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The Science of Superstrings

I fisici di oggi sono alle prese con un dilemma. Hanno accettato due teorie separate che spiegano il funzionamento dell’universo: La teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive l’universo su una scala molto grande, e la meccanica quantistica, che descrive l’universo su una scala molto piccola. Entrambe queste teorie sono state supportate in modo schiacciante dall’evidenza sperimentale.

Purtroppo, queste teorie non si completano a vicenda. La relatività generale, che descrive il funzionamento della gravità, implica un universo liscio e scorrevole di deformazioni e curve nel tessuto dello spaziotempo. La meccanica quantistica, con il suo principio di incertezza, implica che su una scala infinitesimamente piccola, l’universo è un luogo turbolento e caotico dove gli eventi possono essere previsti solo con probabilità. In due casi in cui le teorie concorrenti devono essere applicate entrambe – per descrivere il big bang e le profondità dei buchi neri – le equazioni si rompono.

La maggior parte dei fisici ha difficoltà ad accettare che l’universo operi secondo due teorie separate (e talvolta contraddittorie). Pensano che sia più probabile che l’universo sia governato da un’unica teoria che spiega tutte le osservazioni e i dati.

La caccia a una teoria

Per questo motivo, i fisici sono a caccia di una teoria unificata. Una tale teoria riunirebbe sotto un unico ombrello tutte e quattro le forze della natura: la gravità, la più debole delle quattro, come spiegato dalla relatività generale; e l’elettromagnetismo e le forze forti e deboli, come spiegato dalla teoria quantistica dei campi. Einstein ha perseguito una teoria unificata cercando di unire elettromagnetismo e gravità.

La teoria delle stringhe, chiamata anche teoria delle stringhe, è la formulazione attuale di questa ricerca in corso. La teoria delle stringhe cerca di unificare tutte e quattro le forze e, così facendo, di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica. Al suo centro c’è un’idea abbastanza semplice: tutte le particelle sono fatte di minuscoli filamenti vibranti di energia. (La teoria delle stringhe prende il suo nome dall’aspetto simile a una stringa di questi fili di energia). A differenza delle stringhe comuni, queste stringhe hanno una lunghezza (in media circa 10-33 centimetri) ma nessuno spessore. La teoria delle stringhe implica che le particelle che compongono tutta la materia che si vede nell’universo – e tutte le forze che permettono alla materia di interagire – sono fatte di minuscoli filamenti vibranti di energia.

La teoria attualmente accettata e verificata sperimentalmente su come funziona l’universo su scale subatomiche sostiene che tutta la materia è composta da – e interagisce attraverso – particelle puntiformi. Conosciuta come Modello Standard, questa teoria descrive le particelle elementari e tre delle quattro forze fondamentali che servono come elementi costitutivi del nostro mondo (vedi la tabella delle particelle elementari e la tabella delle particelle delle forze fondamentali per un elenco di queste particelle). Questa teoria non include la gravità.

Nella teoria delle stringhe, ogni tipo di particella di materia elementare – e ogni tipo di particella portatrice di forza fondamentale che media le interazioni tra le particelle di materia – corrisponde a un unico modello vibrazionale di stringa, un po’ come le diverse note suonate da un violino corrispondono a vibrazioni di stringa uniche. Il modo in cui una stringa vibra determina le proprietà – come la carica, la massa e lo spin – della particella che è. Le equazioni della teoria delle stringhe potrebbero dare origine a particelle elementari come quelle attualmente conosciute (elettroni, quark, fotoni, ecc.), ma poiché non si possono ancora fare previsioni numeriche dettagliate, è difficile sapere se l’assortimento di possibili modelli vibrazionali rende conto correttamente di tutte le particelle di materia e portatori di forza conosciuti. Le stringhe possono essere aperte o chiuse a formare un anello. Che una stringa sia aperta o chiusa determina il tipo di interazioni che può subire.

È la natura delle stringhe che unifica la relatività generale e la meccanica quantistica. Secondo la teoria quantistica dei campi, le particelle interagiscono a distanza zero nello spaziotempo. Secondo la teoria della relatività generale, la particella portatrice di forza teorizzata per la gravità, il gravitone, non può operare a distanza zero. Le stringhe aiutano a risolvere questo dilemma. Poiché sono unidimensionali e hanno lunghezza, “spalmano” le interazioni su piccole distanze. Questo smear rende lo spaziotempo abbastanza liscio da permettere al gravitone di interagire con altre particelle del campo quantico, unificando così i due insiemi di leggi.

Un prezzo esorbitante

Ma la teoria delle stringhe, con tutta la sua eleganza, ha un prezzo. Perché la teoria sia coerente, l’universo deve avere più di tre dimensioni spaziali. Infatti, la teoria delle stringhe prevede un universo con nove dimensioni spaziali e una dimensione temporale, per un totale di 10 dimensioni. (Le nove dimensioni spaziali consistono nelle tre dimensioni estese che sperimentiamo nella vita quotidiana, più sei dimensioni teorizzate, minuscole e arricciate, che non possono essere viste con le tecnologie esistenti. Queste sei dimensioni extra sono presenti in ogni punto del familiare mondo tridimensionale. L’esistenza di più di tre dimensioni spaziali è un concetto così difficile da afferrare che persino i teorici delle stringhe non riescono a visualizzarlo. Spesso usano delle analogie per aiutare ad immaginare queste astrazioni.

Per esempio, immaginate un pezzo di carta con una superficie piatta bidimensionale. Se si arrotola questa superficie, essa formerà un tubo, e una dimensione diventerà arricciata. Ora immaginate di continuare ad arrotolare la superficie finché non è arrotolata così strettamente che la dimensione interna arricciata sembra scomparire e il tubo sembra semplicemente una linea. In modo simile, le dimensioni extra previste dalla teoria delle stringhe sono così strettamente arricciate che sembrano scomparire nell’esperienza quotidiana.

Queste dimensioni arricciate possono assumere certe configurazioni complesse note come forme Calabi-Yau. Sfortunatamente, esistono decine di migliaia di variazioni di queste forme, ed è difficile sapere quali potrebbero rappresentare correttamente le dimensioni extra del nostro universo. È importante sapere quali sono corrette perché è la forma di queste dimensioni extra che determina i modelli delle vibrazioni delle stringhe. Questi schemi, a loro volta, rappresentano tutti i componenti che permettono all’universo conosciuto di esistere.

Queste dimensioni extra potrebbero essere piccole come 10-35 metri o grandi come un decimo di millimetro. In alternativa, le dimensioni extra potrebbero essere altrettanto grandi o più grandi del nostro universo. Se questo è il caso, alcuni fisici credono che la gravità potrebbe trapelare attraverso queste dimensioni extra, il che potrebbe aiutare a spiegare perché la gravità è così debole rispetto alle altre tre forze.

C’è una corrispondenza

La teoria delle stringhe prevede anche che ogni particella di materia conosciuta abbia una corrispondente particella “super” portatrice di forza non ancora scoperta e che ogni particella portatrice di forza conosciuta abbia una corrispondente particella “super” di materia non ancora scoperta. Questa idea, conosciuta come supersimmetria, aiuta a stabilire una relazione tra particelle di materia e particelle portatrici di forza. Chiamate superparticelle (vedi “Particelle e Sparticelle” qui sotto), si pensa che queste particelle teorizzate siano più massicce delle loro controparti conosciute, il che potrebbe essere il motivo per cui non sono ancora state osservate con gli attuali acceleratori e rivelatori di particelle.

* Il gravitone e il bosone di Higgs non sono ancora stati confermati sperimentalmente.Trova un elenco completo delle particelle e dei loro proposti superpartner in “Particelle Elementari” su www.pbs.org/nova/elegant/.

Il potenziale di ciò che la teoria delle stringhe potrebbe aiutare a spiegare è enorme. Potrebbe rivelare cosa è successo nel momento in cui l’universo è iniziato. La teoria del big bang descrive solo ciò che è successo dopo la prima piccolissima frazione di secondo. Secondo le teorie convenzionali, prima di allora l’universo si è ridotto a zero – un’impossibilità. Sotto gli auspici della teoria delle stringhe, l’universo potrebbe non essersi mai rimpicciolito fino al punto in cui è scomparso, ma piuttosto potrebbe essere iniziato ad una dimensione minuscola, la dimensione di una singola stringa.

La teoria delle stringhe potrebbe anche aiutare a rivelare la natura dei buchi neri, che, sebbene previsti dalla relatività generale, non sono mai stati completamente spiegati a livello quantistico. Usando un tipo di teoria delle stringhe, i fisici hanno descritto matematicamente buchi neri in miniatura senza massa che – dopo aver subito cambiamenti nella geometria delle dimensioni extra della teoria delle stringhe – ricompaiono come particelle elementari con massa e carica. Alcuni teorici ora pensano che i buchi neri e le particelle fondamentali siano identici e che le loro differenze percepite riflettano qualcosa di simile alle transizioni di fase, come la transizione dell’acqua liquida in ghiaccio.

La teoria delle stringhe apre anche la porta a diverse ipotesi sull’evoluzione e la natura dello spazio e del tempo, come l’aspetto dell’universo prima del big bang o la capacità dello spazio di lacerarsi e ripararsi o di subire cambiamenti topologici.

Quando tutto è cominciato

La teoria delle stringhe non è completamente nuova. Si sta evolvendo dalla fine degli anni ’60. A un certo punto, c’erano cinque varianti della teoria. Poi, a metà degli anni ’90, è emersa una teoria nota come M-teoria che ha unificato le cinque teorie. La M-teoria è considerata l’ultimo passo nell’evoluzione della teoria delle stringhe (vedi “M-teoria, magia, mistero, madre?” a destra).

L’ultima incarnazione della teoria delle stringhe – la teoria M- ha rivelato che le cinque versioni precedenti della teoria delle stringhe erano solo cinque aspetti diversi di una teoria.

Nessuna parte della teoria delle stringhe è stata confermata sperimentalmente. Questo in parte perché i teorici non capiscono ancora abbastanza bene la teoria per fare previsioni definitive e verificabili. Inoltre, si pensa che le stringhe siano così piccole – meno di un miliardesimo di miliardesimo della dimensione di un atomo – che tecnologie come gli attuali acceleratori e rivelatori non sono abbastanza potenti per rilevarle (vedi “Seeking the Fundamental” sotto). Mentre la teoria delle stringhe non può ancora essere verificata sperimentalmente, i fisici sperano che alcuni dei suoi aspetti possano essere supportati da prove circostanziali, come dimostrare l’esistenza di:

• dimensioni extra. I fisici sperano che gli acceleratori di particelle attuali o futuri possano aiutare a indicare l’esistenza di dimensioni extra. I rivelatori potrebbero misurare l’energia mancante che sarebbe trapelata dalle nostre dimensioni in quelle dimensioni extra, fornendo eventualmente la prova che queste dimensioni esistono.

• particelle superparticelle. I ricercatori useranno gli acceleratori di particelle attuali e di prossima generazione per cercare le particelle superpartner previste dalla teoria delle stringhe.

• flussi nella radiazione di fondo. L’universo è permeato da una radiazione uniforme della temperatura molto bassa di 2,7 gradi Kelvin. Si crede che questo sia un residuo dell’altissima temperatura originale del big bang. Confrontando le temperature di diversi punti del cielo distanti solo 1 grado, sono state trovate differenze di temperatura estremamente piccole (dell’ordine di un centomillesimo di grado Kelvin). Gli scienziati stanno cercando differenze di temperatura ancora più piccole di una forma specifica che potrebbe essere rimasta dai primi momenti del big bang, quando le energie necessarie per creare le stringhe potrebbero essere state raggiunte.

Alla ricerca del fondamentale

Mentre i fisici che usano i collisori hanno trovato prove della maggior parte delle particelle di materia e forza che compongono il Modello Standard, stanno ancora cercando una particella portatrice di forza teorizzata chiamata bosone di Higgs. Questo grafico mostra le energie alle quali alcune particelle e unificazioni di forze sono state trovate o teorizzate (cerchi pieni) e indica le energie che possono essere sondate con i collisori attuali o previsti (cerchi vuoti). I fisici sperano che il Large Hadron Collider del CERN in Svizzera e in Francia, la cui entrata in funzione è prevista per il 2007, possa rivelare prove del bosone di Higgs, così come indicazioni del teorizzato gravitone e delle sfuggenti particelle superpartner. Unificare le forze forti ed elettrodeboli o trovare le stringhe teorizzate sembra richiedere energie di sonda molto al di là di ciò che le tecnologie attuali offrono. Alcuni teorici, tuttavia, credono che l’energia delle stringhe possa essere più vicina alle energie degli acceleratori attuali o previsti.