L'Universo ha 26 dimensioni? Scopriamo insieme la teoria delle stringhe
Scienza e Fisica Quantistica
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Un obiettivo centrale della fisica della fine del XIX secolo è stata la scoperta dell’elettrone, e in seguito, lo studio del nucleo atomico e delle particelle elementari tramite l’analisi dei processi d’urto. La meccanica quantistica ha introdotto delle novità assegnando alle particelle alcune proprietà ondulatorie, oltre che corpuscolari.
Antonella Ravizza - 23/08/2022
Dai diagrammi di Feyman alla Teoria delle Stringhe
Dagli inizi degli anni ’20 del XX secolo è nata la teoria quantistica dei campi, che associa alle particelle i quanti di energia dei campi d’onda corrispondenti. Dagli anni ’30 sono stati fatti esperimenti a energie sempre più elevate che dimostrano che la materia è composta da elettroni, protoni e neutroni (materia ordinaria) e da moltissime altre particelle instabili, con tempi di disintegrazione spontanea molto brevi, dell’ordine di qualche milionesimo di secondo. A volte le interazioni tra le particelle sono indotte da scambi di altre particelle; questo è alla base della tecnica molto interessante dei diagrammi di Feynman, che consente di collegare la probabilità di reazione (nota come sezione d’urto) a processi elementari in cui le particelle reagenti generano altre particelle in stati intermedi. Alla somma dei diagrammi relativi a un certo processo la teoria associa un'ampiezza di probabilità, cioè un numero complesso il cui modulo al quadrato determina essenzialmente le sezioni d'urto. Con il proliferare delle particelle soggette alle interazioni forti, l’applicazione di questi metodi risulta limitata, per l’estrema intensità delle forze nucleari. Negli anni Sessanta si è cercato di caratterizzare le sezioni d’urto e le corrispondenti ampiezze di probabilità.
La Teoria delle Stringhe è nata proprio perché sembrava impossibile ricorrere alla teoria quantistica dei campi e ai corrispondenti diagrammi di Feynman per le interazioni forti. La Teoria delle Stringhe nasce nel 1968 da un un'intuizione del fisico italiano Gabriele Veneziano, ma solo nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen e Leonard Susskind la introdussero per la prima volta.
Nel 1974 John Schwarz e Joël Sherk ottennero dai modi di vibrazione delle stringhe una particella con spin pari a 2: il gravitone! Nel 1984 Michael Green e John Schwarz spiegarono tutti i fenomeni di interazione e fecero incuriosire tutti i fisici del tempo, tanto che la teoria iniziò ad essere conosciuta e diffusa a livello mondiale.
Ma cosa è la Teoria delle Stringhe?
In inglese string significa corda, infatti è nota anche come “teoria delle corde”. Non bisogna però fare confusione con la parola stringa, perché esiste in due diversi contesti. Nella Teoria delle Stringhe si ipotizza che tutte le particelle elementari (tutto l’Universo, anche noi) siano modi vibrazionali di stringhe microscopiche, talmente piccole che non possano essere distinte dalle particelle elementari che conosciamo. Le stringhe dovrebbero essere piccole cordicelle vibranti (chiuse o aperte) i cui modi di vibrazioni sarebbero in grado di creare tutte le particelle bosoniche e fermioniche conosciute. Esse sarebbero i costituenti ultimi della materia e avrebbero dimensioni addirittura un milione di volte più piccole dei quark: la dimensione di una stringa è infinitesimale, miliardi di miliardi di volte più piccola di un nucleo atomico (circa 10-35 metri) e questo precluderebbe ogni possibilità di osservarle.
La vibrazione delle stringhe dà origine sia alla materia sia all’energia.
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La base matematica e le verifiche sperimentali della Teoria delle Stringhe
Con la Teoria delle Stringhe le particelle subatomiche sono come note musicali e la Natura diventa una grande partitura.
La Teoria delle Stringhe ha una solida ed elegante base matematica, il problema attuale sta nel trovare le possibili verifiche a livello sperimentale. La Teoria delle Stringhe originaria, detta teoria bosonica, prendeva in considerazione i bosoni, la sua variante supersimmetrica è in grado di includere anche i fermioni, per questo si parla oggi di Teoria delle Superstringhe. Queste stringhe sono diverse dalle stringhe cosmiche. I fisici spesso chiamano stringhe fondamentali le stringhe microscopiche che costituiscono l’Universo e superstringhe cosmiche le stringhe cosmiche che derivano dalla teoria delle stringhe. Le stringhe cosmiche sono delle configurazioni di energia che, secondo alcune teorie di fisica delle alte energie, si sono formate in un passato remoto. Sono di struttura filamentosa e possono essere molto grandi, delle dimensioni di una galassia o addirittura lunghe quanto l’Universo. Le stringhe sarebbero sparse ovunque nell’Universo.
Alcune teorie di fisica moderna dicono che in passato molto remoto, pochi istanti dopo il Big Bang, si sarebbero formate le stringhe cosmiche che, a causa della continua espansione dell’Universo, sarebbero diventate sempre più grandi. Fino a qualche tempo fa si pensava che le superstringhe cosmiche fossero instabili e decadessero in tempi brevissimi nelle stringhe fondamentali. Recentemente, però si è notato che non è sempre vero, poiché è possibile avere delle configurazioni di superstringhe cosmiche stabili, che potrebbero essere sia aperte sia chiuse, e potrebbero formare un’intera rete di stringhe che è presente in tutto l’Universo. Purtroppo però non si è ancora trovato il modo di dimostrare sperimentalmente l’esistenza delle stringhe, quindi ad oggi la teoria delle stringhe resta una congettura teorica.
La Teoria delle Stringhe porta anche all'esistenza di nuove dimensioni (oltre le 3 spaziali + 1 temporale a cui siamo abituati): ben 26 nella teoria bosonica originaria e 10 nelle versioni con le superstringhe. I fisici si stanno abituando a queste stranezze, infatti un tempo chi parlava di nuove dimensioni o realtà parallele sarebbe stato classificato come un pazzo, adesso, invece, questi concetti sono accettati come possibili, e si ricerca per ottenere risultati più chiari.
