Teoria delle stringhe

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In fisica, la teoria delle stringhe è una teoria, ancora in fase di sviluppo, che tenta di conciliare la meccanica quantistica con la relatività generale[1], e che si spera abbia inoltre le caratteristiche necessarie per essere una teoria del tutto. Si fonda sul principio secondo cui la materia, l'energia e, sotto certe ipotesi, lo spazio ed il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche primordiali che, a seconda del numero di dimensioni in cui si sviluppano, vengono chiamate stringhe oppure p-brane[2].

Introduzione[modifica | modifica sorgente]

Interazioni nel modo subatomico: linee d'universo di particelle puntiformi nel Modello Standard (a sinistra) e un foglio d'universo composto da stringhe chiuse nella teoria delle stringhe (a destra)

La teoria delle stringhe è un modello fisico i cui costituenti fondamentali sono oggetti ad una dimensione (le stringhe) invece che di dimensione nulla (i punti) caratteristici delle teorie alternative o precedenti a quelle delle stringhe. Per questa ragione la teoria delle stringhe è capace di evitare i problemi di una teoria fisica connessi alla presenza di particelle puntiformi.

Uno studio più approfondito della teoria delle stringhe ha rivelato che gli oggetti descritti dalla teoria possono in realtà avere: dimensioni nulle (zero)(e quindi essere punti), avere una dimensione (stringhe), due dimensioni (membrane) o possedere un numero D di dimensioni maggiore di due (D-brane).

Il termine teoria delle stringhe si riferisce propriamente sia alla teoria bosonica a 26 dimensioni che alla teoria supersimmetrica a 10 dimensioni. Tuttavia nell'uso comune, teoria delle stringhe si riferisce alla variante supersimmetrica, mentre l'altra teoria prende il nome di teoria bosonica delle stringhe.

L'interesse della teoria risiede nel fatto che si spera possa essere una teoria del tutto, ossia una teoria che inglobi tutte le forze fondamentali. È una soluzione percorribile per la gravità quantistica e in più può descrivere in modo naturale le interazioni elettromagnetiche e le altre interazioni fondamentali. La teoria supersimmetrica include anche i fermioni, i blocchi costituenti la materia. Non si conosce ancora se la teoria delle stringhe sia capace di descrivere un universo con le stesse caratteristiche di forze e materia di quello osservato finora.

Ad un livello più concreto, la teoria delle stringhe ha originato progressi nella matematica dei nodi, negli spazi di Calabi-Yau e in molti altri campi. La teoria delle stringhe ha anche gettato maggior luce sulle teorie di gauge supersimmetrico, un argomento che include possibili estensioni del modello standard.

La storia[modifica | modifica sorgente]

I diversi ordini di grandezza della materia:
1. Materia (macroscopico)
2. Struttura molecolare (atomi)
3. Atomi (neutroni, protoni, elettroni)
4. Elettroni
5. Quark
6. Stringhe

La teoria delle stringhe prende le mosse da un articolo che Gabriele Veneziano scrisse per spiegare le peculiarità del comportamento degli adroni. Durante gli esperimenti condotti negli acceleratori di particelle, i fisici avevano osservato che lo spin di un adrone non è mai maggiore di un certo multiplo della radice della sua energia. Nessun semplice modello adronico, come ad esempio quello che li considera composti da una serie di particelle più piccole legate da un qualche tipo di forza, spiega tali relazioni. La vera e propria nascita della teoria delle stringhe si colloca nel 1968, quando Veneziano, allora ricercatore presso il Cern di Ginevra, intuì che una vecchia formula matematica denominata Funzione Beta di Eulero, partorita 200 anni prima dal matematico svizzero Leonhard Euler, forniva informazioni importanti ai suoi studi sull'interazione forte, senza però spiegare la correlazione fisicamente.[3]

Nel 1970 lo tentarono Nambu, Nielsen e Susskind, rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe vibranti ad una sola dimensione; era però una descrizione che effettuava predizioni che contraddicevano le esperienze. La comunità scientifica perse quindi interesse nella teoria delle stringhe, e il modello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase il plesso teorico dominante.

Poi, nel 1974, Schwarz e Scherk, e indipendentemente Yoneya, studiarono i modelli con caratteristiche da messaggero della vibrazione di stringa e trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con le particelle mediatrici della forza gravitazionale — i gravitoni. Schwarz e Scherk argomentarono che la teoria delle stringhe non aveva avuto successo perché i fisici ne avevano frainteso gli scopi.

Questo condusse allo sviluppo della teoria di stringa bosonica, che è ancora la versione solitamente insegnata. Con lo sviluppo della cromodinamica quantistica, il bisogno originario di una teoria degli adroni venne diretto verso una teoria dei quark.

La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di azione di Polyakov, una quantità matematica che può essere usata per prevedere come le stringhe si muovano nello spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica all'azione di Polyakov — procedura nota come quantizzazione — si nota che ogni stringa può vibrare in molti modi diversi, e che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo diverso di particella. La massa di cui è dotata la particella, e i vari modi in cui può interagire, sono determinati dai modi in cui la stringa vibra — essenzialmente, dalla nota che la stringa vibrando produce. La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una particella, è denominata spettro energetico della teoria.

Questi primi modelli includevano sia stringhe aperte, con due punti terminali definiti, che stringhe chiuse, con gli estremi congiunti a formare un anello, un loop. I due tipi di stringa si comportano in maniera leggermente diversa, producendo due spettri. Non tutte le moderne teorie delle stringhe usano entrambi i tipi; alcune comprendono solo le tipologie chiuse, ultimamente infatti i fisici teorici hanno abbandonato l'idea di stringa aperta, impostando completamente i loro studi sulla tipologia di stringa ad anello.

Ad ogni modo la teoria bosonica presenta problemi. Fondamentalmente, la teoria ha una peculiare instabilità, portando al decadimento dello stesso spazio-tempo. In più, come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene solo bosoni, particelle come il fotone con spin intero. Sebbene i bosoni siano un ingrediente indispensabile nell'universo, non sono i suoi unici costituenti. Gli studi su come una teoria delle stringhe debba includere i fermioni nel suo spettro conducono alla supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono stati descritti parecchi tipi.

Tra il 1984 e il 1986 i fisici compresero che la teoria delle stringhe avrebbe potuto descrivere tutte le particelle elementari e le loro interazioni, e considerarono la teoria delle stringhe come l'idea più promettente per arrivare a unificare la fisica. Questa prima rivoluzione delle superstringhe era iniziata nel 1984 con la scoperta di un anomalo annullamento nella teoria delle stringhe di tipo I da parte di Green e Schwarz. L'anomalia venne eliminata grazie al meccanismo di Green-Schwarz. Altre inaspettate e rivoluzionarie teorie, come la stringa eterotica, vennero presentate nel 1985.

Negli anni novanta Witten e altri trovarono forti prove a dimostrazione che le differenti teorie delle superstringhe non sono che i diversi limiti di una sconosciuta teoria a undici dimensioni, chiamata M-teoria. Questi studi stimolarono la seconda rivoluzione delle superstringhe. Quando Witten la chiamò M-teoria, non specificò che cosa fosse la M, forse perché non si sentiva in diritto di denominare una teoria che non era in grado di descrivere interamente, e indovinare che cosa significhi la M è diventato un gioco tra i fisici teorici. La M talvolta viene fatta corrispondere a Mistero, Magia o Madre. Ipotesi più serie includono Matrice o Membrana. Glashow ha notato che la M può essere un rovesciamento di W, iniziale di Witten. Altri ipotizzano Mancante, Mostruoso o anche Murky (oscura). Secondo lo stesso Witten, come detto in PBS documentary, basato su The Elegant Universe di Greene, la M in M-teoria sta per «magia, mistero, o matrice, a piacere». Un'ultima spiegazione della M può essere data dal fatto che esse è l'undicesima lettera, come il numero di dimensioni. Negli ultimi anni grazie alla pubblicazione di articoli e libri da parte di fisici e matematici di tutto il mondo, la teoria delle stringhe ha acquisito maggiore notorietà, non limitando la conoscenza degli straordinari progressi della teoria ad una stretta cerchia di scienziati.

Alcuni recenti sviluppi portano alle D-brane, oggetti che i fisici cominciano a includere in alcune teorie che comprendono le stringhe aperte della teoria delle superstringhe.

Proprietà principali[modifica | modifica sorgente]

Teorie delle stringhe
Tipo Dimensioni Dettagli
Bosonica 26 Solo bosoni, nessun fermione, quindi solo forze, niente materia, sia stringhe chiuse che aperte; incongruenza maggiore: una particella con massa immaginaria, chiamata tachione
I 10 Supersimmetria tra forze e materia, con stringhe sia aperte che chiuse, nessun tachione, gruppo simmetrico SO(32)
IIA 10 Supersimmetria tra forze e materia, solo stringhe chiuse, nessun tachione, fermioni privi di massa con spin in entrambe le direzioni (non-chirali)
IIB 10 Supersimmetria tra forze e materia, solo stringhe chiuse, nessun tachione, fermioni privi di massa con spin in un'unica direzione (chirali)
HO 10 Supersimmetria tra forze e materia, solo stringhe chiuse, eterotiche, cioè le stringhe che si muovono verso destra differiscono da quelle che si muovono a sinistra, nessun tachione, gruppo simmetrico SO(32)
HE 10 Supersimmetria tra forze e materia, solo stringhe chiuse, eterotiche, cioè le stringhe che si muovono verso destra differiscono da quelle che si muovono a sinistra, nessun tachione, gruppo simmetrico E8×E8

Se da un lato comprendere i dettagli delle teorie delle stringhe e delle superstringhe richiede la conoscenza di una matematica abbastanza sofisticata, alcune proprietà qualitative delle stringhe quantistiche possono essere capite in modo abbastanza intuitivo. Per esempio, le stringhe sono soggette a tensione, più o meno come le tradizionali corde degli strumenti; questa tensione è considerata un parametro fondamentale della teoria. La tensione della stringa è strettamente collegata alla sua dimensione. Si consideri una stringa chiusa ad anello, libera di muoversi nello spazio senza essere soggetta a forze esterne. La sua tensione tenderà a farla contrarre in un anello sempre più stretto. L'intuizione classica suggerisce che essa potrebbe ridursi ad un punto, ma questo contraddirebbe il principio di indeterminazione di Heisenberg. La dimensione caratteristica della stringa sarà quindi determinata dall'equilibrio fra la forza di tensione, che tende a renderla più piccola, e l'effetto di indeterminazione, che tende a mantenerla "allargata".

Di conseguenza, la dimensione minima della stringa deve essere collegata alla sua tensione.

Dualità[modifica | modifica sorgente]

Prima degli anni novanta, i teorici delle stringhe ritenevano che ci fossero cinque tipi diversi di superstringhe: tipo I (aperte e chiuse), tipo IIA e tipo IIB (entrambe chiuse), e le due teorie di stringhe eterotiche (SO(32) e E8×E8). Si pensava che tra queste cinque teorie candidate, solo una fosse la corretta teoria del tutto, e che fosse la teoria il cui basso limite energetico, con dieci dimensioni spaziotemporali compattate a quattro, si armonizzava con la fisica che osserviamo nel nostro mondo. Ma ora si sa che questa ingenua rappresentazione è sbagliata e che le cinque teorie delle superstringhe sono connesse ad una ulteriore teoria, come se fossero ognuna un caso speciale di una teoria più generale.
Queste teorie sono collegate da trasformazioni che sono chiamate dualità. Se due teorie sono messe in relazione da una trasformazione di dualità, significa che la prima teoria può essere trasformata in qualche modo così da finire per essere uguale alla seconda teoria. Le due teorie sono dette essere tra loro duali sotto quel tipo di trasformazione. Detto con altre parole, le due teorie sono differenti descrizioni matematiche dello stesso fenomeno.

Queste dualità legano quantità che si pensavano separate. Scale di distanza grandi e piccole, come pure forze d'accoppiamento forti e deboli, sono quantità che hanno sempre sottolineato limiti molto distinti nel comportamento di un sistema fisico, sia nella teoria classica che nella fisica quantistica delle particelle. Ma le stringhe possono eliminare le differenze tra grande e piccolo, forte e debole ed è così che le cinque teorie in apparenza molto diverse finiscono per essere correlate l'una con l'altra.

Supponendo di essere in uno spazio-tempo in dieci dimensioni, una di queste è temporale e le altre nove sono spaziali. Facendo in una di queste nove dimensioni un cerchio di raggio R, muovendosi in una direzione per una distanza L = 2πR si fa un giro attorno al cerchio e si torna la punto di partenza. Una particella che si muove lungo questo cerchio avrà un momento quantizzato attorno al cerchio, e questo contribuirà all'energia totale della particella. Ma una stringa è molto diversa, perché può avvolgersi intorno al cerchio. Il numero di volte che la stringa si avviluppa al cerchio è chiamato numero di avvolgimento, anch'esso quantizzato.
Nella teoria delle stringhe il momento e il numero di avvolgimento possono essere scambiati purché si scambi anche il raggio R del cerchio con la grandezza L_{st}^2/R, dove L_{st} è la lunghezza della stringa. Se R è molto più piccolo della lunghezza della stringa, allora la grandezza L_{st}^2/R sarà molto grande. Così si scambia la piccola scala di grandezza con quella grande.

Questo tipo di dualità, tra scale grandi e piccole, è chiamata T-dualità. La T-dualità relaziona la superstringa di tipo IIA con la superstringa di tipo IIB. Ciò significa che se si prende il tipo IIA e il tipo IIB e le si compatta su un cerchio, invertendo il momento e il numero di avvolgimento e invertendo la scala di distanza, una teoria cambia in un'altra. Vale la stessa regola per le due teorie eterotiche.

Inoltre, ogni forza ha una costante di accoppiamento. Per l'elettromagnetismo, è proporzionale alla radice della carica elettrica. Quando i fisici studiarono il comportamento quantistico dell'elettromagnetismo, non potevano risolvere esattamente l'intera teoria, così la rompevano in piccoli pezzi, ciascuno dei quali si poteva risolvere con una differente potenza della costante di accoppiamento. A normali energie nell'elettromagnetismo, la costante è piccola, per cui i primi piccoli pezzi producono con buona approssimazione il valore reale. Ma se la costante cresce, questo metodo di calcolo viene meno.

Anche le teorie delle stringhe hanno una costante di accoppiamento, ma diversamente dalle teorie di particelle, la costante non è solo un numero, ma dipende da una della modalità di oscillazione delle stringhe, chiamata dilatone. Cambiando il campo del dilatone con uno minore, si cambia una costante di accoppiamento elevata con una più piccola. Questa simmetria è chiamata S-dualità. Se due teorie delle stringhe sono relazionate dalla S-dualità, allora una teoria con una forte costante di accoppiamento è uguale ad un'altra teoria con una costante bassa. La teoria con forte costante non può essere compresa per mezzo di un'espansione in una serie, ma la teoria con bassa costante sì. Così se le teorie sono in relazione attraverso la S-dualità, conoscendo la teoria debole, è possibile conoscere anche quella forte.

Le teorie delle superstringhe relazionate dalla S-dualità sono: la teoria di superstringhe di tipo I con la superstringa eterotica SO32, e la teoria di tipo II con sé stessa.

Dimensioni Extra[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Dimensione extra.

Una caratteristica interessante della teoria delle stringhe è che essa predice il numero di dimensioni che l'Universo dovrebbe avere. Né la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell né la teoria della relatività di Einstein dicono nulla sull'argomento: entrambe le teorie richiedono che i fisici inseriscano "a mano" il numero delle dimensioni.

Invece, la teoria delle stringhe consente di calcolare il numero di dimensioni dello spazio-tempo dai suoi principi base.[4] Tecnicamente, questo accade perché il principio di invarianza di Lorentz può essere soddisfatto solo in un certo numero di dimensioni. Più o meno questo equivale a dire che se misuriamo la distanza fra due punti e poi ruotiamo il nostro osservatore di un certo angolo e misuriamo di nuovo, la distanza osservata rimane la stessa solo se l'universo ha un ben preciso numero di dimensioni.

Il solo problema è che quando si esegue questo calcolo, il numero di dimensioni dell'universo non è quattro, come ci si potrebbe attendere (tre assi spaziali e uno temporale), bensì ventisei. Più precisamente, le teorie bosoniche implicano 26 dimensioni, mentre le superstringhe la M-teoria risulta richiedere 10 o 11 dimensioni.[5] Nelle teorie di stringa bosonica, le 26 dimensioni risultano dall'equazione di Polyakov

Z=\int D^F \left [\rho \left (\xi \right ) \right ] \exp \left ( -{(26 - D) \over 12 \pi} \int_\xi \left [ {1 \over 2} {\left (\partial_a \rho \right )^2 \over \rho^2} \right ] + \int_\xi \mu_R^2 \rho^2 \right ).
Una rappresentazione tridimensionale di uno spazio di Calabi-Yau

Comunque, questi modelli sembrano in contraddizione con i fenomeni osservati. I fisici di solito risolvono questo problema in uno di due diversi modi. Il primo consiste nel compattare le dimensioni extra; cioè, si suppone che le 6 o 7 dimensioni extra producano effetti fisici su un raggio così piccolo da non poter essere rilevate nelle nostre osservazioni sperimentali. Senza aggiungere i flussi, riusciamo ad ottenere la risoluzione del modello a 6 dimensioni con gli spazi di Calabi-Yau. In 7 dimensioni, essi sono chiamati varietà G2 e in 8 varietà Spin(7). In sostanza, queste dimensioni extra vengono matematicamente compattate con successo facendole ripiegare su sé stesse.

Una analogia molto usata per questo è di considerare lo spazio multidimensionale come un tubo di gomma per il giardino. Se guardiamo il tubo da una certa distanza, esso sembra avere una sola dimensione, la sua lunghezza. Questo corrisponde alle quattro dimensioni macroscopiche cui siamo abituati normalmente. Se però ci avviciniamo al tubo, scopriamo che esso ha anche una seconda dimensione, la sua circonferenza. Questa dimensione extra è visibile solo se siamo vicini al tubo, proprio come le dimensioni extra degli spazi di Calabi-Yau sono visibili solo su lunghezze estremamente piccole, e quindi non sono facilmente osservabili.

(Ovviamente, un normale tubo per il giardino esiste nelle tre dimensioni spaziali, ma per consentire l'analogia si trascura il suo spessore e si considera solo il moto sulla superficie del tubo. Un punto sulla superficie del tubo può essere individuato con due numeri, la distanza da una delle estremità e una distanza sulla circonferenza, proprio come un punto sulla superficie terrestre può essere individuato univocamente dalla latitudine e dalla longitudine. In entrambi i casi, diciamo che l'oggetto ha due dimensioni spaziali. Come la Terra, i tubi da giardino hanno un interno, una regione che richiede una dimensione extra; però, a differenza della Terra, uno spazio di Calabi-Yau non ha un interno).

Un'altra possibilità è che noi siamo bloccati in un sottospazio a "3+1" dimensioni dell'intero universo, ove il 3+1 ci ricorda che il tempo è una dimensione di tipo diverso dallo spazio. Siccome questa idea implica oggetti matematici chiamati D-brane, essa è nota come mondo-brana (cfr. anche universo ecpirotico).

In entrambi i casi la gravità, agendo nelle dimensioni nascoste, produce altre forze non gravitazionali, come l'elettromagnetismo. In linea di principio, quindi, è possibile dedurre la natura di queste dimensioni extra imponendo la congruenza con il modello standard, ma questa non è ancora una possibilità pratica.

Problemi[modifica | modifica sorgente]

Verificabilità[modifica | modifica sorgente]

A tutt'oggi, la teoria delle stringhe non è verificabile, anche se ci sono aspettative che nuove e più precise misurazioni delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo, possano dare le prime conferme indirette. Indubbiamente non è l'unica teoria in sviluppo a soffrire di questa difficoltà; qualunque nuovo sviluppo può passare attraverso una fase di non verificabilità prima di essere definitivamente accettato o respinto.

Come Richard Feynman scrive ne Il carattere della Legge Fisica, il test chiave di una teoria scientifica è verificare se le sue conseguenze sono in accordo con le misurazioni ottenute sperimentalmente. Non importa chi abbia inventato la teoria, "quale sia il suo nome", e neanche quanto la teoria possa essere esteticamente attraente: "se essa non è in accordo con la realtà sperimentale, essa è sbagliata" (ovviamente, ci possono essere fattori collaterali: qualcosa può essere andato male nell'esperimento, o forse chi stava valutando le conseguenze della teoria ha commesso un errore: tutte queste possibilità devono essere verificate, il che comporta un tempo non trascurabile). Nessuna versione della teoria delle stringhe ha avanzato una previsione che differisca da quelle di altre teorie - almeno, non in una maniera che si possa verificare sperimentalmente. In questo senso, la teoria delle stringhe è ancora in uno "stato larvale": essa possiede molte caratteristiche di interesse matematico, e può davvero diventare estremamente importante per la nostra comprensione dell'Universo, ma richiede ulteriori sviluppi prima di poter diventare verificabile. Questi sviluppi possono essere nella teoria stessa, come nuovi metodi per eseguire i calcoli e derivare le predizioni, o possono consistere in progressi nelle scienze sperimentali, che possono rendere misurabili quantità che al momento non lo sono.

Si potrebbe tuttavia verificare la veridicità della teoria indirettamente analizzando i gravitoni. Gli attuali acceleratori di particelle non sono in grado di tracciare il momento in cui un gravitone sfugge per passare a una brana vicina. Forse LHC potrà darci nuove risposte.

Falsificabilità[modifica | modifica sorgente]

Considerare la teoria sotto il solo profilo della sua verificabilità, è comunque estremamente riduttivo ed apre il campo ad una serie di problemi. Non è infatti sufficiente l'accordo con i dati sperimentali per conferire lo status di teoria scientifica. Tutte le mere descrizioni di un fenomeno (sofisticatissime o banalissime come: "il sole sorge ogni mattina") sono in accordo con i dati sperimentali, e forniscono anche previsioni verificabili, ma senza essere per questo considerate teorie scientifiche.

Uno dei caratteri fondamentali di una teoria scientifica è invece il requisito popperiano della falsificabilità cioè della capacità di produrre almeno un enunciato da cui dipenda l'intera teoria e questo potrebbe essere problematico se si considera la teoria delle stringhe solo come teoria di grande unificazione. La teoria delle stringhe invece ha dato delle predizioni ben precise tramite la corrispondenza AdS/CFT sulla viscosità dei fluidi fortemente accoppiati che sono in accordo[6] con i dati sperimentali osservati al RHIC.

Un catalogo (pressoché) infinito di universi possibili[modifica | modifica sorgente]

Da un punto di vista più matematico, un altro problema è che la maggior parte della teoria delle stringhe è ancora formulata mediante l'utilizzo di metodi matematici perturbativi.
Potrebbe sembrare un problema da poco dal momento che anche la trattabilità di moltissimi problemi di una teoria di sicuro successo come la teoria quantistica dei campi è legata all'uso di metodi perturbativi.

Ma nella teoria delle stringhe i metodi perturbativi comportano un così alto grado di approssimazione che la teoria non è in grado di identificare quali degli spazi di Calabi-Yau siano candidati a descrivere il nostro universo. La conseguenza è che essa non descrive un solo universo, ma qualcosa come 10500 universi, ciascuno dei quali può avere diverse leggi fisiche e costanti.[7]
Sebbene le tecniche non-perturbative siano considerevolmente progredite, manca tuttavia una completa trattazione non-perturbativa della teoria.

In realtà ammettere 10500 vuoti diversi non solo non è un problema, ma anzi permette l'unico meccanismo noto al momento per spiegare il valore attuale della costante cosmologica[8][9] seguendo un'idea di Steven Weinberg[10]. Inoltre, un valore molto grande di vuoti diversi è tipico di qualunque tipo di materia accoppiata alla gravità e si ottiene anche quando si accoppia il modello standard[11].

Possibili prove[modifica | modifica sorgente]

L'uomo non possiede la tecnologia per osservare le stringhe, in quanto dai modelli matematici dovrebbero avere dimensioni intorno alla lunghezza di Planck, circa 10−35 metri. Le concentrazioni di energia richieste a tali dimensioni sembrano definitivamente fuori dalla portata di qualsiasi strumento attuale o futuro.

Anisotropie nel fondo cosmico e stringhe cosmiche[modifica | modifica sorgente]

Potremmo alla fine essere in grado di osservare le stringhe in maniera significativa, o almeno ottenere informazioni sostanziali osservando fenomeni cosmologici che possano chiarire gli aspetti della fisica delle stringhe. In particolare, visti i dati dell'esperimento WMAP, si suppone che gli esperimenti del satellite Planck dovrebbero far luce sulle condizioni iniziali dell'Universo, misurando con estrema precisione le anisotropie del fondo a microonde.

Nei primi anni 2000 i teorici delle stringhe hanno riportato in auge un vecchio concetto: la stringa cosmica. Le stringhe cosmiche, originariamente introdotte negli anni ottanta, sono oggetti differenti da quelli delle teorie delle superstringhe. Per alcuni anni le stringhe cosmiche sono state un modello molto in voga per spiegare vari fenomeni cosmici, come ad esempio la formazione delle galassie nelle prime epoche dell'universo. Ma esperimenti successivi — ed in particolare più precise misurazioni della radiazione cosmica di fondo — non sono stati in grado di confermare le ipotesi del modello delle stringhe cosmiche che per questo motivo fu abbandonato. Alcuni anni più tardi è stato osservato che l'universo in espansione può aver "stirato" una stringa "fondamentale" (del tipo che viene ipotizzato nella teoria delle superstringhe) fino ad allungarla a dimensioni macroscopiche. Una stringa così allungata può assumere molte delle proprietà della stringa del "vecchio" tipo, rendendo attuali ed utili i precedenti calcoli. Inoltre le moderne teorie delle superstringhe ipotizzano altri oggetti che potrebbero facilmente essere interpretati come stringhe cosmiche, ad esempio le D1-brane (dette anche D-stringhe) monodimensionali fortemente allungate. Come fa notare il fisico teorico Tom Kibble "i cosmologi delle teorie delle stringhe hanno scoperto stringhe cosmiche rovistando in ogni dove nel sottobosco". Le precedenti proposte metodologiche per ricercare le stringhe cosmiche possono essere ora utilizzate per investigare la teoria delle superstringhe. Ad esempio gli astronomi hanno anche riscontri numerosi di cosa potrebbe essere la lente gravitazionale indotta da stringhe.

Superstringhe, D-brane ed altri tipi di stringhe stirate fino alla scala intergalattica emettono onde gravitazionali che potrebbero essere rilevate utilizzando esperimenti del tipo LIGO. Esse possono anche provocare lievi irregolarità nella radiazione cosmica di fondo ancora impossibili da rilevare ma probabilmente osservabili in un prossimo futuro.

Sebbene accattivanti, queste prospettive cosmologiche sono carenti sotto un punto di vista: come precedentemente detto, la verifica sperimentale di una teoria richiede che i test siano in grado, in via di principio, di "rendere falsa" la teoria stessa. Per esempio, se si osservasse che il Sole durante un'eclissi solare non deflette la luce a causa della sua interazione gravitazionale, la teoria della relatività generale di Einstein sarebbe dimostrata erronea (naturalmente escludendo la possibilità di un errore nell'esperimento). Il fatto di non trovare stringhe cosmiche non dimostrerebbe che la teoria delle stringhe è fondamentalmente sbagliata ma solo che è sbagliata l'idea specifica di una stringa fortemente allungata a livello cosmico. Sebbene si possano fare, in via teorica, numerose misurazioni che dimostrino che la teoria delle stringhe è valida, fino ad ora gli scienziati non hanno escogitato dei "test" rigorosi.

Particelle a carica elettrica frazionaria[modifica | modifica sorgente]

Alcuni dei modelli di spazi di Calabi-Yau prevedono la possibile esistenza di particelle dotate di carica elettrica frazionaria, secondo rapporti diversi da quelli finora attribuiti alle cariche quark e antiquark.
L'osservazione futura di tali particelle potrebbe essere una traccia della validità della teoria, sebbene non decisiva, visto che la sua eventuale fondatezza rimane compatibile anche con l'inesistenza di tali cariche frazionarie.

Il Large Hadron Collider a caccia di stringhe[modifica | modifica sorgente]

Nel gennaio 2007 ricercatori dell'Università della California a San Diego, della Carnegie Mellon University e della Università del Texas a Austin hanno sviluppato un test per la teoria delle stringhe. Il test si basa sulla misura della diffusione dei bosoni W quando vengono fatti collidere con opportuni bersagli e dovrebbe essere svolto all'interno del Large Hadron Collider l'unico acceleratore di particelle in grado di fornire l'energia necessaria per l'esperimento[12].

Critiche[modifica | modifica sorgente]

Alain Connes ha elaborato un modello matematico che rigetta la teoria delle stringhe, e opera una sintesi fra relatività generale e meccanica quantistica, per descrivere lo spazio-tempo e l'universo.

Secondo altri fisici, la geometria non commutativa di Connes descrive bene lo spazio-tempo, predice la presenza di indeterminazione di Heisenberg, quando si misurino le coordinate di un evento, confermata anche dalla relatività generale e dalla meccanica quantistica.

La teoria di Connes prevede un bosone di Higgs di massa 170 GeV/c², escluso dai dati sperimentali del 2013 ((125.3 ± 0.6) GeV/c²).

Lee Smolin, autorevole scienziato con notevole competenza della materia, in un suo libro del 2006, intitolato in Italia L'universo senza stringhe. Fortuna di una teoria e turbamenti della scienza (titolo originale The Trouble with Physics) ha esposto con dovizia di particolari scientifici, storici e sociologici la tesi secondo cui con tutta probabilità la teoria delle stringhe ha fallito rispetto alle aspettative di essere una teoria del tutto. Smolin ne era un tempo sostenitore, ma poi ha elaborato nuove teorie, aderendo al modello del buco nero primordiale e contribuendo alla gravità quantistica a loop e alla cosmologia quantistica. Ha sviluppato quindi un suo modello, la selezione naturale cosmologica.

Roger Penrose, proponente a sua volta un'altra teoria, la cosmologia ciclica conforme, ha affermato che la teoria delle stringhe è sostanzialmente un fenomeno di «moda» e una «fede», e che va contro la relatività generale.[13].

In sintesi, la teoria delle stringhe sarebbe dissolta in un paesaggio di teorie (la teoria M, le superstringhe, il mondo-brana, ecc.). Nessuna di queste teorie, quantomeno il sottoinsieme riferibile ad un universo quale il nostro, dotato di costante cosmologica positiva (vedi le voci materia oscura ed energia oscura), sembra in grado di prevedere nuovi fenomeni, o di essere semplicemente falsificabile tramite un qualsiasi esperimento non descrivibile da un'altra teoria.

Fisici che hanno contribuito in modo rilevante alla teoria[modifica | modifica sorgente]

Moltissimi fisici di altissimo livello hanno contribuito alla nascita e allo sviluppo della teoria delle stringhe. Tra loro due vincitori del Premio Nobel, molti vincitori del Premio Dirac (il più prestigioso premio per la fisica teorica) e del Premio Heineman per la Fisica. E. Witten è anche vincitore della Medaglia Fields.

  1. Sergio Ferrara (Premio Dirac 1993, Premio Heineman 2006)
  2. Daniel Freedman (Premio Dirac 1993, Premio Heineman 2006)
  3. Michael B. Green (Premio Dirac 1989, Premio Heineman 2002)
  4. David J. Gross (Premio Dirac 1988, Premio Nobel 2004)
  5. Andrei Linde (Premio Dirac 2002), il quale poi si è dedicato però ad un'altra teoria, l'inflazione caotica
  6. Juan Martín Maldacena (Premio Heineman 2007, Premio Dirac 2008)
  7. Yoichiro Nambu (Medaglia Dirac 1986, Premio Nobel 2008)
  8. Joseph Polchinski (Premio Heineman 2007, Premio Dirac 2008)
  9. John Schwarz (Premio Dirac 1989, Premio Heineman 2002)
  10. Nathan Seiberg (Premio Heineman 1998)
  11. Andrew Strominger
  12. Leonard Susskind
  13. Cumrun Vafa (Premio Dirac 2008)
  14. Peter van Nieuwenhuizen (Premio Dirac 1993, Premio Heineman 2006)
  15. Gabriele Veneziano (Premio Heineman 2004)
  16. Edward Witten (Premio Dirac 1985, Medaglia Fields 1990, Premio Heineman 1998)
  17. Shing-Tung Yau (Medaglia Fields 1982)
  18. Brian Greene
  19. Michio Kaku
  20. Neil Turok

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Sunil Mukhi(1999)"The Theory of Strings: A Detailed Introduction"
  2. ^ Physics World, "Stringscape", p. 39
  3. ^ LA MADRE DI TUTTE LE TEORIE, Cose di Scienza. URL consultato il 14 giugno 2013.
  4. ^ Simeon Hellerman and Ian Swanson(2006): "Dimension-changing exact solutions of string theory".; Ofer Aharony and Eva Silverstein(2006):"Supercritical stability, transitions and (pseudo)tachyons".
  5. ^ M. J. Duff, James T. Liu and R. Minasian Eleven Dimensional Origin of String/String Duality: A One Loop Test Center for Theoretical Physics, Department of Physics, Texas A&M University
  6. ^ STRINGS LINK THE ULTRACOLD WITH THE SUPERHOT, Science News.
  7. ^ S. Kachru, R. Kallosh, A. Linde and S. P. Trivedi, de Sitter Vacua in String Theory, Phys.Rev.D68:046005,2003, arXiv:hep-th/0301240
  8. ^ N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and S. Kachru, Predictive Landscapes and New Physics at a TeV, arXiv:hep-th/0501082, SLAC-PUB-10928, HUTP-05-A0001, SU-ITP-04-44, January 2005
  9. ^ L. Susskind The Anthropic Landscape of String Theory, arXiv:hep-th/0302219, February 2003
  10. ^ Si veda ad esempio astro-ph/0005265.
  11. ^ Quantum Horizons of the Standard Model Landscape.
  12. ^ Si vedano:
  13. ^ Sir Roger Penrose: Cosmic Inflation is "fantasy"

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Testi divulgativi[modifica | modifica sorgente]

Manuali[modifica | modifica sorgente]

  • Michael Green, John Schwarz and Edward Witten, Superstring theory, Cambridge University Press (1987). Il libro di testo originale.
  • Johnson, Clifford, D-branes, Cambridge University Press (2003). ISBN 0-521-80912-6.
  • Joseph Polchinski, String Theory, Cambridge University Press (1998). Un testo moderno.
  • Zwiebach, Barton. A First Course in String Theory. Cambridge University Press (2004). ISBN 0-521-83143-1. Sono disponibili correzioni online.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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