La fisica del 2018, tra dubbi e scoperte (Natalie Wolchover)

Tra particelle elementari e ottetti. La fisica matematica Cohl Furey

Cosmologia, fisica e astronomia stanno attraversando un periodo di particolare vitalità, tra la confusione legata alla messa in discussione di teorie ritenute consolidate o promettenti e la grande apertura a nuovi scenari dovuta a risultati inaspettati.

Dieci anni fa era praticamente una verità sacrosanta tra i fisici che l'universo fosse iniziato con un'improvvisa espansione dello spazio nota come inflazione cosmica.

Inoltre, i fisici credevano che la materia oscura del cosmo fosse costituita da nuvole invisibili di particelle inerti e pesanti, soprannominate WIMP, e che le leggi della natura rispettassero la supersimmetria, un ordinato rispecchiamento della materia e delle forze.

Tutto quello che era rimasto da fare era raccogliere le prove di queste soluzioni ad alcuni dei più grandi misteri dell'universo.

Quelle prove non sono mai arrivate. Oggi, la storia dell'origine del cosmo è messa in dubbio, l'identità della materia oscura è aperta a ogni ipotesi e la supersimmetria è tutt'altro che scontata, lasciando delle lacune nelle nostre leggi della natura.

Se a questo si aggiunge il mistero dell'energia oscura, i paradossi dei buchi neri e le bizzarrie quantistiche, è chiaro che il campo della fisica fondamentale sta vivendo un periodo sia di confusione sia di tonificante apertura a nuove idee.

Quest'anno non ha portato indizi significativi o risposte ad alcuni dei misteri fondamentali della fisica. Anzi, quei misteri si fanno sempre più fitti. Al contrario, i fisici della materia condensata, che studiano gli esotici comportamenti emergenti di un gran numero di particelle, e gli astronomi, armati di potenti nuovi telescopi, stanno letteralmente nuotando nei dati e nelle scoperte.

Perché il rompicapo del buco nero di Stephen Hawking continua a sconcertare

Il celebre fisico britannico Stephen Hawking è morto il 14 marzo scorso all'età di 76 anni. Hawking amava scommettere con i colleghi su questioni cruciali della fisica teorica. Nel 1991, scommise che l’informazione che cade in un buco nero viene distrutta senza poter essere più recuperata.

Hawking ha perso la scommessa; i fisici ora credono che l'informazione sfugga in qualche modo ai buchi neri. Ma il modo in cui ne esce – una questione sollevata dalla scoperta di Hawking della radiazione di un buco nero – è diventato un importante volano della ricerca in fisica fondamentale. Un approccio sempre più popolare è stato studiare la questione trattando i buchi neri come ologrammi.

Il sussurro delle prime stelle alimenta il dibattito sulla materia oscura

A marzo, alcuni scienziati hanno riferito che un gruppo di piccole antenne radio nell'entroterra australiano, l'esperimento EDGES, ha rilevato una banda di assorbimento spettrale proveniente dalle prime stelle.

L'intensità del segnale, che indica quanta luce era assorbita da quelle stelle, era sorprendentemente forte, suggerendo che il cosmo primordiale fosse significativamente più freddo di quanto si pensasse. Un cosmologo ha ipotizzato che il vorticoso gas di quell’epoca avrebbe potuto essere raffreddato da interazioni con un tipo di materia oscura non standard, ma questa idea non ha retto alla prova del fatti. Vale la pena tenere d'occhio i prossimi studi sul presunto segnale dell'alba cosmica.

L'orbita straordinaria di un nuovo mondo punta al Pianeta Nove

Gli astronomi discutono da diversi anni sull'esistenza di un pianeta gigantesco oltre l'orbita di Nettuno. A maggio è stato individuato un altro corpo roccioso, più piccolo, che ha aggiunto prove indiziarie al caso del "Pianeta Nove". Per quanto riguarda trovarlo, però, il potenziale nono pianeta potrebbe essere essenzialmente invisibile agli osservatori attuali.

Andando ben oltre il nostro sistema solare, nello scorso aprile la pubblicazione di misurazioni dettagliate di oltre un miliardo di stelle della Via Lattea da parte del telescopio spaziale Gaia ha stimolato una nuova comprensione di come la nostra galassia si è formata ed evoluta. Gli astronomi hanno identificato popolazioni anomale di stelle che sembrano conservare il ricordo di un'antichissima collisione tra la giovane Via Lattea e una galassia nana. "Ci sono detriti dappertutto", ha spiegato Vasily Belokurov dell'Università di Cambridge.

La matematica particolare che potrebbe essere alla base delle leggi della natura

Mentre i ricercatori si scervellano sull'insieme apparentemente casuale di particelle elementari e forze, nuove scoperte alimentano il vecchio sospetto che questi ingredienti scaturiscano dalla logica di strani numeri in otto parti chiamati "ottetti". La fisica matematica Cohl Furey ha trovato alcuni intriganti nuovi collegamenti tra particelle elementari e ottetti, ma resta da vedere se porteranno a una svolta o a un vicolo cieco.

L'energia oscura potrebbe essere incompatibile con la teoria delle stringhe

A partire dall'estate scorsa, i fisici hanno discusso un'ipotesi che sembra mettere il nostro universo in contrasto con la teoria delle stringhe.

L'ipotesi afferma che mentre l'universo si espande, la densità di energia nel vuoto dello spazio deve diminuire più velocemente di un certo tasso. La regola sembra valere in tutti i modelli semplici di universi basati sulla teoria delle stringhe, il che suggerisce che potrebbe valere in tutto il "paesaggio" di possibili universi che la teoria consente.

Ma la regola viola due diffuse convinzioni sull'universo attuale: considera impossibile sia l'immagine standard dell'espansione attuale del cosmo, dominata dall'energia oscura, sia il modello principale della sua nascita esplosiva, la teoria nota come inflazione cosmica.

L'ipotesi ha causato confusione, ma "anche, ovviamente, enorme eccitazione", ha detto il fisico Timm Wrase, perché "ha molte implicazioni di grande portata per la cosmologia".

Perché il modello a molti mondi ha molti problemi

Quest'anno, il secolare dibattito sul significato della meccanica quantistica è stato riacceso da diversi esperimenti, reali e mentali, che contribuiscono alla discussione sulla realtà in un universo probabilistico.

L'articolo di "Quanta" più commentato del 2018 è stato una revisione critica della sempre più popolare "interpretazione dei molti mondi", che ipotizza l'esistenza di un numero quasi infinito di universi che riproducono in parallelo tutte le possibili realtà consentite dalla meccanica quantistica. L'autore, il giornalista Philip Ball, ha definito i problemi che scaturiscono da questa idea "soverchianti".

Per quanto riguarda i risultati da osservare nei prossimi anni, i fisici della materia condensata hanno trovato segni di un limite fondamentale di velocità in materiali quantistici e hanno riflettuto sulle atmosfere quantistiche recentemente proposte. L'esperimento MiniBooNE ha riportato possibili prove di un quarto tipo di neutrino, che, se verificato, rivoluzionerebbe la fisica.

L'originale di questo articolo è stato pubblicato il 21 dicembre 2018 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. La traduzione e l'editing sono stati curati da “Le Scienze”, dal cui sito ho ripreso il testo. (S.L.L.)