Teoria delle stringhe, alla ricerca della spiegazione madre. 1° Parte

Per comprendere le idee e gli obiettivi della Teoria delle stringhe, è utile guardare al passato e considerare come la Fisica si è evoluta dai tempi di Newton ad oggi. Un'idea decisiva che ha guidato la Fisica dai tempi di Newton è quella di unificazione: il tentativo di spiegare fenomeni apparentemente diversi tramite un singolo concetto dominante. Forse il primo esempio di ciò venne da Newton stesso, il quale nella sua opera Principia Mathematicae del 1687 spiegò che il moto dei pianeti nel sistema solare, il moto della Luna attorno alla Terra e la forza che ci tiene legati alla Terra sono tutte parti dello stesso principio: la forza di gravità. Noi oggi lo diamo per scontato, ma prima di Newton, il rapporto tra il cadere di una mela e l'orbita della Luna non era per nulla ovvio e anzi davvero sorprendente. Lo facciamo con un articolo in due parti di David Berman "Lecturer di Fisica" teorica all'Università Queen Mary di Londra.

La successiva scoperta chiave in vista dell'unificazione fu fatta circa 180 anni dopo Newton dal matematico scozzese James Clerk Maxwell. Maxwell mostrò che elettricità e magnetismo, per quanto non sembrino fenomeni simili a prima vista, sono soltanto aspetti differenti di un singolo fenomeno chiamato elettromagnetismo. Nel procedimento Maxwell scoprì le onde elettromagnetiche, che sono infatti luce – Maxwell inavvertitamente aveva spiegato un ulteriore aspetto apparentemente diverso della natura.

 Altri duecento anni dopo, nel 1984, il pakistano Abdus Salam e l'americano Steven Weinberg mostrarono che la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole, che causa il decadimento radioattivo, sono entrambe solamente aspetti differenti di una singola forza chiamata interazione elettro-debole.

Questo ci lascia con tre forze fondamentali della natura: la gravità, l'interazione elettro-debole e la forza nucleare forte che tiene uniti i protoni.

Materia Unificante

 

Questo succede con le forze, ma la materia? Molti antichi sistemi di pensiero hanno postulato che la materia – e la realtà stessa – sia formata da un numero finito di elementi. La Fisica moderna conferma questa idea. Esperimenti compiuti con l'acceleratore di particelle presso il CERN di Ginevra hanno mostrato che ci sono soltanto 12 blocchi di struttura di base della materia. Questi sono conosciuti come particelle elementari. Ogni cosa che abbiamo visto in un qualsiasi esperimento, qui o su stelle lontane, è formata soltanto da queste 12 particelle elementari. Tutto ciò è veramente impressionante: l'intero Universo, la sua materia e le sue dinamiche spiegate soltanto con tre forze e dodici oggetti elementari. E' grandioso, ma ci piacerebbe fare meglio, e qui è dove entra per la prima volta in gioco la Teoria delle stringhe: è un tentativo di ulteriore unificazione. Per comprenderlo, dobbiamo raccontare un'altra storia.

Gravità Quantistica

 

Ci sono stati due straordinari progressi nella Fisica del XX secolo. Forse il più famoso è la Teoria della relatività generale di Einstein. L'altra, altrettanto fondamentale, teoria è la Meccanica quantistica.

La Teoria della relatività generale è essa stessa una unificazione. Einstein realizzò che spazio e tempo sono soltanto differenti aspetti di un singolo oggetto che egli chiamò spazio-tempo. Corpi di enormi dimensioni, come pianeti, possono deformare e distorcere lo spazio-tempo e la gravità, di cui noi abbiamo esperienza come forza di attrazione, è infatti una conseguenza di questa deformazione.

Proprio come un peso posizionato su un tappeto elastico creerà una depressione in cui un vicino oggetto rotolerà, così un corpo di enormi dimensioni come un pianeta distorce lo spazio, attraendo gli oggetti vicini.

Le ipotesi fatte dalla Teoria della relatività generale sono assolutamente precise. Infatti la maggior parte di noi ha inconsapevolmente preso parte ad un esperimento che testa la relatività generale: se fosse falsa, i Sistemi di Rilevazione di Posizione (GPS) sbaglierebbero di circa 50 metri al giorno. Il fatto che i GPS abbiano un margine di errore di cinque metri in dieci anni mostra proprio quanto sia precisa la Teoria della relatività generale.

L'altra grande scoperta del XX secolo è stata la Meccanica quantistica. Una delle idee chiave in questo caso è che più piccola è la scala attraverso cui si guarda il mondo, più le cose diventano casuali. Il principio di indeterminazione di Heisenberg è forse l'esempio più famoso di ciò. Questo principio stabilisce che quando si considera una particella in movimento, per esempio un elettrone che orbita attorno ad un nucleo di un atomo, non si possa mai misurare sia la sua posizione sia la sua quantità di moto con precisione arbitraria. Analizzando lo spazio attraverso una scala microscopica può capitare di misurare la posizione con grande precisione, ma non altrettanto si potrà fare per la quantità di moto. Questo non perché gli strumenti di misura siano imprecisi. Non c'è semplicemente un “reale” valore della quantità di moto, ma un'intera gamma di valori che la quantità di moto può assumere, ognuno con una certa probabilità. In breve, c'è casualità. Questa casualità appare quando consideriamo le particelle con una scala sufficientemente piccola. Più è piccola la scala, più le cose diventano casuali!

L'idea che la casualità fosse parte del vero tessuto della natura era rivoluzionaria: precedentemente era dato per scontato che le leggi della Fisica non fossero dipendenti dalla dimensione delle cose. Ma in Meccanica quantistica esse lo sono. La scala delle cose cambia la situazione, e più piccola è la scala attraverso cui si guarda alla natura, più diversa diventa la visione del mondo dalla nostra percezione quotidiana: la casualità domina il mondo su piccola scala.

Questa teoria ha portato a grandi risultati. Tra i dispositivi tecnologici generati dalle applicazioni della teoria quantistica si trovano il laser e i microchip che danno vita ad ogni computer, cellulare o lettore MP3.

Ma che succede se combiniamo Meccanica quantistica e relatività? Seguendo la relatività, lo spazio-tempo è qualcosa che può distendersi o curvarsi. La Meccanica quantistica dice che su piccole scale le cose diventano casuali. Unire queste due idee implica che, su scale molto piccole, lo spazio-tempo stesso diventi casuale, tendendosi e distendendosi, fino a che eventualmente esso stesso si laceri.

Evidentemente, poiché lo spazio-tempo è qui e ciò non è successo, deve esserci qualcosa di sbagliato nel combinare relatività e Meccanica quantistica. Ma cosa? Entrambe queste teorie sono ben dimostrate e ritenute vere.

Forse abbiamo accettato un assunto sottointeso?

Certamente l'abbiamo fatto. L'assunto è che sia possibile considerare distanze sempre più piccole e arrivare al punto dove lo spazio-tempo si lacera. Ciò che si trova alla base delle nostre idee è che i blocchi di struttura di base indivisibili sono puntiformi – ma questo potrebbe non essere necessariamente vero.

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Commenti: 7
  • #1

    sossio (lunedì, 09 maggio 2011 19:34)

    non ho capito propio tutto......consiglierei al sito di usare termini un pò + semplici per facilitare la comprensione :)

  • #2

    LORENZO M. (lunedì, 09 maggio 2011 20:02)

    Bel lavoro Ufoonline,attendo con ansia la seconda parte.

  • #3

    KOSLINE (lunedì, 09 maggio 2011 20:43)

    quoto LORENZO M ...

  • #4

    Stefano (martedì, 10 maggio 2011 16:12)

    ok...ho capito tutto..tranne l'ultima parte..le ultime 3 righe, qualcuno puo gentilmente spiegarmele in modo + semplice?

  • #5

    Lorenzo (martedì, 10 maggio 2011 22:43)

    "la casualità domina il mondo su piccola scala. "

    Non è tanto la casualità quanto lo scompiglio, l'entropia.

  • #6

    Lorenzo (martedì, 10 maggio 2011 22:59)

    @sossio
    E' difficilissimo spiegare la fisica quantistica in termini semplici, tanto che se il tuo approccio non è matematico cio che ti rimane è pura intuizione e non tutti la comprendono se spiegata in modo discorsivo.
    C'è un esperimento che può far intendere con cosa si ha a che fare ed è un'esperimento concreto eseguito con i fotoni.
    Se prendi un fascio di luce e lo fai passare attraverso un buco, sulla parete dall'altra parte vedrai un pun to luminoso con intorno un alone. Se pratichi un secondo foro a fianco del primo, tu ti aspetti di vedere due punti luminosi con due aloni che s'intersecano: Ebbene non è così.
    Tu vedrai tante bande chiaro-scuro verticali che ricoprono l'intero muro e s'intersecano fra loro annullandosi in vari punti (le ombre) e sommandosi in altri (le luci). Cio fa intendere che ogni fotone di cui si compone il fascio di luce sia lo stesso che attraversa i due fori contemporaneamente SENZA suddividersi tra i due.

  • #7

    kimaka (sabato, 14 maggio 2011 23:57)

    ottima relazione...inkino...