La teoria dell'iperspazio, di Michio Kaku
Scienza e Fisica Quantistica
Scienza e Fisica Quantistica
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Michio Kaku è uno dei più eminenti fisici teorici attualmente viventi e si occupa del campo più avanzato della fisica teorica contemporanea: l'universo delle superstringhe.
Massimo Teodorani - 14/11/2022
Non si pensi però ad un arcigno e complicato professore, anzi, il suo motto è: Take it easy!
Infatti uno dei suoi meriti è facilitare la comprensione di una materia che se può non sembrare per tutti ha però la forza di trasformare un' intera visione del cosmo. M. Kaku lo fa un po' giocando e un po' lasciandosi stupire come un poeta. Si percepisce bene questa sua qualità nel libro >>>Il Cosmo di Einstein dove riporta, tra gli altri, con piglio divertito, questo aneddoto del suo beneamato e compianto collega, da cui ha ereditato il sogno di una teoria unica.
Un giorno, fu chiesta a Einstein la formula del suo successo, e la risposta fu: «x+y+z dove x sta per lavoro, y per gioco…».
«E z?». Gli chiese il suo interlocutore sollecitando la lunga pausa di silenzio.
«Tenere la bocca chiusa!».
Scienza e Conoscenza, grazie alla collaborazione dell'astrofisico Massimo Teodorani, ha intervistato M.Kaku sottraendolo un poco dal suo impegno di conferenziere mondiale in cui si trovava impegnato per celebrare il centenario di Einstein. Le tematiche della conversazione riguardano la teoria delle superstringhe, la struttura dell'universo e il modo in cui le possibili intelligenze viventi in questo vasto universo si rapportano con esso.
Massimo Teodorani: Puoi spiegarci in che modo la teoria delle superstringhe rappresenta una rivoluzione nel panorama della fisica teorica contemporanea, in confronto alla relatività e alla meccanica quantistica? In che modo essa riesce a unificare tutte le forze della fisica?
Micho Kaku: Esistono quattro forze che regolano l'universo. La forza gravitazionale è descritta dalla relatività, che offre una spiegazione del mondo su vasta scala, per esempio dei buchi neri e dell'universo in espansione.
Le altre tre forze (la forza elettromagnetica e le forze nucleari debole e forte) sono descritte dalla teoria dei quanti (la teoria del molto piccolo, come la fisica sub-atomica). È notevole che tutte le conoscenze fisiche, alla fin fine, sono contenute in queste due teorie: relatività e teoria quantistica. Questo è il risultato più importante della fisica del ventesimo secolo. Tuttavia, queste due teorie sono molto diverse, ed è un mistero il fatto che non sia possibile combinarle facilmente in una teoria unificata.
Per mezzo secolo, i più importanti fisici del mondo hanno cercato di unificare queste due grandi teorie, fallendo. Finora, l'unica teoria che è riuscita nell'intento è quella delle stringhe.
Per migliaia di anni, dai tempi degli antichi greci, gli scienziati hanno pensato che la materia consistesse di particelle minuscole. La teoria delle stringhe è diversa. Si basa sulla semplice idea che ciascuna delle centinaia di particelle subatomiche che osserviamo in natura si manifesti come vibrazioni di una corda, la quale assomiglia a un elastico molto sottile. Ciascuna vibrazione corrisponde a una particella subatomica. La stringa, muovendosi, costringe lo spazio-tempo circostante ad arrotolarsi, come Einstein aveva predetto. In tal modo, otteniamo una splendida unificazione della teoria dei quanti e della relatività. È l'unica teoria che possa vantare un simile risultato.
Cos'è la “M-brane theory”, e in che modo essa espande la teoria fondamentale delle superstringhe?
La teoria delle stringhe si basa su corde sottili che vibrano in un iperspazio a dieci dimensioni (il nostro mondo familiare possiede solo quattro dimensioni: tre dello spazio e una del tempo).
Ma la cosa strana è che esistono cinque teorie delle stringhe, il che sembra eccessivo. Secondo Einstein, le leggi dell'universo dovevano essere uniche, quindi cinque universi auto-consistenti sembrano troppi. Ma nella “M-theory” postuliamo che l'universo abbia undici dimensioni e contenga membrane (come una sfera). L'importanza della M-theory sta nel fatto che può spiegare perché esistono cinque diverse teorie della stringhe. Se prendiamo una sfera e la tagliamo lungo l'equatore, otteniamo un anello. Quindi, eliminando una dimensione, una sfera diventa un anello (stringa circolare).
Similmente, è possibile dimostrare che esistono cinque modi per sezionare o ridurre una sfera a undici dimensioni in un anello a dieci dimensioni. Per cui, tutte e cinque le teorie delle stringhe sono manifestazioni dello stesso oggetto. La M-theory è una versione più avanzata della teoria delle stringhe, ma è la stessa teoria. Sebbene la teoria delle stringhe sia abbastanza definita, finora conosciamo poco della struttura complessiva della M-theory vera e propria. Quest'ultima è ancora un mistero.
Quali sono gli esperimenti più interessanti in programma per dimostrare la teoria delle superstringhe, anche indirettamente?
La teoria delle stringhe non può essere provata direttamente, perché è una teoria dell'universo. Ogni soluzione corrisponde a un universo intero. Quindi, per verificare completamente la teoria, bisogna creare un universo in miniatura in laboratorio, il che è impossibile. Tuttavia, sono possibili delle prove indirette. Quando, per es. l'acceleratore di particelle Large Hadron Collider entrerà in funzione al CERN, in Svizzera, e speriamo di riuscire a produrre nuove strane particelle previste dalla teoria delle superstringhe, chiamate “sparticelle” o super particelle.
Inoltre, nel 2011 verrà lanciato un nuovo, potente satellite chiamato “LISA” (Laser Interferometry Space Antenna), che potrebbe riuscire a cogliere l'onda d'urto dell'istante della creazione. Esso consiste di tre satelliti spaziali, collegati da fasci laser, che compongono nello spazio un triangolo di cinque milioni di chilometri di diametro. Esso potrebbe catturare qualsiasi onda gravitazionale dell'istante originario del big bang che ancora fluttui nell'universo. Ciò permetterà di confrontare i dati sperimentali con le previsioni della teoria delle stringhe.
Sono in corso altri esperimenti per verificare le sottili deviazioni della teoria newtoniana della gravità, secondo la quale la forza di gravità diminuisce con l'inverso del quadrato della distanza. Se la gravità diminuisse con l'inverso del cubo della distanza, avremmo una prova diretta di una quinta dimensione (infatti, la gravità si dissiperebbe in questa dimensione superiore).
Infine, speriamo che la scoperta della materia oscura possa offrire contributi alla teoria delle stringhe, perché la materia oscura potrebbe essere fatta di vibrazioni superiori delle stringhe.
In che modo la teoria delle stringhe espande e/o conferma i nostri attuali modelli cosmologici, e come vengono descritte la materia oscura e l'energia oscura nell'ambito di questa teoria?
La materia oscura rappresenta il ventitré per cento dell'universo (per contrasto, gli atomi sono solo il quattro per cento). Questa materia oscura è invisibile e costituisce la maggior parte della materia nell'universo, avvolgendo le galassie in un alone invisibile. È possibile che la materia oscura sia composta di sparticelle, super particelle o vibrazioni superiori delle stringhe. Alcune sparticelle hanno carica neutra, possiedono massa e obbediscono precisamente alle proprietà della materia oscura. Oggi, in qualsiasi momento uno scienziato potrebbe annunciare di aver catturato in laboratorio una particella di materia oscura. In tal modo, potremmo avere una prova indiretta della teoria delle stringhe, studiando o perfino catturando materia oscura in laboratorio.
L'energia oscura, invece, rappresenta il settantré per cento dell'universo. È l'energia del vuoto. Ora come ora, nessuno sa da dove viene questa energia. Sono state fatte molte ipotesi, incluse quelle dei teorici delle stringhe, ma per il momento nessuna teoria è stata accettata dalla comunità scientifica. È ancora un mistero per tutti.
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La teoria delle stringhe richiede necessariamente un universo multidimensionale. Quanto sono grandi queste dimensioni rispetto ai tre assi X, Y e Z del nostro dominio spaziale?
In natura non vediamo queste dimensioni superiori. Il fumo, per esempio, riempie una stanza, ma non scivola misteriosamente in un'altra dimensione, sparendo dal nostro universo.
Nella teoria delle stringhe a dieci dimensioni, si pensava che sei delle dieci dimensioni fossero arrotolate o intrecciate in una piccola sfera. Ma da quando è comparsa la M-theory, alcuni pensano che il nostro universo sia una specie di membrana che galleggi in un iperspazio a undici dimensioni. Alcune di queste sette nuove dimensioni possono essere molto grandi, anche infinite. Per cui, nella M-theory, alcune di queste dimensioni non devono essere piccole. Sfortunatamente, siamo bloccati nella nostra membrana e non possiamo saltare nell'iperspazio. Siamo come mosche sulla carta moschicida: non possiamo saltare in una dimensione più vasta. Ma poiché la gravità può muoversi tra gli universi, se misuriamo la forza di gravità a piccole distanze, potremmo riuscire a scoprire che la gravità si dilegua dal nostro universo verso una dimensione superiore. Oggi, in tutto il mondo, si stanno facendo molti esperimenti per verificare questa idea.
Puoi spiegarci qual è il rapporto tra una natura multidimensionale - come il modello a undici dimensioni predetto dalla M-brane theory - e l'idea del cosiddetto “multiverso”? Qual è la differenza tra gli universi paralleli e le dimensioni di ordine superiore, e come si relazionano tra loro?
Oggi, la teoria che meglio spiega gli ultimi dati satellitari si chiama inflazione. Essa si basa sull'idea che il nostro universo un tempo conobbe un'espansione rapidissima. Ma l'inflazione sostiene anche che se questo è successo una volta, può succedere ancora. Cioè: i big bang accadono continuamente, anche mentre stai leggendo questo articolo. Se così fosse, gli universi (come bolle di sapone) potrebbero dividersi in due bolle di sapone più piccole. Di fatto, bolle di sapone minuscole possono spuntare o formarsi in qualsiasi momento. Questa è la teoria più realistica degli universi paralleli. Questo viene chiamato multiverso.
Ma in che modo avviene questa inflazione? Per rispondere, abbiamo bisogno di una teoria più basilare dell'inflazione, che potrebbe essere quella delle stringhe. In quest'ultima, tali universi potrebbero essere simili a bolle di sapone che galleggiano nell'iperspazio a undici dimensioni. La maggior parte di questi universi paralleli sono probabilmente morti e consistono di una nebbia senza vita di particelle subatomiche, obbedienti a diverse leggi della fisica. Ma taluni di questi universi potrebbero anche assomigliare molto al nostro.
Come cambia il concetto di campo in fisica quando si passa dalla relatività tradizionale e la meccanica quantistica alla teoria delle superstringhe? E cosa accade alla legge di conservazione dell'energia?
Tutta la fisica, oggi come oggi, è definita in termini di campi. Questi ultimi vennero introdotti da Michael Faraday nel XIX sec. Pensa alle linee del campo magnetico che permeano tutto lo spazio, come la tela di un ragno. A ogni punto dello spazio e del tempo assegniamo una serie di numeri che viene chiamata campo.
L'elettricità, il magnetismo, la gravità e le forze nucleari sono tutte formulate nel linguaggio dei campi. Tuttavia, quando la teoria delle stringhe venne formulata per la prima volta, nel 1968, essa consisteva di un miscuglio di teorie prive di relazioni. Era tutto molto confuso. Ciò che volevo era una teoria di campo delle stringhe, che potesse esprimere la teoria delle stringhe tramite un'equazione lunga un pollice. Grazie a K. Kikkawa, siamo riusciti a riformulare tutta la teoria delle stringhe nel linguaggio dei campi. La nostra equazione è lunga solo un pollice. La nostra teoria di campo delle stringhe è ora una riformulazione riconosciuta di tutta la teoria della stringhe.
Ma oggi, con la comparsa della M-theory, sappiamo che oltre alle stringhe devono esserci le membrane, e forse abbiamo bisogno di una nuova teoria di campo per esprimere tutta la M-theory espressa da un'equazione lunga un pollice. Finora, nessuno è riuscito a farlo.
Dal punto di vista epistemologico, la teoria delle stringhe viene considerata una sorta di teoria olistica o una versione allargata di una teoria riduzionista?
Il riduzionismo cerca di ridurre l'universo alle sue componenti minime, fondamentali. L'olismo cerca di vedere l'universo nella sua interezza.
Da questo punto di vista, le origini della teoria delle stringhe sono ironiche. Nel 1968 venne scoperta per caso, mentre si cercava di spiegare le particelle sub-atomiche osservate frantumando gli atomi, un procedimento tipicamente riduzionista. Ma quando i fisici vollero spiegare le particelle risultanti da tale frantumazione degli atomi, scoprirono centinaia di particelle sub-atomiche. Sembrava che il metodo riduzionista stesse entrando in crisi.
Oggi, molti fisici ritengono che questa giungla di particelle possa essere espressa attraverso la teoria delle stringhe. Ma poiché la teoria delle stringhe include automaticamente la teoria einsteiniana della relatività, essa fornisce una descrizione dell'universo intero, il che è un concetto olistico. Quindi, anche se le origini della teoria delle stringhe sono riduzioniste, le sue conclusioni sono olistiche. Anziché descrivere soltanto particelle minuscole, ha finito con il descrivere l'universo.
Qual è il ruolo dell'osservatore nella teoria delle superstringhe, se assumiamo che una conferma sperimentale di una simile teoria sia possibile? Come opera il principio di indeterminazione quantistica in tale caso?
La teoria delle stringhe è una teoria quantistica. Rispetta tutti i principi della teoria quantistica postulati nel 1925. Dunque, segue il principio di indeterminazione. Con ciò, vogliamo dire che devono esserci piccole fluttuazioni nella fisica newtoniana o einsteiniana che la rendono “confusa” e indeterminata. Per questo, non possiamo sapere con esattezza la posizione e la velocità di un elettrone. Non possiamo conoscere esattamente nemmeno la natura dello spazio-tempo, a causa di queste piccole fluttuazioni.
Dunque, intorno allo spazio-tempo devono esistere piccole fluttuazioni che lo rendono leggermente incerto.
Di solito, le fluttuazioni quantistiche sono piccole, come nell'atomo. Ma i fisici rimasero scioccati quando scoprirono che nella gravità queste fluttuazioni diventano infinite, rendendo inutile una teoria quantistica della gravità. Fu una tragedia. I fisici spesero decenni interi nel tentativo di eliminare questi infiniti, senza riuscirci. Solo nella teoria delle stringhe queste fluttuazioni possono essere tenute sotto controllo. Di fatto, finora questa è l'unica teoria che abbia questa notevole caratteristica.
Cosa pensi, come fisico teorico, del progetto SETI? Credi che dal punto di vista scientifico sia meglio cercare civiltà extraterrestri presumibilmente antropomorfe usando il SETI standard (“Microwave Observing Project e Optical SETI”) o altre metodologie come: a) la ricerca astronomica di un eccesso infrarosso generato da civiltà di Tipo II che siano riuscite a costruire “sfere di Dyson” intorno al loro sistema stellare, e forse anche grandi “arche di Dyson” in (relativamente) lento viaggio da una stella all'altra; b) civiltà di Tipo III presumibilmente in grado di compiere veloci visite in tutta la galassia, incluso il nostro pianeta?
Credo che sia praticamente certo che nello spazio esistano civiltà avanzate. Ci sono cento miliardi di galassie visibili dai nostri telescopi, ognuna con circa cento miliardi di stelle. Quindi, esistono centomila miliardi di stelle nell'universo visibile, e ritengo probabile che esseri intelligenti vivano in alcune di esse.
In ogni caso, raggiungere la Terra da una stella lontana richiede una tecnologia avanzata, probabilmente di Tipo III (una civiltà che detiene il controllo di un'intera galassia). Una tale civiltà sarebbe più progredita di noi di centinaia di migliaia, se non di milioni di anni. Si può calcolare che in una civiltà di Tipo III si raggiungano le energie in cui predomina la teoria delle stringhe. Quindi, una civiltà del genere potrebbe essere in grado di sondare direttamente, o persino manipolare, la teoria delle stringhe. In ogni caso, noi siamo una civiltà di Tipo 0 (cioè, deriviamo la nostra energia da piante morte, come il petrolio e il carbone), quindi energie del genere possiamo solo sognarle.
Tuttavia, il progetto SETI finora non ha scoperto niente. La mia opinione è questa: se stai camminando in una strada di campagna e vedi un formicaio, non ti chini a dire alle formiche: «Vi porto ciondoli e collanine. Vi porto l'energia nucleare. Vi porto la biotecnologia. Conducetemi dal vostro capo». Piuttosto, le calpesti e basta.
Allo stesso modo, è piuttosto presuntuoso ritenere che civiltà di Tipo III desiderino contattare noi, civiltà di Tipo 0, per trasmetterci la loro tecnologia avanzata. È più probabile che siamo troppo primitivi per essere interessanti (in realtà, il rischio maggiore non è che essi ci invadano, ma che facciano “piazza pulita” del nostro formicaio, per costruire qualche autostrada interstellare, senza nemmeno comprendere di aver cancellato una civiltà primitiva di Tipo 0).
Come può essere che una tecnologia aliena super-evoluta, in grado di padroneggiare “l'energia di punto zero”, possa creare la cosiddetta “warpdrive”? Puoi spiegarci in che modo una civiltà aliena in grado di imbrigliare l'energia di Planck possa manipolare lo spazio e il tempo?
Secondo la teoria di Einstein, se riesci ad accumulare abbastanza energia negativa (una forma esotica di energia che è stata prodotta in laboratorio), è possibile creare un “wormhole”, un cunicolo in grado di collegare due punti distanti nello spazio e nel tempo, come nei film di fantascienza. Al livello dell'energia di Planck, l'energia propria della teoria delle stringhe, sono possibili enormi distorsioni dello spazio-tempo, sufficienti a una civiltà evoluta per curvare la struttura dello spazio e del tempo. Anche se tutto ciò è solo un'ipotesi, usando la teoria di Einstein si può riuscire a spezzare la struttura dello spazio-tempo, e quindi a usare wormhole per creare macchine del tempo e come metodo di “iper-propulsione”.
C'è un problema: le correzioni quantistiche possono sigillare il wormhole non appena ci entri, oppure le radiazioni possono ucciderti. Per risolvere questi problemi, c'è bisogno di una teoria quantistica della gravità, come la teoria delle stringhe. Ma in questo momento la teoria delle stringhe non è ancora abbastanza sviluppata per offrire una risposta a tali questioni.
Cos'è la “Creazione” per un fisico teorico? Un concetto filosofico e/o religioso, o un possibile nuovo concetto scientifico?
Nel pensiero giudaico-cristiano c'è stato un momento di Genesi, in cui l'universo è stato creato. Nel buddismo invece non c'è creazione, ma solo Nirvana, che è fuori dal tempo, senza inizio né fine. Per cui, abbiamo una contraddizione. O l'universo ha un inizio o non ce l'ha; non esiste via di mezzo.
Al contrario, nella fisica si sta facendo strada una nuova idea, che unisce queste due concezioni in modo soddisfacente. Oggi crediamo (ma non possiamo ancora dimostrarlo) che la Genesi stia accadendo a ogni istante nell'oceano atemporale di un Nirvana iperspaziale a undici dimensioni. Come bolle di sapone che continuamente si dividono in altre bolle di sapone, crediamo che il nostro universo stia galleggiando in un iperspazio a undici dimensioni, insieme a un numero infinito di universi paralleli.
Dove è la “Mente di Dio”, secondo la versione “M-brane ” della teoria delle superstringhe? E qual è, secondo te, la religione che oggi si avvicina di più a tutto ciò?
Nella teoria delle stringhe, le particelle subatomiche corrispondono alle note della corda vibrante. La fisica non è che l'armonia di queste corde vibranti. La chimica consiste nelle melodie che si possono suonare su tali corde. L'universo è una sinfonia di corde, e la mente di Dio, su cui Einstein ha scritto tanto eloquentemente, corrisponderebbe alla musica cosmica che risuona in un iperspazio a undici dimensioni.
Qual è la “formula” più semplice per descrivere un fisico innovativo, oggi? Che consiglio daresti ai giovani che vogliono intraprendere una carriera in fisica?
Oggi, per essere un fisico, devi avere la passione per le idee più avanzate e rivoluzionarie, oltre a essere disposto a fare sacrifici per realizzare il tuo sogno. Ma poiché la teoria delle stringhe non è completa, le giovani menti hanno molto spazio per offrire contributi significativi. Forse, un giovane che stia leggendo questo articolo ne trarrà ispirazione per completare il sogno einsteiniano di una teoria del tutto.
Per saperne di più sulla teoria delle superstringhe vedi anche il video su: http://www.scienzaeconoscenza.it/articolo.php?id=22543
Su Michio Kaku
Dr. Michio Kaku è il co-fondatore della Teoria del Campo delle Stringhe, e l'autore di bestsellers a livello internazionale (vedi sotto), ultimo l'acclamato: >>>Fisica dell'impossibile.
Il Dr. Kaku detiene anche la Cattedra Henry Semat per la fisica teoretica all'Università di New York.
Il suo sito - MKaku.org - è una comunità dove è possibile soffermarsi e condividere sui Forum o incontrarsi nella chat room. Qui inoltre si possono leggere gli ultimi articoli di Michio Kaku, saperne di più su i suoi libri e le sue interviste e ascoltare il suo radio show settimanale: Explorations in Science e altri programmi media
