Come l’universo potrebbe avere più dimensioni

La teoria delle stringhe è una presunta teoria di tutto ciò che i fisici sperano un giorno spiegherà tutto.

Tutte le forze, tutte le particelle, tutte le costanti, tutte le cose sotto un unico tetto teorico, dove tutto ciò che vediamo è il risultato di minuscole stringhe vibranti. I teorici hanno lavorato sull'idea dagli anni '60 e una delle prime cose che hanno capito è che affinché la teoria funzioni, devono esserci più dimensioni delle quattro a cui siamo abituati .

Ma quell'idea non è così folle come sembra.

Disastro dimensionale

Nella teoria delle stringhe, piccoli anelli di filamentosità vibrante (in teoria sono l'oggetto fondamentale della realtà) si manifestano come le diverse particelle (elettroni, quark, neutrini, ecc.) e come portatori di forza della natura (fotoni, gluoni, gravitoni, ecc.). Il modo in cui lo fanno è attraverso le loro vibrazioni. Ogni corda è così piccola che ci appare come nient'altro che una particella puntiforme, ma ogni corda può vibrare con modalità diverse, allo stesso modo in cui puoi ottenere note diverse da una corda di chitarra.

Si pensa che ogni modalità di vibrazione si riferisca a un diverso tipo di particella. Quindi tutte le stringhe che vibrano in un modo sembrano elettroni, tutte le stringhe che vibrano in un altro modo sembrano fotoni e così via. Quelle che vediamo come collisioni di particelle sono, nella teoria della teoria delle stringhe, un mucchio di stringhe che si uniscono e si dividono.

Ma perché la matematica funzioni, ci devono essere più di quattro dimensioni nel nostro universo. Questo perché il nostro solito Questo Tempo Web non dà alle corde abbastanza "spazio" per vibrare in tutti i modi di cui hanno bisogno per esprimersi pienamente come tutte le varietà di particelle del mondo. Sono semplicemente troppo vincolati.

In altre parole, le corde non si muovono solo, ma si muovono in modo iperdimensionale.

Le versioni attuali della teoria delle stringhe richiedono 10 dimensioni in totale, mentre una teoria delle stringhe ber ancora più ipotetica nota come teoria M ne richiede 11. Ma quando guardiamo intorno all'universo, vediamo solo le solite tre dimensioni spaziali più la dimensione del tempo. Siamo abbastanza sicuri che se l'universo avesse più di quattro dimensioni, a quest'ora ce ne saremmo accorti.

Come è possibile conciliare la richiesta di dimensioni extra della teoria delle stringhe con le nostre esperienze quotidiane nell'universo?

Raggomitolato e compatto

Per fortuna, i teorici delle stringhe sono stati in grado di indicare un antecedente storico per questa nozione apparentemente radicale.

Nel 1919, poco dopo che Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale, il matematico e fisico Theodor Kaluza stava giocando con le equazioni, solo per divertimento. E ha trovato qualcosa di particolarmente interessante quando ha aggiunto una quinta dimensione alle equazioni, non è successo niente. Le equazioni della relatività non si preoccupano molto del numero di dimensioni; è qualcosa che devi aggiungere per rendere la teoria applicabile al nostro universo.

Ma poi Kaluza ha aggiunto una svolta speciale a quella quinta dimensione, facendola avvolgere su se stessa in quella che ha chiamato la "condizione del cilindro". Questa esigenza ha fatto emergere qualcosa di nuovo: Kaluza ha recuperato le solite equazioni della relatività generale nelle solite quattro dimensioni, più una nuova equazione che replicava le espressioni dell'elettromagnetismo.

Sembrava che l'aggiunta di dimensioni potesse potenzialmente unificare la fisica.

In retrospettiva, questa era un po' una falsa pista.

Tuttavia, un paio di decenni dopo un altro fisico, Oskar Klein, cercò di dare all'idea di Kaluza un'interpretazione in termini di meccanica quantistica. Ha scoperto che se questa quinta dimensione esisteva ed era in qualche modo responsabile dell'elettromagnetismo, quella dimensione doveva essere accartocciata, avvolgendosi su se stessa (proprio come nell'idea originale di Kaluza), ma molto più piccola, fino a un minimo 10^-35 metri.

Le molte varietà della teoria delle stringhe

Se una dimensione (o dimensioni) extra è davvero così piccola , non ce ne saremmo accorti ormai. È così piccolo che non potremmo sperare di sondarlo direttamente con i nostri esperimenti ad alta energia. E se quelle dimensioni sono avvolte su se stesse, allora ogni volta che ti muovi in ​​questa Rete quadridimensionale, stai davvero circumnavigando quelle dimensioni extra miliardi e miliardi di volte.

E queste sono le dimensioni in cui vivono le stringhe della teoria delle stringhe.

Con ulteriori approfondimenti matematici, si è scoperto che le sei dimensioni spaziali extra necessarie nella teoria delle stringhe devono essere racchiuse in un particolare insieme di configurazioni, note come varietà di Calabi-Yao da due eminenti fisici. Ma non c'è una varietà unica consentita dalla teoria della puntura.

Sono circa 10^200.000.

Si scopre che quando hai bisogno di sei dimensioni per rannicchiarsi su se stesse e dare loro quasi tutti i modi possibili per farlo, si somma.

Ci sono molti modi diversi per avvolgere quelle dimensioni extra su se stessi. E ogni possibile configurazione influenzerà il modo in cui vibrano le corde al loro interno. Poiché il modo in cui le corde vibrano determinano come si comportano qui nel mondo macroscopico, ogni scelta di molteplicità porta a un universo distinto con il proprio insieme di fisica.

Quindi solo una varietà può dare origine al mondo così come lo sperimentiamo . Ma quale?

Sfortunatamente, la teoria delle stringhe non può darci una risposta, almeno non ancora. Il problema è che la teoria delle stringhe non è finita, abbiamo solo vari metodi di approssimazione che speriamo si avvicinino alla realtà, ma in questo momento non abbiamo idea di quanto abbiamo ragione. Quindi non abbiamo una tecnologia matematica per seguire la catena, dalla varietà specifica alla specifica vibrazione delle corde fino alla fisica dell'universo.

La risposta dei teorici delle stringhe è qualcosa chiamato il Paesaggio, un multiverso di tutti i possibili universi previsti dalle varie varietà, con il nostro universo solo come un punto tra tanti.

Ed è qui che la teoria delle stringhe si trova oggi, da qualche parte nel Paesaggio.

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Paul M. Sutter è un astrofisico al SUNY Stony Brook e al Flatiron Institute, conduttore di Ask a This Webman e This Web Radio e autore di Your Place in the Universe .

Scopri di più ascoltando l'episodio "La teoria delle stringhe vale la pena? (Parte 3: La dimensione è il destino)" sul podcast Ask A This Webman, disponibile su iTunes (si apre in una nuova scheda) e sul Web all'indirizzo http://www .askaspaceman.com . Grazie a John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. per le domande che ha portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter .

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