensioni predette dalla teoria delle stringhe e sulle diverse forze della natura presenti negli altri universi, ovvero i diversi fotoni che vivono negli altri universi. Dal punto di vista convenzionale non c’è nessuna buona ragione che giustifichi l’esistenza di molti assioni: non sono requisiti fisici necessari. Scoprire che esistono e che sono molti e diversi ci suggerirebbe il fatto che le leggi della fisica sono abbastanza casuali, come è del tutto naturale se viviamo all’interno di un multiverso.

OS: Esiste un’osservazione sperimentale che permetterebbe di falsificare l’ipotesi dell’axiverso?

SD: Il satellite Planck, lanciato nel 2009, misurerà entro alcuni anni la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo, che è legata alla fisica degli assioni. La polarizzazione della radiazione di fondo ci fornirà informazioni sui cosiddetti modi tensoriali delle onde gravitazionali prodotte durante il periodo di inflazione [l’inflazione è la teoria che descrive il periodo di espansione accelerata dell’universo nei suoi primissimi istanti di vita, ndr]. Se l’inflazione ha avuto luogo ad altissime energie, le onde gravitazionali prodotte in quell’epoca dovrebbero possedere una particolare caratteristica detta modo tensoriale, che influenza la polarizzazione misurata dal satellite Planck. La predizione più naturale dell’axiverso è che la scala di energia dell’inflazione è al contrario bassa e che questi modi tensoriali non verranno osservati. Viceversa, l’osservazione dei modi tensoriali falsificherà certamente il modello più semplice e secondo me più convincente dell’axiverso.