Cos’è la teoria delle stringhe?

La teoria delle stringhe è l'idea nella fisica teorica che la realtà sia costituita da stringhe vibranti infinitesime, più piccole di atomi, elettroni o quark. Secondo questa teoria, quando le corde vibrano, si attorcigliano e si piegano, producono effetti in molte, minuscole dimensioni che gli esseri umani interpretano come qualsiasi cosa, dalla fisica delle particelle a fenomeni su larga scala come la gravità.

La teoria delle stringhe è stata presentata come una possibile "teoria del tutto", un quadro unico che potrebbe unire la relatività generale e la meccanica quantistica , due teorie che sono alla base di quasi tutta la fisica moderna. Mentre la meccanica quantistica funziona molto bene nel descrivere il comportamento di cose molto piccole e la relatività generale funziona bene per spiegare come accadono cose molto grandi nell'universo, non funzionano bene insieme. Alcuni scienziati pensano (o pensavano) che la teoria delle stringhe potesse risolvere gli enigmi tra i due, superando uno dei principali problemi irrisolti della fisica rimasti.

Ma dopo che la teoria delle stringhe ha guadagnato importanza alla fine degli anni '60 e '70, la sua popolarità tra i fisici teorici ha fluttuato, secondo una conferenza del fisico del California Institute of Technology John Schwarz , ampiamente considerato uno dei fondatori della teoria delle stringhe. Dopo innumerevoli articoli, conferenze e pennarelli cancellabili a secco, la svolta mozzafiato che molti speravano un tempo sembra più lontana che mai.

Tuttavia, la raffica di pensieri attorno all'idea stessa della teoria delle stringhe ha lasciato un'impronta profonda sia sulla fisica che sulla matematica. Piaccia o no (e alcuni fisici certamente no), la teoria delle stringhe è qui per restare.

Cos'è la teoria delle stringhe?

La teoria delle stringhe è una struttura che i fisici usano per descrivere come le forze solitamente concettualizzate a livello gigantesco, come la gravità, potrebbero influenzare piccoli oggetti come elettroni e protoni.

Nella teoria della relatività generale di Albert Einstein , la gravità è una forza che deforma questo tempo web attorno a oggetti massicci. È una delle quattro forze che i fisici usano per descrivere la natura. Ma a differenza delle altre forze (elettromagnetismo, forza forte e forza debole), la gravità è così debole che non può essere rilevata o osservata sulla scala di una particella. Invece, i suoi effetti sono evidenti e importanti solo sulla scala di lune, pianeti, stelle e galassie.

La gravità sembra non esistere nemmeno come particella a sé stante. I teorici possono prevedere come dovrebbe essere una particella gravitazionale, ma quando cercano di calcolare cosa succede quando due di questi "gravitoni" si scontrano, ottengono una quantità infinita di energia impacchettata in una piccola rete un segno sicuro, secondo l'astrofisico Paul Sutter in un precedente articolo per This Web.com , che alla matematica manca qualcosa.

Una possibile soluzione, che i teorici hanno preso in prestito dai fisici nucleari negli anni '70, è quella di sbarazzarsi dell'idea di particelle gravitaniche problematiche e puntiformi. Le corde, e solo le corde, possono scontrarsi e rimbalzare in modo pulito senza implicare infiniti fisicamente impossibili.

La matematica della teoria delle stringhe richiedeva sei dimensioni aggiuntive (per un totale di 10) visibili solo alle piccole stringhe, proprio come una linea elettrica sembra una linea 1D per gli uccelli che volano molto in alto ma un cilindro 3D per una formica che striscia sul filo. (Credito immagine: Shutterstock)

"Un oggetto unidimensionale è la cosa che doma davvero gli infiniti che emergono nei calcoli", ha detto a This Web.com l'esperta di teoria delle stringhe Marika Taylor, fisica teorica dell'Università di Southampton in Inghilterra.

La teoria delle stringhe ribalta la pagina sulla descrizione standard dell'universo sostituendo tutta la materia e le particelle di forza con un solo elemento: minuscole stringhe vibranti che si attorcigliano e ruotano in modi complicati che, dal nostro punto di vista, sembrano particelle. Una corda di una lunghezza particolare che colpisce una nota particolare potrebbe acquisire le proprietà di un fotone, un'altra corda piegata e che vibra con una frequenza diversa potrebbe svolgere il ruolo di un quark e così via.

Oltre a domare la gravità, la teoria delle stringhe era interessante per il suo potenziale di spiegare le cosiddette costanti fondamentali come la massa di un elettrone. Il passo successivo, speravano i teorici, sarebbe stato quello di trovare il modo giusto per descrivere la piegatura e il movimento delle corde, e tutto il resto avrebbe dovuto seguire.

Ma quella semplicità iniziale si è rivelata a scapito di una complessità inaspettata che la matematica delle stringhe non ha funzionato nelle nostre quattro dimensioni familiari (tre di Questo Web e una del tempo). Aveva bisogno di un totale di 10 dimensioni , con sei visibili solo dalla prospettiva dei fili, proprio come una linea elettrica sembra una linea 1D per gli uccelli che volano molto in alto, ma diventa un cilindro 3D per una formica che striscia sul filo.

Come si è evoluta la teoria delle stringhe?

La teoria delle stringhe oggi non corrisponde esattamente alla teoria delle stringhe degli anni '60 e '70. I ricercatori non sono d'accordo sul fatto che, con modifiche, sia ancora il miglior candidato per una "teoria del tutto" o se i teorici debbano abbandonarla a favore di altri argomenti.

"Nel 1973-74 c'erano molte buone ragioni per smettere di lavorare sulla teoria delle stringhe", ha scritto Schwarz. L'attenzione dei fisici si era spostata da quella che sembrava un'esplorazione infruttuosa di minuscole stringhe "morbide" non rilevabili e invece aveva raccolto prove più convincenti di adroni, particelle subatomiche composte da quark le cui azioni non potevano essere spiegate da stringhe.

"Quella che era stata un'impresa in forte espansione che coinvolgeva diverse centinaia di teorici si è rapidamente interrotta", ha scritto Schwarz. "Solo pochi irriducibili hanno continuato a perseguirlo".

Nel decennio successivo, alcuni scienziati hanno continuato a perseguire cinque diverse versioni della teoria delle stringhe. Nel corso del tempo, i ricercatori hanno iniziato a trovare connessioni inaspettate tra le cinque idee, che Edward Witten, un teorico dell'Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, ha raccolto e presentato in una conferenza sulla teoria delle stringhe del 1995 presso l'Università della California meridionale. Witten ha sostenuto che le cinque teorie delle stringhe rappresentavano ciascuna un'approssimazione di una teoria più fondamentale a 11 dimensioni mentre si comportava in una situazione particolare, proprio come le teorie della relatività di Einstein Questo Web e la curvatura del tempo corrispondono alla descrizione di Newton degli oggetti che si muovono normalmente velocità. Questo fu l'inizio di uno spin-off della teoria delle stringhe: M-theory.

La "M" è probabilmente ispirata da oggetti di dimensioni superiori chiamati membrane, ha detto Taylor, ma poiché la teoria non ha equazioni matematiche concrete, la "M" rimane un segnaposto senza significato ufficiale. "Era davvero una parametrizzazione della nostra ignoranza", ha detto.

I tentativi di trovare quelle equazioni generali che avrebbero funzionato in ogni possibile situazione hanno fatto scarsi progressi, ma la presunta esistenza della teoria fondamentale ha fornito ai teorici la comprensione e la fiducia necessarie per sviluppare tecniche matematiche per le cinque versioni della teoria delle stringhe e applicarle nel contesto in cui ogni teoria ha funzionato.

L'interpretazione artistica della teoria delle stringhe. (Credito immagine: Biblioteca fotografica scientifica tramite Getty Images)

Le stringhe sono troppo piccole per essere rilevate con qualsiasi tecnologia immaginabile, ma uno dei primi successi teorici è stata la capacità dei fisici di descrivere l'entropia dei buchi neri in un articolo del 1996 pubblicato sulla rivista Physics Letters .

L'entropia si riferisce al numero di modi in cui puoi disporre le parti di un sistema, ma senza essere in grado di vedere nelle profondità impenetrabili di un buco nero, nessuno sa che tipo di particelle potrebbero trovarsi all'interno o quali disposizioni possono prendere. Eppure, all'inizio degli anni '70, Stephen Hawking e altri hanno utilizzato le leggi della termodinamica e, secondo un articolo pubblicato nel 2020 sulla rivista Physics , la meccanica quantistica per calcolare l'entropia all'interno di un buco nero, suggerendo che i buchi neri devono avere una sorta di struttura interna. Quale potesse essere quella struttura è rimasto un mistero.

La maggior parte dei tentativi di descrivere la composizione del buco nero non è all'altezza, ma le configurazioni di ipotetiche stringhe funzionano. "La teoria delle stringhe è stata in grado di fornire un conteggio preciso", ha detto Taylor, una possibile spiegazione effettiva degli interni dei buchi neri, non solo un'idea approssimativa.

Tuttavia, la struttura della teoria delle stringhe deve ancora affrontare molte sfide: produce un numero impossibile di modi per piegare le sei dimensioni extra. Ogni opzione sembra adattarsi alle caratteristiche generali del Modello Standard che governa la fisica delle particelle, con poche speranze di distinguere quale sia quella giusta. Inoltre, ha scritto l'astrofisico Ethan Siegel nel suo blog Starts With a Bang , tutti quei modelli per la gestione delle dimensioni extra si basano su un'equivalenza tra particelle di forza e particelle di materia chiamata supersimmetria. Ma, proprio come le dimensioni extra richieste dalla teoria delle stringhe, nel nostro mondo non osserviamo la supersimmetria.

Oltre a queste obiezioni, non è chiaro che la teoria delle stringhe M-theory o meno possa mai essere compatibile con la nostra moderna comprensione di un universo in espansione, pieno di energia oscura, ha riportato Quanta Magazine nel 2018.

Un certo numero di fisici, come Peter Woit della Columbia University, vede queste divergenze dalla realtà come difetti fatali. "Il problema di fondo con la ricerca sull'unificazione della teoria delle stringhe non è che il progresso sia stato lento negli ultimi 30 anni", ha scritto sul suo blog , "ma che è stato negativo, con tutto ciò che si è appreso che mostra più chiaramente perché l'idea non funziona ."

Taylor, tuttavia, sostiene che i modelli odierni sono eccessivamente semplicistici e che caratteristiche come l'espansione cosmologica e la mancanza di supersimmetria potrebbero un giorno essere integrate nelle versioni future. Taylor prevede che, mentre la nuova era dell'astronomia delle onde gravitazionali può portare nuove informazioni sulla gravità quantistica, si faranno maggiori progressi continuando a seguire la matematica più in profondità nella teoria delle stringhe.

"Ho un pregiudizio teorico", ha detto, "ma penso che il tipo di svolta che sto descrivendo verrebbe da una lavagna, dal pensiero".

Perché la teoria delle stringhe è ancora importante?

Indipendentemente dal fatto che la teoria delle stringhe possa mai essere trasformata in una "teoria del tutto", la sua eredità come programma di ricerca produttivo può essere assicurata solo dal merito matematico.

"Non può essere un vicolo cieco nel senso di ciò che abbiamo imparato solo dalla matematica stessa", ha detto Taylor. "Se domani mi dicessi che l'universo non è assolutamente supersimmetrico e non ha 10 dimensioni [spaziali], abbiamo comunque collegato interi rami della matematica" usando il framework della teoria delle stringhe.

In particolare, quando Witten e altri ricercatori hanno dimostrato che le cinque teorie delle stringhe erano l'ombra di un'unica teoria progenitrice, hanno evidenziato connessioni chiamate dualità, che si sono rivelate un importante contributo alla matematica e alla fisica.

Le dualità consentono ai matematici di tradurre da un ramo della matematica all'altro, affrontando problemi insostenibili in un framework utilizzando calcoli eseguiti nell'altro, ad esempio in geometria e teoria dei numeri. Altre dualità hanno aiutato a superare le sfide nell'informatica quantistica, secondo Taylor. "Non farà il tuo iPhone di prossima generazione", ha detto, "Ma potrebbe fare il tuo iPhone per il 22° secolo".

Se la capacità della teoria delle stringhe di illuminare il dark web che collega diverse aree della matematica risulta essere un segno del suo potenziale o solo una fortunata coincidenza rimane oggetto di dibattito. Witten, parlando all'Institute for Advanced Study nel 2019, ha riconosciuto che mentre non si sente più sicuro come una volta che la teoria delle stringhe si evolverà in una teoria fisica completa, il suo istinto gli dice che la teoria rimane un campo produttivo di ricerca.

"Per me, non è plausibile che gli esseri umani si siano imbattuti per caso in una struttura così incredibile che getta così tanta luce su teorie fisiche consolidate e anche su così tanti rami diversi della matematica", ha detto al pubblico. "Ho fiducia che l'impresa generale sia sulla strada giusta, ma non affermo che l'argomento che ho esposto sia scientificamente convincente".

Risorse addizionali

Trova una storia più approfondita e spiegazioni dell'attuale scienza della teoria delle stringhe su WhyStringTheory.com , un sito Web creato da studenti laureati dell'Università di Oxford e dell'Università di Cambridge per "laici interessati". Oppure, se preferisci andare direttamente alla fonte, dai un'occhiata a questa intervista del Corriere del CERN con Gabriele Veneziano, ideatore della teoria delle stringhe. Se stai cercando un video esplicativo, guarda questi due video intitolati " Perché la teoria delle stringhe è giusta " e " Perché la teoria delle stringhe è sbagliata ", entrambi di PBS Digital Studios.

Bibliografia

  • "Robbert Dijkgraaf e Edward Witten in Conversation – Videos | Institute for Advanced Study", 30 maggio 2019. https://www.ias.edu/video/universe/2019/0529-DijkgraafWitten .
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  • Siegel, Ethan. "Perché la supersimmetria può essere la più grande previsione fallita nella storia della fisica delle particelle". Forbes, 12 febbraio 2019. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/02/12/why-supersymmetry-may-be-the-greatest-failed-prediction-in-particle-physics-history / .
  • Strominger, A. e C. Vafa. "Origine microscopica dell'entropia Bekenstein-Hawking". Lettere di fisica B 379, n. 14 (giugno 1996): 99104. https://doi.org/10.1016/0370-2693(96)00345-0 .
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  • Woit, Pietro. "Domande frequenti | Nemmeno sbagliate." Nemmeno sbagliato (blog). Accesso il 17 gennaio 2022. https://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?page_id=4338 .
  • Wolchover, Natalie. "L'energia oscura potrebbe essere incompatibile con la teoria delle stringhe". Rivista Quanta, 9 agosto 2018. https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-incompatible-with-string-theory-20180809/ .
  • Zayas, Leopoldo A. Pando. Un resoconto microscopico dell'entropia dei buchi neri. Fisica 13 (18 maggio 2020): 80. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021037 (si apre in una nuova scheda) .
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