La Teoria delle Stringhe è entrata nell’arena pubblica nel 1988, grazie a una serie radiofonica della BBC intitolata “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 serie TV come The 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 elementari interagenti chiamate adroni.
Oggi 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.
Questa proprietà, lo spin, è tipica del gravitone, la particella che porterebbe la forza gravitazionale nella visione della fisica delle particelle.
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: in 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 sperimentate nella vita quotidiana) sono rese troppo piccole per essere osservabili, utilizzando un processo noto come compattazione.
La matematica delle stringhe
È da questo processo che deriva gran parte della matematica straordinariamente bella (e diabolicamente difficile) coinvolta nella teoria delle stringhe.
Mentre siamo abituati a pensare a ogni evento del mondo etichettato da quattro coordinate (ad esempio, x, y, z e t), il mondo secondo la Teoria delle Stringhe aggiunge altre sei coordinate.
Queste sei dimensioni aggiuntive sono “arrotolate” in uno spazio molto piccolo, con un raggio paragonabile alla lunghezza delle stringhe stesse, rendendole inosservabili direttamente.
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 stringa?
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 i punti finali delle stringhe.
Giusto per complicare ulteriormente le cose, è stato scoperto un nuovo tipo di teoria, questa volta in 11 dimensioni: la supergravità a 11 dimensioni – è anche molto bella matematicamente.
Comporre M per Multiverso
Gli studiosi spesso affermano che le sei diverse teorie delle stringhe rappresentano aspetti o limiti speciali di una teoria più profonda, conosciuta come teoria M. Questa affermazione suggerisce una sorta di unicità all’interno della Teoria delle Stringhe, ma ciò non risolve completamente la questione.
Resta il problema del gran numero di soluzioni o “mondi” possibili che emergono dalla Teoria delle Stringhe. L’idea chiave è che tra tutte queste soluzioni, ce ne sia almeno una simile al nostro universo con le sue quattro dimensioni visibili, particelle di vari tipi che interagiscono con forze specifiche e, naturalmente, osservatori coscienti. La speranza è che questo numero sia sufficientemente limitato da permettere predizioni testabili.
Finora, tuttavia, il modo principale per ottenere il nostro universo dalla Teoria delle Stringhe comporta l’uso di un “multiverso,” ovvero un insieme di mondi possibili descritti dalla Teoria delle Stringhe con diverse proprietà fisiche. Questa concezione del multiverso è combinata con il “principio antropico,” che suggerisce che solo alcuni di questi mondi hanno le caratteristiche necessarie per sostenere la vita umana. Questa idea, sebbene logica all’interno del contesto della Teoria delle Stringhe, non è priva di controversie e solleva molte domande filosofiche.
Nonostante le controversie e le sfide teoriche, la Teoria delle Stringhe ha fatto progressi notevoli in campi diversi della fisica. Ad esempio, è stata applicata con successo alla fisica dei plasmi e dei superconduttori, aprendo nuove prospettive nella comprensione di questi fenomeni fisici complessi.
Tuttavia, la grande sfida rimane nel campo della fisica fondamentale, dove la Teoria delle Stringhe cerca di diventare la teoria unificata dell’universo. Se riuscirà in questa impresa, solo il tempo lo dirà. Nel frattempo, gli scienziati continuano a lavorare duramente per superare le sfide e i misteri che questa teoria affascinante presenta.
