La teoria delle stringhe. Dal passato ai giorni nostri.

Tratto da: Fisica quantistica per curiosi

Nasce proprio dal contrasto secolare tra relatività e meccanica quantistica, il desiderio di trovare una teoria che unifichi tutte le equazioni fisiche che conosciamo, una sorta di teoria capace di fungere da “punto di partenza” per descrivere tutte le particelle e tutte le forze fondamentali dell’universo.

Tra le diverse teorie di ogni cosa, la più nota è certamente la teoria delle stringhe.

Essa in pratica predice che nel piccolissimo, e parliamo dell’ordine di un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro, l’universo non sia popolato da particelle, quanto piuttosto da minuscole cordicelle. Sono proprio quelle a cui i fisici hanno dato semplicemente il nome di “stringhe”.

Calabi yau

C’è da premettere che questa teoria, per quanto affascinante, al momento non può ancora vantare alcuna verifica sperimentale, né diretta né indiretta. Seppur vale davvero la pena di essere studiata.

Era l’anno 1968, anno in cui i fisici delle alte energie erano impegnati nello studio degli adroni, le particelle “forti” (tra cui troviamo il protone, il suo rappresentante più leggero), quando il giovane fisico di Firenze, Gabriele Veneziano, individuò una funzione matematica che parve descrivere molto accuratamente le reazioni tra le suddette particelle.

L’interpretazione fisica di Veneziano, frutto di una matematica figlia di Eulero e nota da almeno due secoli, rimase però oscura fino al 1970.

Fu solo allora che infatti si incominciò a comprendere che gli oggetti elementari non potevano più essere interpretati come particelle, ma come oggetti che si estendevano in una dimensione, più simili a cordicelle tese, sottilissime e vibranti: le stringhe.

Una idea intrigante, senza dubbio, ma comunque soppiantata con forza dal modello standard (il quale riuscì a dimostrare che gli adroni erano composti da particelle ancora più piccole: i quark).

La teoria delle stringhe era quindi destinata a sparire?

A quanto pare no.

Studiando ancora parecchio la cosa, si scoprì come esse aprissero porte ad un universo davvero anomalo.

Un universo caratterizzato da venticinque dimensioni spaziali ed addirittura attraversato da particelle più veloci della luce, i tachioni.

Tra l’altro, le vibrazioni delle suddette stringhe producevano parecchie altre particelle, fin troppe rispetto a quelle conosciute.

Un bel problema. A cui però se ne aggiunse un altro ancora più grande.

Partendo dal fatto che tutte le particelle note possono essere divise in due grandi categorie: i bosoni ed i fermioni, si verificò come le stringhe di allora non fossero in grado di generare i secondi.

La teoria sembrava essere quindi destinata ad una rapida estinzione.

Sennonché Pierre Ramond pensò bene di immaginare un partner per ogni bosone, il proprio fermione, del tutto invisibile però agli strumenti.

Questa teoria, nata per risolvere il problema delle particelle mancanti, prese il nome di Supersimmetria.

La cosa fu ritenuta interessante e la stringhe da allora (parliamo del 1984) verranno chiamate “Superstringhe”.

Nel frattempo la teoria continuò a crescere, i tachioni sparirono, e incominciarono a venire a galla una infinità di particelle prive di massa, esattamente come il fotone, il “quanto” della radiazione elettromagnetica. Tra queste c’era il gravitone, l’ipotetico “quanto” del campo gravitazionale.

L’idea che la teoria potesse essere papabile come “Teoria del tutto” sembrava diventare sempre più concreta.

Tempo dopo, John Schwartz, ricercatore al California Institute of Technology, di concerto con Michael Green, scoprì che la “versione buona” della teoria era quella che alloggiava in uno spazio-tempo a dieci dimensioni.

La cosa sensazionale fu che tale modello appariva essere davvero un’estensione naturale del modello standard, tanto da essere in grado di giustificare tutte le particelle elementari e tutte le interazioni fondamentali in un colpo solo.

Andava certamente preso sul serio.

La copertina del numero di Novembre 1986 di Discover venne dedicata alla teoria del tutto e si titolò “Tutto quanto è legato alle stringhe”, ed i fisici coinvolti sembrava fossero sicuri di avere a portata di mano praticamente tutto quanto.

Non fu però così.

Col tempo si scoprirono ben cinque varianti di quella teoria, ed ancora successivamente si identificarono coppie di quelle teorie che saranno in grado, seppur parlando lingue diverse, di descrivere lo stesso universo.

Fu comunque questo il primo passo verso una una teoria più generale in grado di abbracciarle tutte, quella che Ed Witten nel 1995 chiamò M-theory.

La madre di tutto, anche delle stringhe.

Ma una precisazione, infine, è d’obbligo; sono sicuro che ve lo starete chiedendo.

Nella teoria delle stringhe, vi sono evidenze secondo cui lo spazio-tempo richieda 10, 11 o addirittura 26 dimensioni.

Ma queste dimensioni ulteriori dove sono nascoste?

Il conflitto viene risolto immaginando che le dimensioni aggiuntive siano “arrotolate su se stesse” o meglio compattificate.

Immaginiamo un tubo di gomma, praticamente uno di quelli utilizzati in giardino per irrigare le piante. Ipotizziamolo largo un centimetro, o poco più, di diametro; steso tra due pali a grande distanza, ad un chilometro o più da noi.

Ovviamente risulterebbe impossibile per noi distinguere il suo spessore e dovremmo ridurci a descriverlo semplicemente come una linea; cioè come un oggetto a una sola dimensione (seppur coscienti dell’esistenza di una dimensione in più).

Teoricamente però, una formica potrebbe muoversi nelle due dimensioni, cioé  lungo e attorno al tubo, ma  il suo movimento attorno al tubo non sarebbe praticamente percepibile a distanza. Sappiamo dell’esistenza di una dimensione avvolta su se stessa, ma quest’ultima  non avrebbe a conti fatti nessuna utilità pratica nelle nostre osservazioni macroscopiche.

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C’è una grande differenza tra la dimensione lungo il tubo e quella attorno al tubo: la prima è estesa nello spazio ed è facilmente osservabile, la seconda è arrotolata su se stessa, contenuta in uno spazio percepito piccolissimo e misurabile soltanto se fossimo in grado di effettuare osservazioni con una precisione tanto maggiore quanto più il tubo di gomma è piccolo.

Potrebbero quindi effettivamente esistere molte altre dimensioni,  purché sufficientemente curve e raggomitolate, tali da non averne percezione nella vita di tutti i giorni.

Riprendiamo comunque la nostra storia e poniamoci direttamente nel 2011.

Si, perchè è solo in quell’anno che i protoni giungono alla velocità di crociera agognata. Purtroppo però per raccogliere dati e soprattutto per analizzarli, ci vorrà ancora un bel po’ di tempo.

Poco male perché nel frattempo, nel 2012, la fisica delle particelle conosce uno straordinario successo: la scoperta del bosone di Higgs (o bosone BEH, da Brout-Englert-Higgs, che dir si voglia), una particella la cui presenza certifica l’esistenza un meccanismo in grado di fornire la massa a tutte le particelle elementari.

E dire che Stephen Hawking puntò cento dollari contro l’Higgs, perdendoli (e lamentandosi che da quella scoperta la fisica sarebbe diventata meno interessante).

Arriviamo quindi al 2016, anno in cui le misure di LHC sono andate avanti a energie sempre maggiori.

Purtroppo, tra i detriti delle collisioni non solo non è apparsa nessuna particella tra quelle previste dalla Supersimmetria, ma nemmeno si è avuto alcun segnale da altre dimensioni (e nemmeno alcun gravitone ha fatto la sua comparsa).

In pratica nessun segno di fisica oltre il Modello Standard.

Sembrerebbe quindi, a quanto pare (anche a detta di alcuni fisici teorici), che non ci sia niente altro da scoprire o, se c’è, non saremo in grado di scoprirlo in fretta.

Siamo ad uno stallo?

Vedremo.

Probabilmente è ancora presto per dirlo.

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Richard Feynman riguardo la fisica quantistica

Richard Feynman (IPA: [ˈfaɪnmən]) (New York, 11 maggio 1918 – Los Angeles, 15 febbraio 1988) è stato un fisico e divulgatore scientifico statunitense, Premio Nobel per la fisica nel 1965 per l’elaborazione dell’elettrodinamica quantistica.

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