Trovare una teoria del tutto – che spieghi tutte le forze e le particelle nell’universo – è senza dubbio il Santo Graal della fisica. Sebbene ciascuna delle sue teorie principali funzioni straordinariamente bene, si scontrano anche tra loro, lasciando i fisici alla ricerca di una teoria più profonda e fondamentale.
Ma abbiamo davvero bisogno di una teoria del tutto? E siamo vicini a raggiungerne uno?
Le nostre due migliori teorie della natura sono la meccanica quantistica e la relatività generale, che descrivono rispettivamente la scala più piccola e quella più grande dell’universo. Ognuno ha un enorme successo ed è stata testata sperimentalmente più e più volte. Il problema è che sono incompatibili tra loro in molti modi, anche matematicamente.
“La relatività generale riguarda la geometria. È così che lo spazio è curvo e come lo spazio-tempo – questa entità unificata che contiene tre dimensioni dello spazio e una dimensione del tempo – è anch’esso curvo”, spiega Vlatko Vedral, professore di fisica all’Università di Oxford nel Regno Unito. “La fisica quantistica è in realtà tutta una questione di algebra.”
I fisici sono già riusciti a unire la teoria quantistica con l’altra grande teoria di Einstein: la relatività ristretta (che spiega come la velocità influisce sulla massa, sul tempo e sullo spazio). Insieme, questi formano un quadro chiamato “teoria quantistica dei campi“, che è la base per il Modello Standard della Fisica delle Particelle, il nostro miglior quadro per descrivere i mattoni più basilari dell’universo.
Il modello standard descrive tre delle quattro forze fondamentali dell’universo – l’elettromagnetismo e le forze “forte” e “debole” che governano il nucleo atomico – esclusa la gravità.
Mentre il modello standard spiega la maggior parte di ciò che vediamo negli esperimenti di fisica delle particelle, ci sono alcune lacune. Per colmare questi, è stata proposta un’estensione chiamata “supersimmetria“, suggerendo che le particelle sono collegate attraverso una relazione profonda. La supersimmetria suggerisce che ogni particella ha un “super partner” con la stessa massa, ma spin opposto. Sfortunatamente, gli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) al Cern in Svizzera non sono riusciti a trovare prove di supersimmetria, nonostante siano stati esplicitamente progettati per farlo.
D’altra parte, ci sono recenti indizi sia di LHC che di Fermilab negli Stati Uniti che suggeriscono che potrebbe esserci una quinta forza della natura. Se questi risultati potessero essere replicati e confermati come scoperte effettive, ciò avrebbe implicazioni per unire la meccanica quantistica e la gravità.
“Penso che la scoperta di una nuova forza sarebbe sorprendente”, afferma Vedral. “Sfiderebbe questa cosa che esiste ormai da oltre mezzo secolo che ci sono quattro forze fondamentali”.
Vedral sostiene che la prima cosa da fare se scoprissimo una quinta forza sarebbe stabilire se può essere descritta dalla meccanica quantistica.
Se potesse, indicherebbe che la teoria quantistica potrebbe in definitiva essere più fondamentale della relatività generale, rappresentando quattro forze su cinque, suggerendo che la relatività generale alla fine potrebbe dover essere modificata. Se così non fosse, ciò sconvolgerebbe la fisica, suggerendo che potremmo aver bisogno di modificare anche la meccanica quantistica.
E le altre proprietà misteriose?
Ma cosa dovrebbe includere una teoria del tutto? Basterebbe unire gravità e meccanica quantistica? E che dire di altre proprietà misteriose come l’energia oscura, che fa espandere l’universo a un ritmo accelerato, o la materia oscura, una sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della materia nell’universo?
Come spiega Chanda Prescod-Weinstein, assistente professore di fisica e astronomia presso l’Università del New Hampshire negli Stati Uniti, i fisici preferiscono usare il termine “teoria della gravità quantistica” piuttosto che “teoria del tutto”.
“La materia oscura e l’energia oscura sono la maggior parte del contenuto energetico della materia nell’universo. Quindi non è davvero una teoria del tutto se non tiene conto della maggior parte del contenuto di energia della materia nell’universo”, sostiene. “Questo è il motivo per cui sono contento che in realtà non usiamo la ‘teoria del tutto’ nel nostro lavoro.”
Anche se potrebbero non spiegare tutto, esistono diverse teorie proposte sulla gravità quantistica. Uno è la teoria delle stringhe, che suggerisce che l’universo è in definitiva costituito da minuscole stringhe vibranti. Un altro è la gravità quantistica a loop, che suggerisce che lo spazio-tempo di Einstein derivi da effetti quantistici.
“Uno dei punti di forza che le persone indicheranno con la teoria delle stringhe è che la teoria delle stringhe si basa sulla teoria quantistica dei campi”, spiega Prescod-Weinstein. “Porta con sé l’intero modello standard, la cui gravità quantistica a loop non funziona allo stesso modo.” Ma la teoria delle stringhe ha anche i suoi punti deboli, sostiene, come richiedere dimensioni extra di cui non abbiamo mai visto alcuna prova.
Le teorie sono difficili da testare sperimentalmente, poiché richiedono molta più energia di quella che possiamo produrre in qualsiasi laboratorio. Vedral sostiene che mentre alla fine non possiamo sondare direttamente le minuscole scale necessarie per trovare prove per le teorie della gravità quantistica, potrebbe essere possibile amplificare tali effetti in modo da poterli osservare indirettamente su scale più grandi con esperimenti da tavolo.
Autore
Miriam Frankel, The Conversation, Chanda Prescod-Weinstein, Vlatko Vedral
