La risposta alla persistente domanda sulla cosa più piccola dell’universo si è evoluta insieme all’umanità. Una volta si pensava che i granelli di sabbia fossero i mattoni di ciò che vediamo intorno a noi. Poi fu scoperto l’atomo, e si pensava che fosse indivisibile, fino a quando fu diviso per rivelare protoni, neutroni ed elettroni al suo interno. Anche questi sembravano particelle fondamentali, prima che gli scienziati scoprissero che protoni e neutroni sono fatti di tre quark ciascuno.

“Questa volta non siamo stati in grado di vedere alcuna prova che ci sia qualcosa dentro i quark”, ha detto il fisico Andy Parker. “Abbiamo raggiunto lo strato più fondamentale della materia?”

E anche se i quark e gli elettroni sono indivisibili, ha detto Parker, gli scienziati non sanno se sono i più piccoli pezzi di materia esistenti, o se l’universo contiene oggetti ancora più minuti.

Parker, professore di fisica delle alte energie all’università inglese di Cambridge, ha recentemente condotto uno speciale televisivo sul canale britannico BBC Two chiamato “Horizon: How Small is the Universe?”

Corde o punti?

Negli esperimenti, le particelle minuscole come quark ed elettroni sembrano comportarsi come singoli punti di materia senza distribuzione spaziale. Ma gli oggetti puntiformi complicano le leggi della fisica. Poiché ci si può avvicinare infinitamente a un punto, le forze che agiscono su di esso possono diventare infinitamente grandi, e gli scienziati odiano gli infiniti.

Un’idea chiamata teoria delle superstringhe potrebbe risolvere questo problema. La teoria postula che tutte le particelle, invece di essere puntiformi, siano in realtà piccoli anelli di stringa. Niente può avvicinarsi all’infinito a un anello di stringa, perché sarà sempre leggermente più vicino a una parte che a un’altra. Questa “scappatoia” sembra risolvere alcuni di questi problemi di infinità, rendendo l’idea attraente per i fisici. Eppure gli scienziati non hanno ancora prove sperimentali che la teoria delle stringhe sia corretta.

Un altro modo di risolvere il problema dei punti è quello di dire che lo spazio stesso non è continuo e liscio, ma è in realtà fatto di pixel discreti, o grani, talvolta indicati come schiuma spazio-temporale. In questo caso, due particelle non potrebbero avvicinarsi all’infinito perché dovrebbero sempre essere separate dalla dimensione minima di un granello di spazio.

Una singolarità

Un altro contendente al titolo di cosa più piccola dell’universo è la singolarità al centro di un buco nero. I buchi neri si formano quando la materia si condensa in uno spazio abbastanza piccolo da far sì che la gravità prenda il sopravvento, facendo sì che la materia tiri sempre più verso l’interno, condensandosi alla fine in un unico punto di densità infinita. Almeno, secondo le attuali leggi della fisica.

Ma la maggior parte degli esperti non pensa che i buchi neri siano davvero infinitamente densi. Pensano che questa infinità sia il prodotto di un conflitto intrinseco tra due teorie regnanti – la relatività generale e la meccanica quantistica – e che quando una teoria della gravità quantistica potrà essere formulata, la vera natura dei buchi neri sarà rivelata.

“La mia ipotesi è che siano molto più piccoli di un quark, ma non credo siano di densità infinita”, ha detto Parker a LiveScience. “Molto probabilmente sono forse un milione di volte o anche più piccole delle distanze che abbiamo visto finora.”

Questo renderebbe le singolarità all’incirca delle dimensioni delle superstringhe, se esistono.

La lunghezza di Planck

Superstringhe, singolarità e persino grani dell’universo potrebbero rivelarsi tutti delle dimensioni della “lunghezza di Planck”.

Una lunghezza di Planck è 1,6 x 10^-35 metri (il numero 16 preceduto da 34 zeri e un punto decimale) – una scala incomprensibilmente piccola che è implicata in vari aspetti della fisica.

La lunghezza di Planck è di gran lunga troppo piccola per essere misurata da qualsiasi strumento, ma oltre a ciò, si pensa che rappresenti il limite teorico della più breve lunghezza misurabile. Secondo il principio di indeterminazione, nessuno strumento dovrebbe mai essere in grado di misurare qualcosa di più piccolo, perché a quella distanza, l’universo è probabilistico e indeterminato.

Questa scala è anche ritenuta la linea di demarcazione tra la relatività generale e la meccanica quantistica.

“Corrisponde alla distanza in cui il campo gravitazionale è così forte che può iniziare a fare cose come creare buchi neri con l’energia del campo”, ha detto Parker. “Alla lunghezza di Planck ci aspettiamo che la gravità quantistica prenda il sopravvento.”

Forse tutte le cose più piccole dell’universo sono più o meno della dimensione della lunghezza di Planck.

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