La teoria delle stringhe prevede l’esistenza di una miriade di universi possibili, ognuno governato da leggi proprie, ma due nuovi articoli teorici concludono che la maggior parte di essi non può esistere. L’ipotesi ha due interpretazioni di segno opposto: da una parte c’è chi pensa che segni la fine della teoria delle stringhe, dall’altra chi ritiene che il valore predittivo della teoria ne risulti ampliato
di Clara Moskowitz/Scientific American
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Il problema della teoria delle stringhe, secondo alcuni fisici, è che produce troppi universi. Prevede non una ma circa 10500 versioni di spazio-tempo, ciascuna con le proprie leggi della fisica. Ma con così tanti universi in gioco, come può la teoria spiegare perché il nostro ha le caratteristiche che ha?

Ora alcuni teorici suggeriscono che la maggior parte – se non tutti – di quegli universi in effetti è vietata, almeno se vogliamo che abbiano un’energia oscura stabile, la presunta forza che accelera l’espansione del cosmo. Secondo alcuni, eliminare così tanti universi possibili non è uno svantaggio, ma un importante passo avanti per la teoria delle stringhe, poiché offre nuove speranze di fare previsioni verificabili. Ma altri dicono che il multiverso è qui e ci rimarrà, e il problema scaturito da tutti quegli universi non è affatto un problema.

La questione è stata un tema caldo alla fine di giugno in Giappone, dove i teorici delle stringhe si sono riuniti per la conferenza Strings 2018. “Si tratta di qualcosa di veramente nuovo, che ha suscitato discussioni nel settore”, dice Ulf Danielsson, fisico all’Università di Uppsala, in Svezia.

Pasieka/SPL/AGF

La discussione è incentrata su un paio di articoli pubblicati sul server di preprint arXiv (1,2), che prendono di mira il cosiddetto “paesaggio” della teoria delle stringhe, il numero incomprensibile di potenziali universi che risultano dalle molte diverse soluzioni alle equazioni della teoria delle stringhe che producono gli ingredienti del nostro cosmo, compresa l’energia oscura.

La stragrande maggioranza delle soluzioni finora trovate è matematicamente incoerente, sostengono i due articoli, e non va collocata nel paesaggio, bensì nella cosiddetta “palude” di universi che in realtà non possono esistere.

E’ noto da anni che molte soluzioni devono ricadere in questa palude, ma l’idea che la maggior parte, o forse tutte, le soluzioni del paesaggio possano stare lì sarebbe un notevole cambiamento. In effetti, potrebbe essere teoricamente impossibile trovare una soluzione valida alla teoria delle stringhe che includa un’energia oscura stabile, afferma Cumrun Vafa, il fisico dell’Università di Harvard che ha guidato il lavoro descritto nei due articoli.

Persi nel multiverso

La teoria delle stringhe è un tentativo di descrivere l’intero universo con un’unica “teoria del tutto” aggiungendo ulteriori dimensioni dello spazio-tempo e pensando alle particelle come minuscoli anelli vibranti.

Molti teorici delle stringhe sostengono che è ancora la via più promettente per perseguire il sogno di Albert Einstein di unire la sua teoria della relatività generale con il conflittuale mondo microscopico della meccanica quantistica. Eppure, la nozione di un paesaggio della teoria delle stringhe che predice non un solo universo ma molti, ha scoraggiato alcuni fisici. “Se è davvero il paesaggio, a mio avviso segna la morte della teoria perché perde ogni valore predittivo”, dice il fisico dell’Università di Princeton, Paul Steinhardt, che ha collaborato a uno degli articoli più recenti. “E’ letteralmente tutto possibile”.

Per Steinhardt e altri, i nuovi problemi con l’energia oscura offrono una via d’uscita alla teoria delle stringhe . “L’immagine di un grande multiverso potrebbe essere matematicamente sbagliata”, afferma Danielsson. “Paradossalmente, questo rende le cose molto più interessanti perché significa che la teoria delle stringhe è molto più predittiva di quanto pensassimo.”

Alcuni teorici delle stringhe come Savdeep Sethi dell’Università di Chicago accolgono con favore la rivalutazione in corso. “Penso che sia eccitante”, dice. “Sull’idea del paesaggio sono stato a lungo scettico. Sono davvero felice di vedere il paradigma allontanarsi dalla convinzione che disponiamo di questo insieme di soluzioni comprovate.”

Ma non tutti accettano l’idea che il paesaggio appartenga alla palude, specialmente il gruppo di ricerca che nel 2003 ha definito una delle prime versioni del paesaggio, indicata dall’acronimo KKLT, dalle iniziali dei cognomi degli scienziati. “Penso che sia molto salutare fare congetture e controllare quali altre cose potrebbero andare avanti, ma non vedo ragioni teoriche o sperimentali per prendere molto sul serio questa”, dice il membro del KKLT Shamit Kachru della Stanford University. Ed Eva Silverstein, fisica di Stanford che ha contribuito a costruire i primi modelli del paesaggio, dubita delle argomentazioni di Vafa e colleghi. “Penso che gli ingredienti usati da KKLT e il modo in cui li mettono insieme siano perfettamente validi”, dice. Juan Maldacena, fisico teorico dell’Institute for Advanced Study, dichiara di sostenere ancora l’idea degli universi della teoria delle stringhe con energia oscura stabile.

La teoria delle stringhe produce meno universi del previsto Parker/SPL/AGF

E molti teorici sono assolutamente soddisfatti del multiverso della teoria delle stringhe. “È vero che se questa descrizione del paesaggio è corretta, la parte dell’universo in cui ci troviamo rispetto al multiverso sarà come il nostro sistema solare all’interno dell’universo”, afferma Kachru. E questa è una buona cosa, aggiunge.

Keplero in origine cercava una ragione fondamentale per cui la Terra si trova a una certa distanza dal Sole. Ma ora sappiamo che il Sole è solo uno dei miliardi di stelle nella galassia, ognuno con i suoi pianeti, e la distanza Sole-Terra è semplicemente un numero casuale e non il risultato di qualche profondo principio matematico. Allo stesso modo, se l’universo è uno dei trilioni all’interno del multiverso, i parametri specifici del nostro cosmo ugualmente casuali.

Il fatto che questi numeri sembrino perfettamente calibrati per creare un universo abitabile è un effetto di selezione: gli esseri umani si trovano naturalmente in uno degli angoli rari del multiverso dove è stato loro possibile evolversi.

L’universo che accelera

Se è vero che la teoria delle stringhe non può contenere energia oscura stabile, potrebbe essere una ragione per dubitare della teoria delle stringhe. Ma secondo Vafa è una ragione per mettere in dubbio l’energia oscura, vale a dire l’energia oscura nella sua forma più popolare, chiamata costante cosmologica.

L’idea ebbe origine nel 1917 con Einstein e fu ripresa nel 1998, quando gli astronomi scoprirono che lo spazio-tempo non solo si espande, ma che il tasso di espansione sta aumentando. La costante cosmologica sarebbe una forma di energia nel vuoto dello spazio che non cambia mai e contrasta la spinta della gravità verso l’interno. Ma non è l’unica spiegazione possibile per l’universo in accelerazione.

Un’alternativa è la “quintessenza”, un campo che pervade lo spazio-tempo e che può evolversi. “Indipendentemente dal fatto che si possa o meno realizzare un’energia oscura stabile nella teoria delle stringhe, si scopre che l’idea di avere un’energia oscura che cambia nel tempo è in realtà più naturale nella teoria delle stringhe”, dice Vafa. “Se è così, allora si può misurare questo scivolamento dell’energia oscura con le osservazioni astrofisiche attualmente in atto.”

Finora tutte le prove astrofisiche supportano l’idea della costante cosmologica, ma c’è qualche spazio di manovra nelle misurazioni. Esperimenti futuri come il telescopio spaziale Euclide in Europa, il Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA e l’Osservatorio Simons in costruzione nel deserto del Cile cercheranno indizi del fatto che l’energia oscura è stata più o meno intensa in passato rispetto al presente.

Mark Garlik/SPL/AGF

“La cosa interessante è che siamo già a un livello di sensibilità sufficiente da iniziare a mettere sotto pressione la teoria della costante cosmologica”, dice Steinhardt. “Non dobbiamo aspettare che sia in gioco la nuova tecnologia, siamo già in gioco”.

Anche chi dubita della proposta di Vafa supporta l’idea di considerare alternative alla costante cosmologica. “In realtà sono d’accordo sul fatto che un campo di energia oscura in evoluzione sia un metodo semplicissimo per costruire un’espansione accelerata”, dice Silverstein. “Ma penso che non ci sia alcuna giustificazione per fare previsioni osservative sull’energia oscura a questo punto”.

La quintessenza non è l’unica altra opzione. Sulla scia degli articoli di Vafa, Danielsson e colleghi hanno proposto un altro modo di adattare l’energia oscura alla teoria delle stringhe.

Nella loro prospettiva, il nostro universo è la superficie tridimensionale di una bolla che si espande all’interno di uno spazio di dimensioni più grandi. “La fisica all’interno di questa superficie può imitare la fisica di una costante cosmologica”, afferma Danielsson. “Questo è un modo diverso di contemplare l’energia oscura  rispetto a quello che pensavamo finora”.

Una bellissima teoria

In definitiva, il dibattito sulla teoria delle stringhe è incentrato su una domanda profonda: qual è il senso della fisica? Una buona teoria dovrebbe essere in grado di spiegare le  caratteristiche particolari dell’universo che ci circonda o è chiedere troppo? E quando una teoria è in conflitto con il modo in cui pensiamo che funzioni il nostro universo, abbandoniamo la teoria oppure le cose che pensiamo di sapere?

La teoria delle stringhe è incredibilmente attraente per molti scienziati perché è “bella”: le sue equazioni sono soddisfacenti e le sue spiegazioni proposte sono eleganti. Ma finora manca qualunque prova sperimentale a sostegno e, peggio ancora, qualsiasi ragionevole prospettiva per raccoglierle.

Eppure nemmeno il suggerimento che la teoria delle stringhe potrebbe non essere in grado di adattarsi al tipo di energia oscura che vediamo nel cosmo che ci circonda riesce a dissuadere alcuni. “La teoria delle stringhe è così ricca, bella e così corretta in quasi tutte le cose che ci vengono insegnate che è difficile credere che l’errore sia nella teoria delle stringhe e non in noi”, dice Sethi. Ma forse rincorrere la bellezza non è un buon modo per trovare la giusta teoria dell’universo. “La matematica è piena di cose incredibili e meravigliose, ma la maggior parte di esse non descrive il mondo”, ha scritto la fisica Sabine Hossenfelder dell’Institute for Advanced Study di Francoforte nel suo recente libro Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray (Basic Books, 2018).

Nonostante la divergenza di opinioni, i fisici sono un persone amichevoli e sono uniti dall’obiettivo comune di comprendere l’universo. Kachru, uno dei fondatori dell’idea del paesaggio, ha collaborato con Vafa, il critico del paesaggio, come suo tutor universitario, e i due sono ancora amici. “Una volta mi ha chiesto se avrei scommesso la mia vita sull’esistenza di quelle soluzioni di paesaggio”, dice Kachru. “La mia risposta è stata: ‘Non scommetterei la mia vita, ma la tua sì!'”