Le grandi domande della vita: Intorno a cosa sta ruotando?

Nell'ultimo articolo de L'astronomo risponde su EduINAF Antonio Maggio ha fornito una risposta relativamente a un articolo scientifico secondo cui adottare la tesi di un universo in rotazione permetterebbe di risolvere il problema noto come tensione di Hubble. La domanda del lettore non era su questo quesito tecnico, ma su una faccenda relativamente più "semplice". In redazione, però, nel corso della discussione intorno a quella domanda, l'amico Marco Castellani si è posto una domanda interessante (che reinterpreto: non mi metto a cercarla tra le vecchie e-mail!): ammesso che l'universo effettivamente stia ruotando, intorno a cosa ruota?

Le stelle di Planck

Immagine generata con NightCafe

Un buco nero è un ogggetto singolare, almeno per come viene raccontato generalmente. Al suo interno, infatti, si troverebbe una singolarità spaziotemporale, ovvero, come le singolarità in matematica, un punto di divergenza. Questo fatto, a dispetto di quel che si potrebbe credere, da molto fastidio a noi teorici e ci sono stati diversi tentativi per risolvere la questione. Uno dei più interessanti è sicuramente la cosiddetta stella di Planck, un oggetto cosmico (o forse sarebbe più corretto dire cosmologico) proposto nel 2014 da Carlo Rovelli e Francesca Vidotto.

Un approccio fenomenologico all'energia oscura?

Il moto migliore per capire cos'è la fenomenologia in fisica è fare un esempio legato al modello standard. Uno degli esempi più semplici è lo sviluppo e l'applicazione di metodi di simulazione Montecarlo per compiere previsioni sui risultati degli esperimenti negli accelleratori di particelle. Una cosa di questo genere l'ho provata sul campo nel corso di laurea in fisica, in particolare nell'ultimo anno, quando nell'ultimo corso di fisica sperimentale che avevo (non c'erano a disposizione molti corsi teorici, per cui mi sono dovuto accontentare), ci hanno proposto di sviluppare un algoritmo in Fortran (se non ricordo male) per simulare il comportamento dei tubi scintillatori che sarebbero stati utilizzati per ATLAS (e che erano in costruzione presso il dipartimento di fisica dell'Università della Calabria).
Dato questo esempio, si potrebbe ridurre la fenomenologia, almeno in fisica, a quell'insieme di tecniche matematiche e soprattutto algoritmiche utilizzate per compiere previsioni sui risultati più probabili negli esperimenti, e questo perché fondamentalmente si parte dalla fisica nota. Generalmente tale approccio è utile anche per capire direzioni di indagine per la cosiddetta fisica oltre il modello standard.

Assioni e materia oscura

Mi ero già occupato di assioni alcuni anni fa, all'epoca in cui Science Backstage era ospitato su Blogosfere. In quel post recuperato in questa sede, raccontavo brevemente come si è giunti alla formulazione teorica dietro la proposta degli assioni, delle particelle per ora teoriche. La loro introduzione, scrivevo, risaliva al 1977 quando Roberto Peccei e Helen Quinn proposero una soluzione alla questione della mancata osservazione di un momento di dipolo elettrico nel neutrone dovuto a una violazione della simmetria CP (dove C sta per coniugazione di carica, ovvero scambio di particella con antiparticella; e P per parità, ovvero inversione delle coordinate spaziali). La loro proposta introduceva la rottura spontanea della simmetria e, soprattutto, suggeriva di trattare il termine legato a essa come una vera e propria particella (un po' come accade nel meccanismo di Higgs et al.), che venne successivamente chiamata assione da Frank Wilczek.
Inevitabilmente l'assione, inrovabile negli acceleratori di particelle sul nostro pianeta, è diventato oggetto di interesse per astronomi e cosmologi visto che poteva essere un possibile candidato per la materia oscura. E i due pre-print recentemente pubblicati su arXiv che vi propongo in questo post vanno proprio in quella direzione:

Gravitational Signatures of Axion Dark Matter via Parity-Violating Interactions | Axions as Dark Matter, Dark Energy, and Dark Radiation

In apertura: Una presunta mappa della distribuzione della materia oscura - da "The weak-lensing masses of filaments between luminous red galaxies"

L'amplituedro e la cosmologia

Lo strumento matematico più potente sviluppato in fisica delle particelle per studiare le interazioni è il calcolo dello scattering, in termini meno tecnici la sezione d'urto. Nella visualizzazione delle interazioni introdotta dai diagrammi di Feynman, possiamo vedere un'interazione con un diagramma tipo quello qui sotto:

A sinistra ci sono le particelle che stanno per interagire una con l'altra, a destra i risultati dell'interazione, nel centro, nel cerchio grigio, l'interazione vera e propria. Il calcolo della sezione d'urto ci dice quale è la probabilità di avere certe particelle in uscita al posto di altre e quale velocità dovrebbero possedere. In base al tipo di interazione che avviene nella zona grigia, le probabilità di avere certi risultati piuttosto che altri risultano differenti e questo aiuta a capire, quindi, quali interazioni sono intercorse tra le particelle che hanno "urtato".
I diagrammi di Feynman sono risultati uno strumento estremamente utile per il calcolo delle sezioni d'urto, grazie a due vantaggi (che ho anche raccontato in altre occasioni). Innanzitutto per via della loro rappresentazione visuale delle interazioni. E poi perché le regole di Feynman, che si sono dimostrate compatibili con il modo usuale di eseguire i calcoli fino all'introduzione dei diagrammi, permettono di associare a ciascun elemento del diagramma un "pezzo" di matematica che poi effettivamente utilizzeremo per eseguire il calcolo.

Scienza take away #10: maggio-giugno 2025

E torna puntuale il Carnevale della Matematica con la sua edizione #188 ospitata, questo mese, da Maurizio Codogno. E come ormai da un annetto a questa parte in concomitanza con l'uscita del Carnevale ecco arrivare anche la nuova edizione di Scienza take away, il link post che raccoglie tutti i miei post a tema scientifico, ma non matematico, pubblicati nel mese precedente.
Nell'immagine di apertura di questo mese, tra l'altro, vedete i tre numeri di Topolino, dal #3627 al #3629, su cui è stata pubblicata la saga L'effetto omega di Alessandro Pastrovicchio, cui sto dedicando una serie di post e video. La scelta è caduta su questa apertura essenzialmente perché sono stato citato nell'editoriale del direttore Alex Bertani del #3627! E con questo primo link entriamo nel vivo di Scienza take away!

Dalle quasar a Fermat passando per Schrodinger

Facciamo un'altra capatina tra gli abstract di articoli e preprint recenti. Mi sono concentrato esclusivamente su arXiv cercando tra gli ultimi articoli di alcune categorie specifiche. Iniziamo con un articolo di genere astrofisico in cui gli autori, considerando un po' tutte le novità che ci sono state negli ultimi periodi, si chiedono se i quasar sono ancora delle buone candele standard per la rilevazione delle distanze nell'universo. Trovo, in questo senso, significativo questo passo dell'abstract (il grassetto è mio):

(...) tutte le inconsistenze annunciate sorgerebbero naturalmente da una qualche limitazione del modello cosmologico adottato per l'analisi dei dati, ovvero dalla nostra ignoranza sul vero modello cosmologico.

Chi ha bisogno dell'energia oscura?

E così, quasi in "risposta" a qualche post fa, la Royal Astronomical Society pubblica una news dal titolo abbastanza esplicito: Dark energy 'doesn’t exist' so can't be pushing 'lumpy' Universe apart, che fa riferimento all'articolo Supernovae evidence for foundational change to cosmological models.
Come evidenzia il titolo del paper, la conclusione più forte del gruppo di ricerca è relativa alla necessità di modificare i modelli cosmologici e si aggiunge a quanto già emerso dai dati presi dal James Webb Space Telescope. La cosa più interessante del modello proposto, il modello timescape, la fuga nel tempo, è che per spiegare le osservazioni che hanno sempre suggerito l'esistenza dell'energia oscura, non ha bisogno di quest'ultima, ma l'unico ingredeinte utilizzato è come la gravità modifica le distanze e, soprattutto, i tempi.

Una dimensione oscura

Non so se il team di fisici teorici Miguel Montero, Cumrun Vafa e Irene Valenzuela sia costituito da appassionati lettori di Stephen King, ma è altamente probabile, visto che la loro proposta teorica relativa alla materia oscura è infarcita di immagini che sembrano uscire proprio da una saga di King, iniziando proprio dal titolo del'articolo, The Dark Dimension and the Swampland, che si potrebbe rendere come La Dimensione Oscura e la Terra delle Paludi, quasi un romanzo o un racconto ambientato nella saga de La Torre Nera di King. E in effetti proprio l'immagine della Dark Tower viene evocata nell'articolo di Quanta Magazine in cui questa proposta viene raccontata.
In breve i tre fisici teorici, prendendo spunto dalla teoria delle stringhe, suggeriscono che la materia oscura, l'elusiva materia oscura si nasconda in una dimensione (relativamente) grande. L'idea viene ripescata da Quanta Magazine proprio mentre la previsione delle dimensioni extra (oltre la 4.a) è messa in grande discussione, e io stesso la utilizzo come semplice introduzione a questo link post scientifico dedicato proprio alla materia oscura.
L'altro giorno, infatti, mentre mi apprestavo a usare Google Scholar alla ricerca di qualcosa di interessante su Babbo Natale (e, come spero avete letto, l'ho trovata), il motore di ricerca accademico mi ha suggerito una lunga serie di articoli recenti, per lo più preprint su arXiv, molti dei quali dedicati proprio alla materia oscura. La prima osservazione che ho fatto tra me e me su questa mole di lavori è come le osservazioni del James Webb Space Telescope che hanno insinuato non pochi dubbi sull'esistenza della materia e dell'energia oscure nell'universo, non hanno però bloccato le proposte teoriche. Per contro, però, proprio le osservazioni del JWST in un certo senso hanno ridato una spinta anche a versioni di materia oscura vicine all'essere scartate, questo perché è altamente probabile che le MOND non siano comunque sufficienti per spiegare tutte le osservazioni.

La non esistenza di un modello cosmologico standard

La mia posizione sembrerà quella del classico fisico delle particelle elementari, in questo caso persino teorico, ma ho sempre pensato che l'idea di un modello cosmologico standard derivasse soprattutto dall'esistenza di un modello standard delle particelle elementari cui fare da contr'altare. E se già quest'ultimo non viene comunque considerato come inamovibile, è abbastanza stupefacente lo... stupore che si legge in giro sugli ultimi risultati del James Webb Space Telescope su questo argomento:

Un nuovo modo di vedere l'universo

E' un po' come essere tornati ai bei tempi del twittero quando l'ispirazione dei post mi veniva dai suggerimenti diretti o dallo spuntare improvviso di tweet nella timeline. Questa volta tutto nasce sul gruppo @astronomia su feddit.it grazie a una condivisione di @informapirata che segnala un articolo uscito su Wired, Una nuova teoria della gravità elimina la materia oscura. All'interno si racconta di un papero (nome colloquiale per indicare un preprint) appena uscito su arXiv, Anomalous contribution to galactic rotation curves due to stochastic spacetime in cui Jonathan Oppenheim, con la collaborazione di Andrea Russo, porta a compimento un lavoro iniziato 6 anni fa e che, come scritto nel preprint di cui sopra, era iniziato per cercare un modo di conciliare la meccanica quantistica con la relatività.

Al centro della Via Lattea

Era l'8 settembre del 1966 quando il primo episodio ufficiale di Star Trek, The Man Trap, Trappola umana, veniva messo in onda dalla NBC. Dopo i 55 anni da quella prima puntata festeggiati con lo Star Trek Day dell'anno scorso, anche in questo 2022 dedico un video alla fisica di Star Trek. In questa occasione, però, mi lascio ispirare dalla serie animata, che ha proseguito le vicende della serie classica a partire dal 1973 e fino al 1974 per un totale di 22 episodi.

Gli abissi del tempo

In questo periodo, spesso, mi trovo sul tram ad ascoltare musica. Utilizzo la app NewPipe (potete trovarla su F-Droid), che permette di ascoltare la musica su YouTube senza l'interruzzione degli ads automatici di Goole. Per alcune caratteristiche particolari della app, preferisco cancellare periodicamente la cronologia (la salva sul dispositivo) per non ingozzare troppo lo smartphone e trovarmi con lo spazio occupato da svuotare d'urgenza prima di girare il prossimo video. E in questi giorni l'album eletto a essere quello da ascoltare è Omega, l'ottavo album in studio degli Epica.
Uscito nel 2021, ne ho già scritto un paio di righe relativamente a Code of life. Ad ogni buon conto, mentre lo riascoltavo, giusto stamattina facevo una considerazione in qualche modo discutibile. Ma fino a un certo punto, visto lo stile di scrittura dei Draconian, già protagonisti delle particelle musicali. Ovvero che in questi tempi moderni molti dei principali autori di Metal, in particolare symphonic metal, e più in generale gli "scrittori" di concept album, stanno arricchendo il discorso filosofico in modi assolutamente unici rispetto alle epoche precedenti.
Ho voluto allargare il discorso ai concept album essenzialmente per inserire anche Arjen Anthony Lucassen, che è spesso protagonista, ultimamente, di questa serie grazie agli Ayreon. Ovviamente Lucassen non è l'unico che veicola la sua visione del mondo attraverso la filosofia. In questo senso forse uno dei più filosofici, ma anche tra i più poetici autori metal del momento è Tuomas Holopainen, leader dei Nightwish, la band con cui il symphonic ebbe inizio (la storia è più complessa di così, ma concedetemi l'esagerazione in questa occasione!).
Come produzione di testi poetici e filosofici, però, non ci scherzano nemmeno Simone Simons e Mark Jansen, i due leader degli Epica, tornando così proprio a Omega, da cui questo pensiero era partito.

Solo tu puoi decidere

Riprendiamo il nostro percorso attraverso Into the electric castle, terzo album degli Ayreon, il progetto musicale di Arjen Anthony Lucassen. Con questo concept album Lucassen passa a un livello di scrittura molto più complesso e raffinato, non solo musicalmente, come abbiamo già visto nelle due puntate precedenti, ma anche narrativo. Con la quinta traccia, The decision tree (we're alive), i personaggi debbono decidere del loro destino

Ah, my friends! So light of foot. So swift. You have come this far. And now - here beneath the
ancient, omniscient boughs of the Decision Tree - one of you must depart this world of flesh.
Only seven may continue. Only you can decide...

Il titolo viene preso in "prestito", non so quanto consapevolmente, dal così detto albero delle decisioni, un particolare diagramma di flusso che viene utilizzato come supporto per prendere decisioni. E' uno strumento utilizzato per valutare le possibili conseguenze di determinate scelte. In altri termini è un modo per visualizzare un algoritmo costituito esclusivamente da istruzioni di tipo condizionale (cose del tipo se... allora...).

Benvenuti in una nuova dimensione

E così arriviamo al 31 ottobre del 1998, data di uscita del terzo album degli Ayreon, Into the electric Castle. Dopo Actual Fantasy Arjen Anthony Lucassen torna a scrivere un concept album come sottolineato anche dal sottotitolo dell'album, A space opera.
La storia, ambientata nell'universo narrativo creato in The final experiment, vede otto anime che vengono accolte da una voce distaccata, quasi metallica, in un luogo senza tempo e senza spazio.
Già qui si potrebbe discutere se la dicitura è un modo poetico di indicare il mondo dove sostano le anime prima di incarnarsi o, semplicemente, la situazione in cui si trovava l'universo prima dell'espansione causata dal Big Bang. In effetti, secondo la gravitazione a loop in quello stato non esiste alcuna distinzione, almeno glibalmente, tra le usuali dimensioni spaziali e quella temporale. Può succedere che localmente il tempo punti in una direzione, mentre giusto a poche lunghezze di Planck da lì ci sia una zona dove il tempo punti nella direzione che lì accanto coincide con la direzione \(x\). Il punto centrale è che, fino a che non inizia l'espansione, non ha alcun senso parlare di un tempo nell'universo. E', ovviamente, discutibile se abbia senso parlarne anche oggi, di un tempo globale nell'universo, ma al momento quel che sembra è che sia proprio così.
Torniamo, però, ai nostri otto protagonisti. Dopo una breve introduzione, la voce che si definisce the vocal manifestation of your eternal dreams affida loro un compito: raggiungere un castello elettrico:

Antropico Weinberg

Steven Weinberg - via commons

Ho scoperto piuttosto tardi della scomparsa di Steven Weinberg, avvenuta il 23 luglio di quest'anno. Aveva vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1979 insieme con Sheldon Lee Glashow e Abdus Salam

per il loro contributo alla teoria sull'unificazione delle interazioni debole ed elettromagnetica delle particelle elementari, inclusa, tra le altre, la predizione della corrente neutra debole.

In questo articolo di Nima Arkani-Hamed su Quanta Magazine viene citato il suo contributo alla discussione sulla costante cosmologica e al principio antropico.
Una delle domande più scomode in comsologia al momento è come mai esistiamo. Non è così scontato che l'universo debba necessariamente essere ospitale per la vita. Ciò che stupisce è che le costanti fondamentali del nostro universo sono quelle giuste per rendere statisticamente probabile che, da qualche parte nel cosmo, ci siano le condizioni per avere un pianeta con della vita che vi scorrazza sopra. Piccole variazioni in una sola di queste costanti e questa probabilità diventa anche significativamente più bassa. Per spiegare questa coincidenza è stato proposto negli scorsi decenni il principio antropico, formulato in varie versioni, alcune più forti, altre più deboli.

Orizzonte demoniaco

Disponibile fino a un paio di mesi fa, Event Horizon. Punto di non ritorno è ormai da considerarsi come un classico della fantascienza horror. Diretto da Paul William Scott Anderson, ha per protagonista Sam Neill, quello di Jurassic Park (ma non solo!), che interpreta il dottor William Weir, che ha progettato il motore che muove la Event Horizon, una gigantesca astronave che si era perduta nel cosmo e che è improvvisamente ricomparsa dopo 7 anni, nel 2047, nei pressi di Nettuno. A investigare sulla faccenda viene inviata la Lewis and Clark, il cui equipaggio è guidato dal capitano Miller, un sempre ottimo Laurence Fishburne, e ha come ospite proprio Weir in qualità di consulente. Tra i protagonisti si conta anche Joely Richardson (che ho anche recentemente visto ne Il colore venuto dallo spazio di Richard Stanley) il cui personaggio, il tenente Starck, riveste un ruolo importante nello sviluppo della trama.
Il punto centrale del film è, effettivamente, il motore della Event Horizon, che viene "venduto" da Weir come un vero e proprio buco nero artificiale. La sua attivazione, secondo quanto ricostruito dai diari di bordo e dalle informazioni fornite da Weir, potrebbe aver portato l'astronave in un'altra dimensione, un universo parallelo diabolico e deviato da cui ha trasportato nel nostro un'entità malvagia e diabolica. Con tutte le conseguenze del caso per l'equipaggio della Lewis and Clark.

Fino alla fine del tempo

Ho scoperto i Magic Opera grazie a Leonardo Petrillo, che tempo addietro avevo introdotto nel mondo del metal, in particolare il power metal. In particolare la band italiana si inserisce nel filone del symphonic power metal dove abbiamo un'altra band di un certo spessore, i Rhapsody of Fire. E in effetti The golden pentacle, album di debutto della band di Marco Garau è un concept album di genere fantasy. Ambientato in un reame fantastico, il regno di Amtork, ruota intorno all'eterna lotta tra bene e male, tra pace e armonia da un lato, avidità e distruzione dall'altro.
I Magic Opera, però, non si limitano al semplice compito dello sviluppo di un album di genere puro e semplice, ma inseriscono anche elementi di death metal in alcuni dei pezzi del sommario, aggiungendo una dinamicità dovuta al dialogo tra i due stili musicali distinti. Da amante di entrambi i generi, non posso che apprezzare la scelta, ma non sono qui semplicemente per raccontarvi l'album (che comunque vi invito a sostenere, anche perché ci sono diverse chicche musicali molto interessanti), ma per prendere spunto dalla traccia conclusiva, Until the end of time, titolo utilizzato da diversi musicisti in generi completamente differenti. Come immaginabile dai miei lettori usuali, in questo caso andrò a soffermarmi proprio sul titolo e sulle sue implicazioni scientifiche.

Frecce del tempo

Tra gli articoli che avevo da parte da un bel pò, c'è questa cartelletta contenente un trittico dedicato al concetto della freccia del tempo.

Sono in ritardo!

Cos'è il tempo, che ci fa spesso arrivare in ritardo, soprattutto se non riusciamo a sincronizzare il nostro orologio interno con gli impegni che di solito prendiamo in carico?
Una definizione interessante è quella fornita dal chimico Ilya Prigogine, per cui il tempo è in un certo senso una manifestazione dell'entropia.
Questo modo di vedere il tempo implica l'esistenza di una freccia del tempo che si dice termodinamica. Eppure è possibile determinare frecce del tempo differenti. Ad esempio un trittico di fisici teorici hanno proposto un punto di vista che mostra come anche la forza di gravità stessa fa emergere una freccia del tempo all'interno dell'universo⁽¹⁾.

Orologiai relativistici

Tra i miei piuttosto nascosti appunti di scrivere di questo o di quell'articolo, c'era anche infilato da qualche parte una serie di link relativi a

Delva, P., Lodewyck, J., Bilicki, S., Bookjans, E., Vallet, G., Le Targat, R., ... & Lopez, O. (2017). Test of special relativity using a fiber network of optical clocks. Physical review letters, 118(22), 221102. doi:10.1103/PhysRevLett.118.221102 (arXiv)

Non voglio dilungarmi più di tanto, ma semplicemente riassumere un paio di concetti. Partiamo dalla relatività speciale: una delle sue assunzioni fondamentali è che le leggi della fisica debbono essere valide in tutti i sistemi di riferimento (invarianza di Lorentz). Sono molti gli esperimenti che hanno verificato tale principio e quello cui fa riferimento l'articolo linkato qui sopra è un test che utilizza una rete di orologi ottici utilizzati per misurare con la massima precisione la dilatazione del tempo. In particolare gli orologi sono stati posti in Francia, presso l'Osservatorio di Parigi, in Germania, presso il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (l'istituto di metrologia) a Braunschweig, e in Gran Bretagna, presso il National Physical Laboratory a Teddington.
E i risultati non hanno prodotto alcuna discrepanza significativa dal principio di Lorentz.
La faccenda la si potrebbe anche chiudere qui, allora, almeno fino a che non si ottengono alcune osservazioni particolari che innanzitutto suggeriscono che il tasso di espansione dell'universo non è esattamente uguale in tutte le direzioni, il che lascerebbe intendere che l'universo non è così isotropo come si vuol credere e che a una scala piuttosto grande il principio di Lorentz potrebbe non essere più tale. La cosa, però, è ancora tutta da verificare.

Migkas, K., Schellenberger, G., Reiprich, T. H., Pacaud, F., Ramos-Ceja, M. E., & Lovisari, L. (2020). Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation. Astronomy & Astrophysics, 636, A15. 10.1051/0004-6361/201936602 (arXiv)