Esistono Dimensioni Nascoste nell'Universo? Parte 3: La Torre del Gravitone

Stati Uniti - Agenzia stampa Ekhbary

Esistono Dimensioni Nascoste nell'Universo? Parte 3: La Torre del Gravitone

Nel terzo capitolo della nostra esplorazione delle frontiere della fisica teorica, ci addentriamo in uno dei concetti più intriganti della cosmologia moderna: le grandi dimensioni extra. Dopo le idee fondamentali presentate nelle Parti 1 e 2, questo articolo introduce il fenomeno della "Torre del Gravitone", un concetto che potrebbe detenere la chiave per la nostra comprensione della gravità e dell'universo più ampio.

Per afferrare questa idea complessa, utilizziamo un'analogia semplice e tangibile. Immaginate di prendere un foglio di carta e di arrotolarlo strettamente in un cilindro. La lunga lunghezza di questo tubo rappresenta le nostre dimensioni familiari e quotidiane – le tre dimensioni spaziali in cui il cosmo si svolge come lo percepiamo. Il lato arrotolato, invece, rappresenta una dimensione extra. Questa dimensione potrebbe essere piuttosto grande per gli standard della fisica delle particelle, forse estesa quanto un millimetro. Ai fini della nostra discussione, ciò è considerato una dimensione colossale.

Ora, immaginate di inviare una particella – usiamo un fotone, una particella di luce senza massa – lungo la lunghezza di questo tubo di carta. Se l'universo fosse confinato a una singola dimensione, il fotone viaggerebbe lungo la sua lunghezza alla velocità della luce, come fanno tipicamente i fotoni. Tuttavia, cosa succederebbe se questo fotone avesse accesso alla dimensione extra? Se potesse interagire con questa dimensione arrotolata e attraversarla, il suo percorso sarebbe molto più complesso di una semplice linea retta. Invece di muoversi solo lungo la lunghezza, spirallerebbe anche attorno alla dimensione extra. Sebbene la sua velocità rimanga quella della luce, il suo movimento complessivo includerebbe ora questa dimensione nascosta ed extra.

Dalla nostra prospettiva, confinati nelle dimensioni familiari, queste dimensioni extra sono così strettamente arrotolate – forse siete eccezionalmente abili nell'arrotolare la carta – che non possiamo percepire il movimento completo a spirale del fotone. Osserviamo solo il suo movimento lungo la lunghezza principale. Di conseguenza, ci apparirebbe che il fotone viaggiasse a una velocità inferiore a quella della luce, poiché una parte del suo moto è effettivamente "nascosta" in dimensioni che non possiamo percepire direttamente. Questa osservazione porta a una deduzione cruciale: qualsiasi particella che sembri viaggiare più lentamente della luce deve possedere massa. Pertanto, se i fotoni potessero accedere a queste dimensioni extra, si comporterebbero come particelle ordinarie e massicce. Tuttavia, poiché i fotoni sono osservati essere senza massa, concludiamo che non possono accedere a queste dimensioni extra.

Ma cosa dire della gravità? La forza che governa la struttura su larga scala dell'universo rimane uno dei più grandi enigmi della fisica. Sebbene non disponiamo ancora di una teoria quantistica completa della gravità, i fisici sospettano fortemente che la forza gravitazionale sia mediata da una particella senza massa nota come gravitone. Qui risiede un affascinante paradosso: se il gravitone dovesse "trapelare" in queste dimensioni extra, potrebbe non apparire più senza massa ai nostri occhi. A causa della geometria specifica di queste dimensioni arrotolate, potrebbe sembrare che abbia massa dal nostro punto di vista limitato.

È qui che entra in gioco la meccanica quantica, come deve accadere quando consideriamo idee così profonde. La meccanica quantica postula che ogni particella possieda un'onda associata. Nella lunga dimensione della nostra analogia del tubo di carta – che rappresenta le dimensioni ordinarie della realtà – il gravitone potrebbe teoricamente avere qualsiasi lunghezza d'onda desideri; non ci sono restrizioni intrinseche. Tuttavia, all'interno della dimensione compatta e arrotolata, le lunghezze d'onda devono "adattarsi". Ciò significa che solo lunghezze d'onda specifiche e discrete sono permesse: una lunghezza d'onda intera, due, tre e così via, proprio come le note musicali si adattano alla lunghezza di una corda.

L'atto di compattare una delle dimensioni dell'universo impone un effetto quantico su qualsiasi particella in grado di accedervi. Questo intrigante effetto fa sì che una singola particella senza massa, che altrimenti viaggerebbe liberamente attraverso tutte le dimensioni, si divida effettivamente in uno spettro di diverse particelle massive. Ciascuna di queste nuove particelle corrisponde a una lunghezza d'onda permessa che può adattarsi alla dimensione arrotolata, analoga alle diverse note prodotte da una corda di chitarra. (Nota: questa analogia è usata puramente a scopo illustrativo e non implica un collegamento diretto con la teoria delle stringhe stessa.)

Le implicazioni sono sbalorditive: non solo poche particelle, ma potenzialmente un numero infinito di particelle, ognuna con una lunghezza d'onda e una massa uniche. Sebbene la particella originale rimanga un'entità singola e senza massa, la nostra prospettiva limitata – incapace di seguirne la traiettoria completa attraverso le dimensioni extra – ci porta a percepire una serie di particelle massive. Questo fenomeno è noto come "Torre del Gravitone", o talvolta "Torre di Kaluza-Klein", o semplicemente "la torre" se si ha fretta.

Fondamentalmente, il concetto di Torre del Gravitone ci fornisce uno strumento potenziale per sondare queste dimensioni nascoste. Sebbene potremmo non essere in grado di osservarle direttamente – rimaniamo come formiche sul pavimento, osservando solo una frazione del grande disegno – questi "gravitoni extra" possono ora esistere come particelle tangibili. Possiedono massa, interagiscono su un raggio specifico, esibiscono velocità e hanno durate di vita misurabili, mostrando proprietà nella nostra realtà osservabile. Soprattutto, questi gravitoni possono "sfuggire" nelle dimensioni extra, proprio come si immagina un cattivo che scompare in un cliché della fantascienza. Nel momento in cui pensiamo di aver messo all'angolo l'antagonista, questo svanisce in un'altra dimensione.

Per chiarezza terminologica, influenzati da quadri teorici come la teoria delle stringhe, il nostro universo familiare è spesso indicato come "brane" (simile a una membrana), mentre le dimensioni extra sono concettualizzate come lo "spazio" o "bulk" circostante.

La Torre del Gravitone offre un percorso convincente, sebbene indiretto, per testare sperimentalmente le teorie della gravità quantistica e cercare prove dell'esistenza di dimensioni extra. Queste particelle massive apparentemente disparate, nate da una singola entità senza massa, potrebbero essere la firma osservabile che cerchiamo per svelare i misteri più profondi dell'universo.

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