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

Per 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?
Per 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.

Praticamente 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”.

Insomma 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.

Una 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.

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