La teoria delle stringhe è entrata nell’arena pubblica nel 1988 quando è stata trasmessa una serie radiofonica della BBC Desperately Seeking Superstrings.
Grazie al buon marketing e al suo nome e alle sue caratteristiche intrinsecamente curiosi, ora fa parte del discorso popolare, menzionato in TV Big Bang Theory, storie di Woody Allen e innumerevoli documentari scientifici.
Ma cos’è la teoria delle stringhe e perché si trova avvolta da controversie?
La vita, l’universo e la teoria del tutto
Oggi pensiamo alla teoria delle stringhe in due modi.
È vista come una teoria del tutto, cioè una teoria che mira a descrivere tutte e quattro le forze della natura all’interno di un unico schema teorico.
Queste forze sono:
- Forza elettromagnetica
- Forza gravitazionale
- Forza nucleare debole
- Forte forza nucleare.
L’elettromagnetismo e la gravità sono familiari alla maggior parte delle persone. Le forze nucleari si verificano a livello subatomico e non sono osservabili ad occhio nudo.
La teoria delle stringhe è usata anche per descrivere la gravità quantistica, una teoria che combina la teoria della gravità di Einstein e i principi della teoria quantistica.
Inizi aggrovigliati
Ma la teoria delle stringhe è nata in modo più modesto, come un modo per descrivere particelle fortemente interagenti chiamate adroni.
Ora si ritiene che gli adroni siano composti da quark collegati da gluoni, ma la teoria delle stringhe li vedeva come quark collegati da stringhe (tubi di energia).
Intesa in questo modo, la teoria delle stringhe ha ceduto sia a nuove prove sperimentali (che hanno portato al coronamento della cromodinamica quantistica che descrive le interazioni di quark e gluoni) sia a problemi interni.
La teoria delle stringhe coinvolgeva troppe particelle, inclusa una particella priva di massa con il cosiddetto spin 2 – spin è il nome usato per il momento angolare delle particelle.
In effetti, questa è esattamente la proprietà posseduta dal gravitone, il portatore della forza gravitazionale nell’immagine fisica delle particelle del mondo.
Oltre le quattro dimensioni
Questa scoperta significava che con un po’ di abile rebranding (e ridimensionando l’energia delle stringhe in modo che corrisponda alla forza della gravitazione), la teoria delle stringhe ha perso il suo passato adronico ed è rinata come teoria quantistica della gravità.
Tutte quelle altre particelle che erano anche problematiche per la teoria delle stringhe originale sono state in grado di catturare anche le restanti forze non gravitazionali. È così che la teoria delle stringhe ha assunto il suo ruolo attuale di descrivere tutte e quattro le forze insieme: una teoria del tutto.
Ma non poteva perdere molte delle sue curiose caratteristiche.
Una di queste caratteristiche era la necessità di molte più dimensioni spazio-temporali di quelle effettivamente osservate.
In una versione “bosonica” della teoria delle stringhe (cioè senza materia o fermioni, dovrebbero esserci 21 dimensioni – 20 dimensioni spaziali e una dimensione temporale.
In una teoria con fermioni, dovrebbero esserci nove dimensioni spaziali e una temporale, dieci dimensioni tutte insieme.
Il problema è che percepiamo solo quattro dimensioni: altezza, larghezza, profondità (tutta spaziale) e tempo (temporale).
Sovradimensionamento della simmetria, ridimensionamento delle dimensioni
Il “super” nella “teoria delle superstringhe” si riferisce a una simmetria, nota come supersimmetria, che mette in relazione bosoni e fermioni.
Ci sono cinque possibili teorie che coinvolgono la materia in dieci dimensioni. Questo era precedentemente visto come un problema poiché ci si aspettava che una teoria del tutto dovesse essere unica.
Le sei dimensioni invisibili (dieci meno le quattro dimensioni della vita quotidiana) sono rese troppo piccole per essere osservabili, utilizzando un processo noto come compattazione.
Bella matematica
È da questo processo che deriva gran parte della matematica straordinariamente bella (e diabolicamente difficile ) coinvolta nella teoria delle stringhe.
Non abbiamo problemi a pensare a ogni evento nel mondo come etichettato da quattro numeri o coordinate (es. x,y,z,t).
Un mondo di teoria delle stringhe aggiunge altre sei coordinate, solo che sono accartocciate in un piccolo spazio di raggio paragonabile alla lunghezza della stringa, quindi non le vediamo.
Ma, secondo la teoria delle stringhe, i loro effetti possono essere visti indirettamente dal modo in cui le stringhe che si muovono attraverso lo spaziotempo si avvolgeranno attorno a quelle direzioni accartocciate e allungate.
Ci sono moltissimi modi per nascondere queste sei dimensioni, producendo mondi più filamentosi possibili (forse fino a 10500!).
Quanto è lungo un pezzo di spago?
Questo è il motivo per cui la teoria delle stringhe è così controversa. Apparentemente perde ogni potere predittivo poiché non abbiamo modo di isolare il nostro mondo in questa pienezza.
E a che serve una teoria scientifica se non può fare previsioni?
Una risposta è dire che queste varie teorie non sono davvero così diverse. In effetti ci sono tutti i tipi di relazioni esatte conosciute come dualità che le collegano.
Sviluppi più recenti basati su queste dualità includono un nuovo tipo di oggetto con dimensioni superiori, le cosiddette Dp-brane.
Anche questi possono avvolgere le dimensioni compatte per generare effetti potenzialmente osservabili.
Ancora più importante, possono anche fornire limiti su cui si trovano gli endpoint delle stringhe.
Giusto per complicare ulteriormente le cose, è stato scoperto un nuovo tipo di teoria, questa volta in 11 dimensioni: supergravità 11 dimensionale – è anche tanta bella matematicamente.
Comporre M per Multiverso
I teorici delle stringhe amano dire che queste sei teorie sono aspetti (limiti speciali) di una teoria sottostante più profonda, nota come M-teoria. In questo modo si ripristina l’unicità.
O è?
Abbiamo ancora lo spettro delle 10500 soluzioni o mondi. La grande speranza è che il numero di soluzioni con caratteristiche come quella del nostro mondo (con le sue quattro dimensioni visibili, particelle di vario tipo che interagiscono con particolari punti di forza, osservatori coscienti e così via) sia abbastanza piccolo da poter estrarre previsioni verificabili.
Finora, tuttavia, l’unico vero modo per far uscire il nostro mondo dalla teoria prevede l’uso di un multiverso (un insieme interpretato realisticamente di mondi teorici delle stringhe con diverse proprietà fisiche) combinato con il principio antropico (solo alcuni di questi mondi hanno ciò che ci vuole per sostenere gli esseri umani).
Inutile dire che questo non è del tutto facile con i critici della teoria delle stringhe!
Ma la teoria delle stringhe ha fatto passi da gigante in altre aree della fisica. In particolare nella fisica dei plasmi e dei superconduttori.
Resta da vedere se questo successo può essere ripetuto all’interno del suo regno (fisica fondamentale).
Autore
Dean Rickles, Università di Sydney
