La teoria del Tutto – parte seconda: stringhe e modello standard

blue_stringsPer i fisici unire la meccanica quantistica con la relatività generale sarebbe una scoperta che produrrebbe una singola teoria matematica in grado di descrivere tutte le leggi del nostro universo.

Ma da dove partire?
Proprio dalla relatività generale e la meccanica quantistica.

La relatività generale descrive la più familiare di queste leggi: la forza della gravità.
La meccanica quantistica descrive tre ulteriori forze: la forza nucleare forte, che tiene uniti i neutroni e i protoni nel nucleo degli atomi; la forza elettromagnetica che produce la luce, l’elettricità e l’attrazione magnetica; la forza nucleare debole responsabile del decadimento radioattivo.

Qualsiasi evento dell’universo dalla divisione di un atomo alla nascita di una stella è il prodotto della interazione di queste quattro forze con la materia.

Einstein negli ultimi venti anni della sua vita cercò un modo di descrivere tutte le forze della natura con una unica teoria.
La teoria delle stringhe potrebbe realizzare il suo sogno.

Ma come?
stringhePer secoli gli scienziati hanno visualizzato gli atomi e le più piccole particelle in esse contenute sotto forma di palline o punti materiali. Secondo la teoria delle stringhe al centro di ogni frammento di materia c’è un minuscolo anello di energia vibrante denominato “stringa“.
I sostenitori di tale teoria credono che le minuscole stringhe siano l’anello di congiunzione tra il mondo del grande e il mondo del piccolo in una unica teoria.

L’idea delle stringhe porta un modo completamente nuovo di ragionare. – dico al mio fedele amico cane che se ne sta ad ascoltare in silenzio sotto la scrivania –  Invece delle palline dovremmo usare una specie di spaghetti e anelli sottilissimi ritorti che vibrano come corde di una chitarra.

Lo so che è difficile immaginare una cosa del genere.
D’altra parte si sta parlando di una nuova disciplina, ovvero di un nuovo modo di intendere le particelle subatomiche finora mai riscontrate.
Si ragiona su questioni che non si possono sottoporre a sperimenti in laboratorio, a test o ad osservazioni col telescopio.

La fisica è una scienza sperimentale, cioè basata sui risultati degli esperimenti o nel caso dell’astronomia sulla osservazione.
Per tale motivo molti scienziati considerano estrema la teoria delle stringhe e le successive evoluzioni da parte di altri scienziati l’hanno resa ancor più incomprensibile.

A questo punto starete pensando che non vale nemmeno la pena di andare avanti tanto è considerata fantasiosa questa teoria.

Io credo invece che valga la pena di continuare, giusto per capire. E il mio fedele amico cane è d’accordo. Vedrete che seguendo passo passo l’evoluzione della teoria delle stringhe, vi si aprirà un nuovo mondo davanti ai vostri occhi. Un mondo fantasioso, e …. forse non inverosimile.

Come è mio solito fare, comincio …. dall’inizio.
C’era una volta … beh! non scherziamo, facciamo sul serio, parliamo di cose serie.

Nel 1968 un giovane fisico italiano Gabriele Veneziano ricercava le equazioni che potessero spiegare la forza nucleare forte ossia la potente colla che tiene assieme il nucleo di ogni atomo legando i protoni ai neutroni. Un giorno in un vecchio libro sulla storia della matematica trovò una formula di duecento anni prima elaborata da Leonhard Euler matematico svizzero.
Veneziano si rese conto che l’equazione di Euler poteva descrivere la forza nucleare forte.
Questa sua casuale scoperta lo rese subito famoso.

Ma cosa c’entra questa formula con le stringhe, penserete? Ora lo vediamo.

Grazie al passa parola tra colleghi l’equazione giunse fino ad un giovane fisico americano, Leonard Susskind che nel studiarla si accorse che dietro i simboli astratti si nascondeva qualcosa di nuovo.
Essa descriveva un particolare tipo di particella con una struttura interna vibrante. Non statica, ma una specie di stringa elastica. L’elastico non solo si allungava e si ritraeva ma ondeggiava e corrispondeva magicamente alla formula.

Susskind documentò la sua scoperta che introduceva la teoria rivoluzionaria delle stringhe. Forse in cuor suo pensava anche ad un riconoscimento internazionale.

Le cose andarono così? Macché.
Per essere pubblicata doveva passare al vaglio degli esperti. Ovvero al giudizio dei baroni della scienza che determinano le linee guida da seguire nella scienza.
L’idea fu snobbata e non fu degna nemmeno di una pubblicazione. La scienza era troppo impegnata a scoprire nuove particelle subatomiche.

mx37CA7Praticamente ogni mese, facendo scontrare tra loro le particelle ad alta energia cinetica in un acceleratore,  si scopriva una nuova particella, il mesone rho, la particella omega, beta, beta 1, beta 2, ecc . ecc., praticamente tante di quelle particelle da occupare tutte le lettere dell’alfabeto. Una proliferazione di particelle.
Era un periodo entusiasmante per lo studio delle particelle e la teoria delle stringhe cadde nell’oblio con grande rammarico di Susskind che la prese proprio male.

Nella moltitudine delle particelle costituenti la materia scoperte, gli scienziati stavano formulando una ipotesi che le forze della natura potevano essere spiegate anche attraverso le sole particelle.
Si riteneva che le particelle si scambiassero tra loro un portatore di forza “mediatrice”, una specie di particella che rimbalzava tra le stesse particelle. Più velocemente veniva scambiato questo portatore di forza “mediatrice” tanto maggiore doveva essere l’attrazione tra le particelle.

Tanto per capire, nel caso della forza elettromagnetica questa particella mediatrice è il fotone. Tanto maggiore risulta la velocità di scambio dei fotoni tanto maggiore è l’attrazione magnetica tra le particelle.
Altri mediatori sono i bosoni W e Z che mediano la forza debole e i gluoni, che mediano la forza forte.

Questa teoria fu confermata dalla scoperta di queste particelle messaggere nella forza elettromagnetica, nella forza nucleare forte e nella forza nucleare debole.
Questa scoperta fece ritenere gli scienziati che si era vicini alla teoria della unificazione di tutte le forze. Al sogno di Einstein.

Secondo gli scienziati al momento della esplosione del Big Bang la forza elettromagnetica G e la forza nucleare debole W erano fuse.  Si dimostrò che sottoposte al calore dei primi attimi del Big Bang la forza G e la forza W formavano una sola forza denominata “forza elettro-debole”.
I fisici pensano che andando ancora più indietro le tre forze erano unificate in una forza chiamata “super-forza”.

350px-Elementary_particle_interactions_(it).svgInsomma la meccanica quantistica spiegava come le tre forze agiscono a livello subatomico con le interazione tra le varie particelle (quark, leptoni, fotoni, gluoni, bosone di Higgs). Questa teoria è conosciuta come “Modello Standard”.
Per questo gli inventori del nome e della teoria ottennero il premio Nobel.
E la teoria delle stringhe diventò un ramo secco della fisica.

Discorso chiuso?
No!
Malgrado il Modello Standard spiegasse come tre delle forze che regolano il mondo dell’infinitamente piccolo la teoria tralasciava la più famigliare delle forze: la forza di gravità “G”

Dimenticanza non di poco conto, dal momento che la Teoria del Tutto si propone proprio di unificare tutte le forze della natura. Proprio tutte, compresa la forza di gravità.

Che fine ha fatto la teoria delle stringhe?

Giusto! E’ proprio il momento giusto di ritornare a parlare dalle nostre stringhe, dimenticate da tutti.
I fisici pensavano che la teoria delle stringhe era una bella teoria, elegante, ma non c’entrava nulla con la materia. Insomma non veniva presa troppo sul serio. E forse non era nemmeno capita fino a fondo.

Tuttavia i pionieri della teoria delle stringhe non si arresero e non abbandonarono l’idea. Gli studi andarono avanti con non poche difficoltà.
Per esempio era stata ipotizzata una particella, il tachione, di massa immaginaria con velocità superiore alla luce.
Inoltre affinché la teoria delle stringhe funzionasse aveva bisogno di 10 dimensioni. Un dato sconcertante, perché è difficile concepire tante dimensioni.

mx3CD56Una teoria con particelle prive di massa. Una particela vibrante. Una particela priva di massa non riscontrabile. Dieci dimensioni.

Una teoria priva di senso. Una follia.
Queste erano le opinioni dei fisici classici.

Gli studiosi della teoria delle stringhe erano sul punto di arrendersi, non poteva essere vera.

Volete sapere come va a finire?
Ok appuntamento al prossimo post. Il tempo di finire di scriverlo.


Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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12 risposte a La teoria del Tutto – parte seconda: stringhe e modello standard

  1. Rebecca Antolini ha detto:

    Ciao Silvano tutto questo qui va oltre della mia povera mente casalinga, ma sono certo che ci sono tanta gente che si trovano qui in un mondo estraneo.. ma fa niente non possiamo mica essere tutti astrofisici o matematici .. ora dopo ho letto questo post sembra strano mi sono venute nuove domande e riflessioni e ora ti faccio una domanda casalinga ovviamente.. tutto il mondo qui per caso l’universo, sistemi solari, pianete ecc.. l’essere umano e un essere evoluto da una forma primitiva .. la matematica una invenzione umana? Oh una cosa casualmente evoluta? Se la matematica e una invenzione umana da dove arriva la precessione? Come poteva Einstein fare formule matematiche a che cosa basavano? Questo vale per tutti le forme matematiche dove c’è la prova di tutti queste teorie.. chi e il padre della matematica da dove ha preso l’uomo queste formule? Tante domande casalinghe ma forse non sono l’unica a farsi queste domande..😉

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    • bruce ha detto:

      Cara Rebecca non fare la modestina.
      E’ vero che abbiamo scherzato sulla casalinga di Verona😆 ma sono certo che te ci capisci. Eccome. Non sei così sprovveduta come mi vuoi fare apparire se riesci ….. a elaborare ricette complicate😆
      Sono poi sicuro che sono in grado di capire anche le altre casalinghe se non rifiutano la scienza per motivi estranei alla scienza.
      La scienza non è un mondo estraneo. E’ il mondo reale, quello che vediamo tutti i giorni sotto i nostri occhi e che i fisici non fanno altro che raccontarla attraverso le loro scoperte.
      La fisica non è filosofia nè religione. E’ lo studio della nostra materia. Niente di più.

      Devo fare una puntualizzazione.
      Come ho scritto nella introduzione del primo post, questa serie di pubblicazioni vuole essere solo un salto nella descrizione del fantastico mondo (forse ignoto a molti) dell’infinitamente piccolo e dell’immensamente grande. Una specie di racconto sul tentativo degli scienziati di descrivere le leggi della natura in una unica e semplice (se possibile) teoria matematica. Raccontare la storia della evoluzione delle stesse teorie in ragione delle scoperte dei fisici sperimentali che studiano l’atomo da una parte e dei fisici teorici dall’altra.

      Non c’è in questo alcuna intenzione degli scienziati di scoprire Chi ha creato l’universo, nè di scoprire l’esistenza di Dio. Ma “come” si è creato. Tantomeno è mia intenzione, tanto è vero che non troverai nessun riferimento religioso in questo racconto.
      Ma non ho nulla in contrario se fa comodo pensare che Dio ci ha creati, non è un mio problema, ma di chi se lo pone. Non ho nulla in contrario se fa comodo pensare che la nostra intelligenza ci è stata ficcata dentro la testa da un essere superiore, liberi di pensarlo.
      Forse un giorno la scienza lo scoprirà, o forse mai, nessuno lo sa. Per ora non c’è prova. Quando verrà quel giorno tutti se ne faranno una ragione. Ma solamante quando verrà quel giorno.

      Un consiglio?
      Continuare a leggere senza nessuna resitenza mentale. Fra qualche post …. verrà il bello. Vedrai.
      Ciao cara, ora esco, Bleff mi sta invitando ad uscire …. con le sue puzzette😆

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      • MARGHIAN ha detto:

        “..abbiamo scherzato sulla casalinga di Verona..”. Rebecca, non ti lamentare. Mia sorella e’ peggio di te. Ogni tanto (per la precisione ogni estate che viene da Tornno per un mesetto e, talvolta, per telefono quando “cadiamo in argomento”) le do’ qualche “tiratina d’orecchi”. Tu, almeno, leggi delle cose- sull’universo o sui nativi americani-, mentre mia sorella dice “ah, saranno anche cose interessanti ma io sono per le cose semplici…”, ste cose le lascio a voi..”. Maria e’ intelligente, e coso, pero’……talvolta le spiego qualcosa, e quando mi ascolta afferra al volo -una volta le spiegai la struttura dell’atomo e lei capiva tutto…-. Appunto, non le interessa. Tu te ne interessi, almeno. Per questo ho scritto che e’ peggio di te, la ^casalinga di Torino 🙂
        Ciao.

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  2. gabriarte ha detto:

    anche il mondo del piccolo ha il suo infinito?scoprendo le leggi dell’infinito grande avremmo anche le leggi del piccolo e il nostro bigbag avrebbe la sua formula? grazie ciao

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    • bruce ha detto:

      Ciao gabri, sempre precisa e profonda nelle tue domande.
      Lo scopo dei fisici è proprio quello di scoprire una legge che regoli il piccolo con il grande, detto in parole povere.
      Siccome non si sa quanto era piccolo l’universo al momento del Big Bang, il momento in cui tutte le forze che comporranno la materia e l’universo erano “fuse”, credo che sarà difficile trovare una formula in quell’istante perchè i valori delle formule impazziscono a causa di valori infiniti della pressione e della temperatura. Ma forse sarà possibile negli attimi successivi quando le 4 forze saranno ben definite.

      Alla domanda se il piccolo ha il suo infinito ti rispondo di sì.
      Per farti capire ti riporto alcuni numeri espressi in metro.

      Grandezze crescenti
      Grandezza dell’uomo = 1,7 * 10 m
      Torre Eiffel = 3,2 * 10^2 m (dieci elevato alla seconda)
      Monte Everest = 8,8 * 10^3 m (dieci al cubo)
      Terra (diametro) = 12 * 10^6 m
      Sistema solare = 1 * 10^9 m
      Galassia = 1,2 * 10^21 m
      Universo = 10 * 10^27 m (dieci moltiplicato dieci seguito da 27 zeri)

      Grandezze decrescenti
      Uovo gallina = 55 * 10^3- m (dieci elevato alla meno 3)
      Formica = 4 * 10^3- m
      Cellula = 7 * 10^8- m
      Dna = 3 * 10^9- m
      Nucleo idrogeno = 3,1 * 10^11- m
      Quark = 1 * 10^18- m
      Neutrino = 1 * 10^24- m (uno diviso dieci seguito da 24 zeri)

      Noi siamo abituati a pensare alle dimensioni dello spazio come qualcosa di enormemente grande.
      Se guardi le distanze del micro cosmo esso è quasi pari alle dimensioni dell’universo.
      Incredibile vero?

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  3. MARGHIAN ha detto:

    Ciao. Ora va meglio, . Sono tornato – con il mezzo che mi permette di lavorare piu’ agevolmente. Con lo smart andavo- per esempio- da te e, se pure il tuo blog appariva, si bloccava su una lettera, tutto spariva e…niente, rinunciavo.
    Leggero’ ben bene il tutto- che mi pare abbastanza tosto ed interessante, po… Ciao.Bruce .e3 Blef🙂

    Marghian

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    • bruce ha detto:

      Non credo che per te sarà un problema.
      Devo dire che questa teoria delle stringhe mi ha sempre affascinato. E’ da tempo che volevo fare un post completo, ma comprensibile soprattutto per coloro che pensano che le teorie nascono dal nulla.
      Un saluto da Bleff ai tuoi gattini anche se non è il caso di farli incontrare😆

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  4. MARGHIAN ha detto:

    Mi piace molto questa “panoramica sulle grandezze”. Con un gioco di parole, possiamo dire che “lo spazio delll’estremamente piccolo e’ “grande quanto quello dell’estremamente grande”.

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  5. MARGHIAN ha detto:

    Ciao. Poco fa, nel post precedente ho commentato cosi’: ” …non se ne scopriranno altre, troppa energia in gioco ci vuole…”. E’ vero, infatti. Ma..questo limite mi fa riflettere sul “mistero di fondo”. Non scoprirne altre potrebbe voler dire che magari altre particelle ancora piu’ piccole esistono, ma non sono osservabili. Non si arrivera’ mai ad una particella “ultima”, oltre la quale non ci puo’ essere ulteriore “suddivisione”. In teoria la divisione di una particella in altre piu’ piccole puo’ continuare all’infinito. O forse non e’ cosi’. Forse il “fondo del barile” sono proprio le stringhe”. Pero’ leggo-come sapevo- che una stringa e’ “Una particela priva di massa ^non riscontrabile. Si potra’ avere, allora, una risposta? (dato che tutto in scienza deve giustemente poter essere osservato?) Ciao.

    Marghian

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    • bruce ha detto:

      C’è molta verità in quello che dici.
      Il successo della fisica è determinato dalle teorie che poi devono essere confermate sperimentalmente.
      E’ per questo che la scienza procede a piccoli passi conseguentemete all’avanzare della tecnolgia.
      Infatti, come sai, le particelle subnucleari compresi i quark sono state scoperte grazie agli acceleratori. Ora succede che gli acceleratori non sono più sufficienti a fornire alte nergie e quindi alta energia cinetica necessaria a “frantumare” ulteriormente le particelle. quindi c’è ancora molto spazio per capire qual’è il fondo del barile. E questo fondo potrebbero essere proprio le stringhe. Lo spiego nei prossimi post. Con una sorpresa che ovviamente mi riservo di fartela leggere (ma che forse già conosci)😆

      D’altra parte, ogni cosa esistente in natura deve avere necessariamente una massa se pensiamo che il neutrino ha massa anche se praticamente nulla, un volta si pensava che l’elettrone non aveva massa, ora sappiamo che vale 9,1*10^31- kg.
      ciao

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