Fili vibranti: l’arte della fisica.

Attualmente le particelle elementari sono oltre cento: un numero perfino eccessivo rispetto a quello necessario a spiegare l’ordine cosmico. E poi gli elettroni, i fotoni, i protoni, i quark.

Come inizio niente male e qualcuno ha già abbandonato il blog per meno impegnativi.
Poco male.
Per chi mi segue (e il mio cane, è uno che se ne intende) voglio parlare, invece, di qualcos’altro:
dei “fili vibranti”.

Cosa c’entrano i fili con il cosmo – obietta subito il mio cane.
Ma come! Non ho nemmeno incominciato e già fai domande? Aspetta e vedrai – rispondo.

In principio fu il Big Bang, che diede origine all’universo, con i suoi super ammassi di galassie, le galassie, le stelle, le particelle elementari. E fin qui tutto regolare. Da una parte l’infintamente grande e dall’altra l’infinitamente piccolo.
Ma proprio qui viene il bello.

Perché? – mi interrompe Bleff.
Come ti è noto, visto che mi segui da tempo, due sono i pilastri su cui si fonda la fisica moderna: la relatività generale fondata da Albert Einstein e la meccanica quantistica fondata da Max Planck.

La prima svolge a meraviglia il compito di spiegare il comportamento degli oggetti di grandi dimensioni (stelle, galassie, ammassi di galassie, ecc.) presenti nell’Universo; la seconda ci permette di comprendere il mondo atomico e subatomico (molecole, atomi, elettroni, quark, ecc. che avevo accennato all’inizio). Queste due teorie, che hanno consentito un progresso straordinario della fisica dell’ultimo secolo, presentano tuttavia un difetto insuperabile: non sono fra loro compatibili.

Come è possibile? – domanda il mio cane.
E’ possibile perché non esiste “una teoria unificata” che avrebbe dovuto unificare le leggi della gravità e dell’elettromagnetismo in modo da consentire una descrizione unitaria dei fenomeni naturali.
Mi spiego meglio.

Se è vera la teoria del Big Bang l’Universo, nei primi istanti della sua esistenza era di dimensioni incredibilmente esigue ma contemporaneamente estremamente denso e caldo. Per analizzare in termini scientifici condizioni così estreme sarebbe necessario disporre di una teoria quantistica delle gravità; che non esiste. Per questo motivo il cosiddetto Modello cosmologico standard è costretto a descrivere l’evoluzione dell’Universo a partire da una particella elementare di dimensioni minime presente al tempo t=10-43 secondi dall’inizio (detto tempo di Planck).

Ora, estrapolando all’indietro le equazioni della relatività generale si osserva che l’Universo diventa sempre più piccolo e contemporaneamente sempre più caldo e più denso fino a scomparire del tutto quando si raggiunge il tempo zero, mentre temperatura e densità in quello stesso istante assumono valori infiniti. Ovviamente queste conclusioni lasciano gli astrofisici fondamentalmente insoddisfatti e perplessi, e contemporaneamente tutte le formule matematiche si vanno a far benedire.

E allora? – mi domanda incuriosito Bleff
E allora ecco che entra in scena una teoria che sembra mettere le cose a posto.

E quale sarebbe? Come si chiama? Chi la enunciò? – mi domanda insistentemente il mio cane.
Incuriosito vero? Ok, ora ti accontento.
Intanto ti dico che l’inventore di questa teoria è un italiano. Già proprio uno dei tanti bistrattati fisici italiani: Gabriele Veneziano che la enunciò nel 1968.

La teoria è stata denominata “teoria delle stringhe” o “teoria dei fili vibranti”.
In realtà G. Veneziano aveva capito con enorme intuizione la teoria di uno sconosciuto matematico polacco di nome Theodor Kaluza. Questi aveva inviato a suo tempo ad Einstein un articolo in cui avanzava il convincimento che l’Universo avrebbe potuto avere una quarta dimensione spaziale oltre a quella temporale già inserita nella sua teoria della relatività. Kaluza notò che la presenza di una dimensione extra dava luogo ad una serie di equazioni aggiuntive a quelle indicate da Einstein che non erano altro che le equazioni formulate da Maxwell per descrivere la teoria elettromagnetica. In altre parole in uno spazio a cinque dimensioni si unificavano gravitazione ed elettricità.

Geniale – esulta Bleff.
Esatto. Ma ora passiamo alla spiegazione della teoria secondo la quale risolverebbe il comportamento della materia, delle forze che tengono insieme gli oggetti materiali, e forse anche dello spazio e del tempo.

In principio fu la corda, una stringa. Che subito iniziò a vibrare. E la sua musica, una sinfonia cosmica in undici dimensioni, diede corpo e forma a tutte le cose del mondo.

Le stringhe sono “fili” infinitamente corti e sottili tanto che risulterebbero invisibili anche se venissero esaminati da strumenti miliardi di volte più potenti di quelli attualmente disponibili: sono lunghi un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro (miliardi di miliardi di volte più piccoli di un nucleo atomico) e di spessore nullo. Si tratta di strutture le cui dimensioni sono vicine alla cosiddetta lunghezza di Planck (10-33 cm) la più piccola concepibile in fisica, ma che vengono tese con una forza incredibilmente grande: fino a 1039 tonnellate.

Sarebbe proprio questa enorme tensione a determinare la frequenza di vibrazione: più essa è grande, maggiore è la massa della particella associata e di conseguenza maggiore è la forza di gravità che questa particella esercita sulle altre. Questo sarebbe l’indizio per il quale la teoria delle superstringhe collegherebbe la gravità descritta dalla relatività generale con la struttura delle particelle elementari descritta dalla meccanica quantistica.

Secondo questa teoria tutto ciò che esiste nell’Universo non sarebbe altro che la manifestazione di “energia vibratoria”.

I modi di vibrazione di questi fili sottilissimi e cortissimi spesso chiusi ad anello generano tutte le particelle elementari che costituiscono il nostro Universo un po’ come una corda di violino più o meno tesa genera un numero praticamente infinito di toni musicali. Il prefisso super fu aggiunto alla teoria delle stringhe quando si scoprì che la teoria stessa possedeva una supersimmetria, cioè quando ci si rese conto che ad ogni particella di materia corrispondeva una particella di forza e viceversa.

Ebbene, la supersimmetria afferma che ad ogni particella conosciuta ne corrisponde un’altra di aspetto sconosciuto ma di comportamento simile; a queste particelle, nonostante nessuno le abbia mai viste, è stato peraltro assegnato un nome: per esempio, simmetrica al fotone (la particella mediatrice della forza elettromagnetica) corrisponde il fotino (particella materiale); il partner simmetrico del quark (un fermione) è il bosone s-quark, e così via

Dobbiamo immaginarci una superstringa come una corda di pianoforte o di chitarra, compatta, che rappresenta la componente primordiale dell’universo invece della classica particella di materia.  Per la superstringa questo significa vibrare perennemente, come se qualcuno avesse pizzicato la corda. Una simile vibrazione non ha una sola possibilità, ma tutta una serie di frequenze armoniche. Dai calcoli dei fisici è emerso che per ciascuna di queste diverse frequenze armoniche risulta esattamente una delle particelle elementari oggi note, per esempio un elettrone, un quark, un fotone, un neutrino ecc. I fisici si sono sorpresi quando una di queste frequenze ha portato ad una particella di cui nessuno prima era mai riuscito a dimostrarne l’esistenza, il gravitone: l’ipotetico trasmettitore della forza gravitazionale.

Se ho capito bene – mi dice il mio amico fedele – Applicando a queste cordicelle le leggi della meccanica quantistica ad ogni modo di vibrazione, come nel violino, a ogni nota di quelle corde del violino cosmico, corrisponde una particella o una forza della Natura. La musica delle stringhe è la forza creatrice del mondo. E questa sinfonia è l’attesa riconciliazione tra relatività generale e meccanica quantistica. Tra micro e macro.

Esatto. Bravo Bleff.
Voglio solo aggiungere che la teoria delle superstringhe comprende ben cinque varianti. Tutte teorie molto simili fra loro ma non identiche. Di simile hanno il fatto che tutte quante necessitano di nove dimensioni dello spazio (oltre a quella temporale) entro cui poter agire e non solo delle tre di cui abbiamo percezione diretta. Di queste complessive dieci dimensioni sei sono invisibili, risultando strettamente accartocciate su sé stesse (con termine tecnico si dicono compattificate, un obbrobrio lessicale) perché “strangolate” dalle stringhe che si avvolgono intorno ad esse (come fossero elastici che stringono la camera d’aria di una bicicletta) impedendo loro di espandersi.

L’aggiunta di dimensioni nascoste a quelle osservabili può apparire una cosa bizzarra e indimostrabile, ma in realtà, come riportato più sora, proprio l’aggiunta di nuove dimensioni dava luogo ad una serie di equazioni aggiuntive a quelle indicate da Einstein che non erano altro che le equazioni formulate da Maxwell per descrivere la teoria elettromagnetica.

In altre parole in uno spazio a più dimensioni si unificano gravitazione ed elettricità e questo grazie ai “fili vibranti”.

(Ovvio che tutto questo non è solo farina del mio sacco, ma anche frutto di una sintesi di ricerche su internet, messe insieme e raccontate in modo da essere comprensibili anche al mio amico fedele, con la speranza di esserci riuscito, altrimenti amici come prima)

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Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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4 risposte a Fili vibranti: l’arte della fisica.

  1. Martine ha detto:

    Questo è un post che devo assolutamente segnalare al mio ragazzo, che si intende più di me di fisica e materie scientifiche… per me è impegnativo… da brava umanista!! Allora buona passeggiata con il cane.
    Buona domenica,
    Martine…

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  2. bruce ha detto:

    Fa piacere sapere che ci sia ancora qualcuno (molto raro per la verità) che ha interesse a leggere cose di scienza.
    ciao, qui piove.

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  3. Martine ha detto:

    Grazie Bruce! Infatti, dico come hai notato: “sarà vero”… perchè sono una persona scettica… aspettiamo di vedere come cambiano le cose prima di esultare o “cantare vittoria”.
    Buona serata,
    Martine

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  4. hemp ha detto:

    A mio avviso il grande problema del Modello Standard che la Teoria della Relativit di Einstein no consente di trovare lessenza delle particelle elementari poich nega categoricamente che possa esistere qualche tipo di etere o struttura materiale dei campi virtuali e complica singolarmente la complessit matematica esistente..

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