La teoria delle superstringhe, nel linguaggio popolare, rappresenta l'universo come un insieme di fili vibranti di energia - stringhe. Sono il fondamento della natura. L'ipotesi descrive anche altri elementi: le brane. Tutta la materia nel nostro mondo è composta da vibrazioni di corde e brane. Una conseguenza naturale della teoria è la descrizione della gravità. Ecco perché gli scienziati ritengono che contenga la chiave per unificare la gravità con altre forze.
Concetto in evoluzione
La teoria dei campi unificati, la teoria delle superstringhe, è puramente matematica. Come tutti i concetti fisici, si basa su equazioni che possono essere interpretate in determinati modi.
Oggi nessuno sa esattamente quale sarà la versione finale di questa teoria. Gli scienziati hanno un'idea piuttosto vaga dei suoi elementi generali, ma nessuno ha ancora escogitato un'equazione definitiva che copra tutte le teorie delle superstringhe, e sperimentalmente non è ancora stato in grado di confermarlo (anche se non per smentirlo). I fisici hanno creato versioni semplificate dell'equazione, ma finora non descrive del tutto il nostro universo.
Teoria delle superstringhe per principianti
L'ipotesi si basa su cinque idee chiave.
- La teoria delle superstringhe prevede che tutti gli oggetti nel nostro mondo sono costituiti da filamenti vibranti e membrane di energia.
- Cerca di combinare la relatività generale (gravità) con la fisica quantistica.
- La teoria delle superstringhe unificherà tutte le forze fondamentali dell'universo.
- Questa ipotesi prevede una nuova connessione, la supersimmetria, tra due tipi fondamentalmente diversi di particelle, bosoni e fermioni.
- Il concetto descrive una serie di dimensioni aggiuntive, solitamente non osservabili dell'Universo.
Stringhe e brane
Quando la teoria emerse negli anni '70, i fili di energia in essa contenuti erano considerati oggetti unidimensionali - stringhe. La parola "unidimensionale" significa che la stringa ha solo 1 dimensione, la lunghezza, a differenza, ad esempio, di un quadrato, che ha sia una lunghezza che un' altezza.
La teoria divide queste superstringhe in due tipi: chiuse e aperte. Una corda aperta ha estremità che non si toccano, mentre una corda chiusa è un anello senza estremità aperte. Di conseguenza, si è riscontrato che queste stringhe, dette stringhe del primo tipo, sono soggette a 5 tipi principali di interazione.
Le interazioni si basano sulla capacità di una stringa di collegare e separare le sue estremità. Poiché le estremità delle stringhe aperte possono combinarsi per formare stringhe chiuse, è impossibile costruire una teoria delle superstringhe che non includa stringhe in loop.
Questo si è rivelato importante, poiché le stringhe chiuse hanno proprietà, secondo i fisici, che potrebbero descrivere la gravità. In altre parole, scienziatisi rese conto che la teoria delle superstringhe, invece di spiegare le particelle di materia, può descriverne il comportamento e la gravità.
Dopo molti anni, si è scoperto che, oltre alle stringhe, per la teoria sono necessari altri elementi. Possono essere pensati come fogli o brane. Le corde possono essere attaccate su un lato o su entrambi i lati.
Gravità quantistica
La fisica moderna ha due leggi scientifiche principali: la relatività generale (GR) e la quantistica. Rappresentano campi della scienza completamente diversi. La fisica quantistica studia le particelle naturali più piccole e GR, di regola, descrive la natura sulla scala dei pianeti, delle galassie e dell'universo nel suo insieme. Le ipotesi che tentano di unificarle sono chiamate teorie della gravità quantistica. La più promettente oggi è la stringa.
I thread chiusi corrispondono al comportamento della gravità. In particolare, hanno le proprietà di un gravitone, una particella che trasporta la gravità tra gli oggetti.
Unire le forze
La teoria delle stringhe cerca di combinare le quattro forze - elettromagnetica, forze nucleari forti e deboli e gravità - in una sola. Nel nostro mondo si manifestano come quattro diversi fenomeni, ma i teorici delle stringhe credono che nell'universo primordiale, quando c'erano livelli di energia incredibilmente alti, tutte queste forze sono descritte da stringhe che interagiscono tra loro.
Supersimmetria
Tutte le particelle nell'universo possono essere divise in due tipi: bosoni e fermioni. Teoria delle stringhepredice che esiste una relazione tra loro, chiamata supersimmetria. Nella supersimmetria, ci deve essere un fermione per ogni bosone e un bosone per ogni fermione. Sfortunatamente, l'esistenza di tali particelle non è stata confermata sperimentalmente.
La supersimmetria è una relazione matematica tra elementi di equazioni fisiche. È stato scoperto in un' altra area della fisica e la sua applicazione ha portato alla ridenominazione della teoria delle stringhe supersimmetriche (o teoria delle superstringhe, nel linguaggio popolare) a metà degli anni '70.
Uno dei vantaggi della supersimmetria è che semplifica enormemente le equazioni consentendo di eliminare alcune variabili. Senza supersimmetria, le equazioni portano a contraddizioni fisiche come valori infiniti e livelli di energia immaginari.
Poiché gli scienziati non hanno osservato le particelle previste dalla supersimmetria, è ancora un'ipotesi. Molti fisici ritengono che la ragione di ciò sia la necessità di una quantità significativa di energia, che è correlata alla massa dalla famosa equazione di Einstein E=mc2. Queste particelle potrebbero essere esistite nell'universo primordiale, ma quando si è raffreddato e l'energia si è diffusa dopo il Big Bang, queste particelle si sono spostate a livelli di energia bassi.
In altre parole, le corde che vibravano come particelle ad alta energia persero la loro energia, trasformandole in elementi di vibrazione inferiore.
Gli scienziati sperano che le osservazioni astronomiche o gli esperimenti con gli acceleratori di particelle confermino la teoria rivelando alcuni degli elementi supersimmetrici con unenergia.
Misure aggiuntive
Un' altra conseguenza matematica della teoria delle stringhe è che ha senso in un mondo con più di tre dimensioni. Al momento ci sono due spiegazioni per questo:
- Le dimensioni extra (sei di esse) sono crollate o, nella terminologia della teoria delle stringhe, si sono compattate in dimensioni incredibilmente piccole che non saranno mai percepite.
- Siamo bloccati nella brana 3D e le altre dimensioni si estendono oltre e sono per noi inaccessibili.
Un'importante linea di ricerca tra i teorici è la modellazione matematica di come queste coordinate extra potrebbero essere correlate alle nostre. Gli ultimi risultati prevedono che presto gli scienziati saranno in grado di rilevare queste dimensioni extra (se esistono) nei prossimi esperimenti, poiché potrebbero essere più grandi del previsto.
Capire lo scopo
L'obiettivo che gli scienziati cercano quando esplorano le superstringhe è una "teoria del tutto", cioè un'unica ipotesi fisica che descrive l'intera re altà fisica a un livello fondamentale. In caso di successo, potrebbe chiarire molte domande sulla struttura del nostro universo.
Spiegazione della materia e della massa
Uno dei compiti principali della ricerca moderna è trovare soluzioni per particelle reali.
La teoria delle stringhe nasce come un concetto che descrive particelle come gli adroni in vari stati vibrazionali superiori di una stringa. Nella maggior parte delle moderne formulazioni, la materia osservata nel nsuniverso, è il risultato delle vibrazioni di corde e brane con l'energia più bassa. Vibrazioni più elevate generano particelle ad alta energia che attualmente non esistono nel nostro mondo.
La massa di queste particelle elementari è una manifestazione di come le corde e le brane sono avvolte in dimensioni extra compattate. Ad esempio, in un caso semplificato in cui sono piegati a forma di ciambella, chiamata toro da matematici e fisici, una stringa può avvolgere questa forma in due modi:
- ciclo breve attraverso il centro del toro;
- un lungo anello attorno all'intera circonferenza esterna del toro.
Un ciclo breve sarà una particella leggera e un ciclo grande sarà una particella pesante. L'avvolgimento di stringhe attorno a dimensioni toroidali compattate produce nuovi elementi con masse diverse.
La teoria delle superstringhe spiega in modo conciso e chiaro, semplice ed elegante la transizione dalla lunghezza alla massa. Le dimensioni piegate qui sono molto più complicate del toro, ma in linea di principio funzionano allo stesso modo.
È anche possibile, anche se difficile da immaginare, che il filo si avvolga attorno al toro in due direzioni contemporaneamente, risultando in una particella diversa con una massa diversa. Le brane possono anche avvolgere dimensioni extra, creando ancora più possibilità.
Determinare spazio e tempo
In molte versioni della teoria delle superstringhe, le dimensioni collassano, rendendole inosservabili all'attuale livello di sviluppo tecnologico.
Attualmente non è chiaro se la teoria delle stringhe possa spiegare la natura fondamentale dello spazio e del tempopiù di Einstein. In esso, le misurazioni sono lo sfondo per l'interazione delle stringhe e non hanno alcun significato reale indipendente.
Sono state offerte spiegazioni, non completamente sviluppate, riguardo alla rappresentazione dello spazio-tempo come una derivata della somma totale di tutte le interazioni di stringhe.
Questo approccio non soddisfa le idee di alcuni fisici, il che ha portato a critiche all'ipotesi. La teoria competitiva della gravità quantistica ad anello usa la quantizzazione dello spazio e del tempo come punto di partenza. Alcuni credono che finirà per essere solo un approccio diverso alla stessa ipotesi di base.
Quantizzazione della gravità
Il principale risultato di questa ipotesi, se confermata, sarà la teoria quantistica della gravità. L'attuale descrizione della gravità nella relatività generale non è coerente con la fisica quantistica. Quest'ultimo, imponendo restrizioni al comportamento di piccole particelle, porta a contraddizioni quando si cerca di esplorare l'Universo su scala estremamente piccola.
Unificazione delle forze
Attualmente i fisici conoscono quattro forze fondamentali: gravità, interazioni elettromagnetiche, nucleari deboli e forti. Dalla teoria delle stringhe deriva che una volta erano tutte manifestazioni di uno.
Secondo questa ipotesi, dal momento che l'universo primordiale si è raffreddato dopo il big bang, questa singola interazione ha cominciato a dividersi in diverse che sono attive oggi.
Gli esperimenti ad alta energia un giorno ci permetteranno di scoprire l'unificazione di queste forze, sebbene tali esperimenti siano ben oltre l'attuale sviluppo della tecnologia.
Cinque scelte
Dopo la rivoluzione delle superstringhe nel 1984, lo sviluppo è stato portato avanti a un ritmo febbrile. Di conseguenza, invece di un concetto, c'erano cinque tipi denominati I, IIA, IIB, HO, HE, ognuno dei quali descriveva quasi completamente il nostro mondo, ma non completamente.
I fisici, selezionando le versioni della teoria delle stringhe nella speranza di trovare una formula universale vera, hanno creato 5 diverse versioni autosufficienti. Alcune delle loro proprietà riflettevano la re altà fisica del mondo, altre non corrispondevano alla re altà.
Teoria M
In una conferenza nel 1995, il fisico Edward Witten propose una soluzione coraggiosa al problema di cinque ipotesi. Sulla base della dualità appena scoperta, sono diventati tutti casi speciali di un unico concetto generale, chiamato teoria M delle superstringhe di Witten. Uno dei suoi concetti chiave erano le brane (abbreviazione di membrane), oggetti fondamentali con più di 1 dimensione. Sebbene l'autore non abbia offerto una versione completa, che non è ancora disponibile, la teoria M delle superstringhe consiste brevemente nelle seguenti caratteristiche:
- 11-dimensione (10 spaziali più 1 dimensione temporale);
- dualità che portano a cinque teorie che spiegano la stessa re altà fisica;
- brane sono stringhe con più di 1 dimensione.
Conseguenze
Di conseguenza, invece di una, c'erano 10500 soluzioni. Per alcuni fisici ciò ha causato una crisi, mentre altri hanno accettato il principio antropico, che spiega le proprietà dell'universo con la nostra presenza in esso. Resta da vedere quando i teorici ne troveranno un altromodo di orientamento nella teoria delle superstringhe.
Alcune interpretazioni suggeriscono che il nostro mondo non è l'unico. Le versioni più radicali consentono l'esistenza di un numero infinito di universi, alcuni dei quali contengono copie esatte del nostro.
La teoria di Einstein prevede l'esistenza di uno spazio a spirale, chiamato wormhole o ponte Einstein-Rosen. In questo caso, due siti distanti sono collegati da un breve passaggio. La teoria delle superstringhe consente non solo questo, ma anche la connessione di punti distanti di mondi paralleli. È anche possibile passare tra universi con diverse leggi della fisica. Tuttavia, è probabile che la teoria quantistica della gravità renderà impossibile la loro esistenza.
Molti fisici ritengono che il principio olografico, quando tutte le informazioni contenute nel volume dello spazio corrispondono alle informazioni registrate sulla sua superficie, consentirà una comprensione più profonda del concetto di fili energetici.
Alcuni credono che la teoria delle superstringhe consenta molteplici dimensioni del tempo, che potrebbero comportare un viaggio attraverso di esse.
Inoltre, nell'ambito dell'ipotesi, esiste un' alternativa al modello del big bang, secondo il quale il nostro universo è apparso come risultato della collisione di due brane e attraversa ripetuti cicli di creazione e distruzione.
Il destino ultimo dell'universo ha sempre occupato i fisici e la versione finale della teoria delle stringhe aiuterà a determinare la densità della materia e la costante cosmologica. Conoscendo questi valori, i cosmologi possono determinare se l'universo lo faràrimpicciolirsi finché non esplode per ricominciare tutto da capo.
Nessuno sa dove può portare una teoria scientifica finché non viene sviluppata e testata. Einstein, scrivendo l'equazione E=mc2, non si aspettava che avrebbe portato alla comparsa di armi nucleari. I creatori della fisica quantistica non sapevano che sarebbe diventata la base per creare un laser e un transistor. E anche se non si sa ancora a cosa porterà un tale concetto puramente teorico, la storia mostra che qualcosa di eccezionale si rivelerà sicuramente.
Per ulteriori informazioni su questa congettura, vedere Superstring Theory for Dummies di Andrew Zimmerman.
