Provate a immaginare un palazzo con una stanza segreta: l'ambientazione ideale per un mistero. Adesso immaginate che la stanza sia molto più grande del palazzo e che contenga altri palazzi. È l'esempio che più si avvicina alla nuova teoria sull'Universo postulata da molti scienziati. I fisici pensano che la natura potrebbe celare delle dimensioni ulteriori, non visive o sonore bensì spaziali. Se così fosse, l'Universo conosciuto potrebbe essere solo uno dei tanti "palazzi" che si trovano all'interno della stanza segreta, cioè le dimensioni nascoste dello spazio. Oltre ad evocare fantasie fantascientifiche sull'esistenza di universi paralleli, questa nuova visione dello spazio offre possibili soluzioni a diversi problemi cosmici.

In una raffica di pubblicazioni, frutto di recenti ricerche, i fisici hanno esplorato le dimensioni nascoste alla ricerca di indizi sulla natura della gravità, sull'origine dell'Universo e sull'identità di questa misteriosa "materia oscura", non rilevabile, che pensano si celi in tutto il cosmo. Le reazioni all'idea delle dimensioni nascoste vanno dallo scetticismo all'entusiasmo. Il Dott. Kolb dice: "Quando ne sentii parlare per la prima volta pensai che fosse una vera follia, ma la teoria resiste ancora". Nate da studi concernenti la materia su scala infinitesimale, le nuove idee implicano che la rappresentazione tradizionale dello spazio, a tutti i livelli, sia pronta per una radicale trasformazione.

Le "membrane", ovvero i limiti della realtà

Il mistero della dimensione nascosta comprende una varietà di oggetti noti come branes, che occupano le altre, invisibili, dimensioni. Il termine, coniato dagli scienziati, deriva da membranes (membrane), cioè superfici a due dimensioni. Gli spazi tridimensionali, come l'Universo conosciuto, si chiamano tri-branes, pertanto i fisici si riferiscono all'Universo come al braneworld o "mondo-brane". Tutte le particelle standard come i fotoni, i quark ed i leptoni, vivono in un subspazio tridimensionale, una tri-branes o semplicemente, la nostra brane.Le branes si trovano all'interno delle dimensioni nascoste, note come the bulk o "la grande massa". Mentre la materia e la luce sono confinate dentro le branes, la gravità è in grado di attraversare sia le branes che la massa, le dimensioni nascoste risultano quindi invisibili perché solo la gravità vi può entrare.

La frenetica discussione sulle altre dimensioni iniziò circa un anno fa, quando su Internet apparvero i risultati di uno studio condotto dal Dott. Dimopoulos, il Dott. Nima Arkani-Hamed e il Dott. Gia Dvali, tutti dell'Università di Stanford, che proponevano una nuova spiegazione sul perché l'unità standard della massa, nella fisica subatomica, sia sorprendentemente grande (almeno secondo gli standard atomici) - all'incirca la massa di un granello di polvere. Tale massa sarebbe decisamente inferiore se alcune dimensioni nascoste venissero misurate in maniera millimetrica. "Il quadro che vi stiamo prospettando cambierà il punto di vista su alcuni argomenti fondamentali nella fisica delle particelle e nella cosmologia", scrivevano gli scienziati nella loro ricerca, in seguito apparsa sulla rivista Physics Letters B. Fin dai primi anni Ottanta molti fisici hanno iniziato a sospettare che lo spazio contenesse più delle familiari tre dimensioni che corrispondono alle direzioni in cui è possibile il movimento (su-giu, avanti-indietro e lateralmente).

Le "superstringhe"

Tre dimensioni sembrano più che sufficienti per le necessità della vita quotidiana ma, secondo i fisici, non bastano a spiegare come la gravità possa coesistere con le altre energie della natura. La teoria più plausibile suppone che le particelle basilari della materia e dell'energia consistano in piccoli anelli vibranti noti come "superstringhe". Ma la matematica della teoria delle superstringhe fornisce delle risposte senza senso, a meno che lo spazio contenga altre dimensioni oltre alle tre conosciute da tutti. Si pensava che queste ulteriori dimensioni fossero troppo minuscole per preoccuparsene, più piccole di un virus, nella misura in cui, per fare un paragone, una formica è più piccola dell'Universo.
In una scala così infinitesimale il moto in un'altra dimensione ritornerebbe quindi al punto di partenza in un tempo troppo breve per poter essere notato. Gli esperimenti finora escogitati per scoprire delle dimensioni così minuscole richiederebbero un'energia superiore a quella disponibile nei più potenti disintegratori atomici esistenti. Tuttavia, nel 1996, il Dott. Lykken suggerì che le superstringhe potrebbero avere degli effetti riscontrabili anche a livelli energetici minori. Altri scienziati hanno calcolato che, se così fosse, le dimensioni nascoste delle superstringhe potrebbero essere molto più grandi di quanto si pensi. Infatti esse avrebbero le dimensioni di... una piccola formica, approssimativamente un millimetro di diametro. Ovviamente ciò non sarebbe assolutamente sufficiente a contenere un "palazzo" né, tantomeno, l'intero Universo ma l'Universo visibile risulta enorme solo nelle nostre familiari tre dimensioni dello spazio. In ulteriori dimensioni l'Universo potrebbe essere estremamente sottile, così come un foglio di carta è grande in due dimensioni ma sottile nella terza: nelle dimensioni nascoste lo spessore dell'Universo visibile misurerebbe appena un dieci-milionesimo di un miliardesimo di millimetro. Pertanto altre dimensioni, come la "grande massa", potrebbero contenere infiniti universi.

Altri mondi, a un passo da noi, e tuttavia irraggiungibili

Tali universi paralleli tridimensionali, o tri-branes, potrebbero contenere forme di materia inusuali, che forse costituiscono stelle, pianeti e strani esseri, a meno di un millimetro di distanza dalla nostra familiare brane dove si trovano il Sole, la Terra e i programmi televisivi del sabato sera! Secondo Lykken: "Le leggi specifiche della fisica sarebbero differenti in ognuna di queste 'branes', la loro legge di gravità corrisponderebbe alla nostra ma tutto il resto sarebbe diverso… ciònonostante, forse anche loro potrebbero formare stelle e pianeti".
Non vi è alcun rischio, tuttavia, di capitare per caso in qualche Universo alieno. Nessuno può sporgersi e toccare o vedere i braneworlds paralleli, o comunicare con essi tramite raggi laser, perché la materia e la luce sono confinate ognuna nella sua brane. "Siamo fatti di particelle che non possono disgregarsi e sondare altre dimensioni" dice il Dott. Kaloper di Stanford. In altre parole la materia, la luce e le altre energie sono imprigionate in uno dei "palazzi" e non possono viaggiare verso gli altri attraverso le dimensioni nascoste nella stanza segreta. Ma, secondo il Dott. Lykken: "La chiave di volta è che forse le altre dimensioni risultano invisibili ai nostri occhi solo perché siamo intrappolati in questa". Si spera, comunque, di riuscire a scoprire la presenza di braneworlds paralleli. Fra le strategie più accreditate per individuare le dimensioni ulteriori, i fisici coinvolgono la forza di gravità perché le particelle che trasportano la gravità - i gravitoni - hanno libero accesso a tutto il cosmo e possono volare liberamente attraverso la grande massa, pertanto una brane parallela e vicina potrebbe venire scoperta grazie ai suoi effetti gravitazionali. In tal caso, gli astronomi dovrebbero notare che alcuni oggetti nel mondo visibile si comportano stranamente, come trovandosi sotto l'influenza della gravità sprigionata da una fonte invisibile. Esattamente quanto gli astronomi hanno osservato per anni: le galassie ruotano come se contenessero della materia che supera di gran lunga i loro limiti visibili; occasionalmente delle stelle lontane si illuminano come se un enorme oggetto fosse intervenuto ad aumentare la loro luce accentuandone la curvatura gravitazionale, ecc. Gli astronomi hanno obiettato che tale materia forse non può essere vista solo perché è meno luminosa delle stelle; ma, fra le ipotesi per giustificare l'esistenza di questa "materia oscura" che, secondo il Dott. Lykken, potrebbe essere "materia trasparente", situata in vicini braneworlds e dunque invisibile ai nostri occhi: "Un nuovo tipo di antimateria, che non riusciremo mai ad individuare se non attraverso la sua attrazione gravitazionale".

Superare i confini e creare buchi neri

Altri indizi tradiscono la presenza di dimensioni nascoste. Partiamo dal concetto della loro esistenza. La forza di gravità differirebbe, a brevi distanze, dalla normale legge dell'inverso, enunciata da Isaac Newton tre secoli fa, secondo la quale la forza di gravità aumenta in maniera inversamente proporzionale al quadrato della distanza esistente tra due masse. A distanze minori di un millimetro, la gravità dovrebbe aumentare in percentuale maggiore di quanto afferma la legge di Newton. Gli esperimenti precedenti, svolti a dimostrazione di tale legge, hanno sempre riguardato misurazioni gravitazionali a distanze maggiori di un millimetro, mentre ora si cercano variazioni dalla legge a distanze minori, submillimetriche. Uno dei test attualmente in corso all'Università del Colorado, a Boulder, è una moderna variante dell'esperimento svolto nel 18° secolo dal fisico britannico Henry Cavendish, che misurò l'attrazione gravitazionale esistente tra due piccole sfere. A Boulder si sta misurando l'attrazione tra due minuscole lamine sospese a meno di un millimetro l'una dall'altra. Secondo Lykken i risultati sono dietro l'angolo. Ulteriori conferme sull'esistenza di altre dimensioni potrebbero pervenirci nei primi anni del nuovo secolo grazie ad un nuovo disintegratore atomico europeo. Sebbene le particelle di materia siano solitamente confinate nelle tre dimensioni o tri-branes, il grande apparecchio Hadron Collider in costruzione nel laboratorio CERN di Ginevra potrà creare delle particelle con energia sufficiente ad uscire dalla brane e ad entrare nella grande massa. "Si potrà effettivamente deformare la brane e produrre particelle che si spostino nelle altre dimensioni", afferma il Dott. Lykken. Tali particelle fuggitive dimostrerebbero di essersi dileguate grazie all'energia mancante rilevabile dopo che siano stati misurati tutti gli altri frammenti derivanti dalla collisione delle particelle. È possibile che i fisici trovino indizi di tale energia mancante anche nei dati sulle collisioni già registrati nel disintegratore atomico del laboratorio Fermi. L'esistenza di dimensioni nascoste implica l'affascinante eventualità che il disintegratore atomico CERN possa addirittura creare dei minuscoli buchi neri, che probabilmente scomparirebbero in un istante, ma producendo uno scoppio di radiazioni che gli scienziati identificherebbero immediatamente come la riuscita creazione di un buco nero.

Apertura mentale e nessuna presunzione

Le implicazioni di tale teoria sulla storia dell'Universo sono al vaglio dei ricercatori. Ad una riunione del laboratorio Fermi, Antonio Riotto del CERN ha descritto il possibile ruolo delle branes e delle altre dimensioni al tempo del Big Bang, che diede inizio all'espansione dell'Universo circa 15 miliardi di anni fa. In particolare, le nuove dimensioni potrebbero contribuire a spiegare il subitaneo scoppio di espansione che fu, secondo molti esperti, necessario per dare all'Universo visibile la sua attuale struttura.
Tuttavia, altri sospettano che l'ipotesi di millimetriche dimensioni nascoste potrebbe contrastare con i dati raccolti sull'Universo e sul suo passato. In uno studio diffuso via Internet, Katherine Freese e Daniel Chung dell'Università del Michigan obiettano che molte versioni della teoria delle dimensioni nascoste crollano a confronto con quanto si sa dell'Universo primitivo e non coincidono con le attuali stime sull'età dell'Universo e con le misurazioni delle quantità dei vari elementi chimici generati dal Big Bang. Inoltre, secondo la Freese, è difficile conciliare certe caratteristiche delle branes con una forza di gravità oggi costante nell'Universo e si sospetta che difficoltà di questo tipo potrebbero risultare piuttosto comuni anche con altre teorie sulle branes. Le obiezioni, però, non si applicherebbero a tutte le versioni dell'approccio alle branes. In effetti, il concetto di braneworld è ancora piuttosto vago e confuso. Nessuno può affermare con sicurezza quante ulteriori dimensioni possano essere determinanti, sebbene le attuali teorie suggeriscano che non potrebbero essercene più di sette. Anche la grandezza esatta delle dimensioni nascoste dipenderebbe da quante ve ne siano. Il Dott. Kolb, pur affascinato, si dichiara scettico: "Siamo disponibili, ma si tratta di un tiro alla cieca...". Eppure, secondo Lykken, "Anche se una nuova idea si rivela errata, il fatto che non siamo stati capaci di concepirla fino ad ora dimostra che la vera nuova fisica può rivelarsi estremamente diversa da quel che ci aspettiamo e per cui stiamo lavorando".

di Tom Siegfried