La teoria del Tutto – parte quarta: le dimensioni nascoste

In ogni granello di sabbia ci sono miliardi di minuscoli atomi. Ogni atomo è costituito da elementi più piccoli, gli elettroni che orbitano attorno al nucleo, i protoni e i neutroni che costituiscono il nucleo, che a loro volta sono costituiti da elementi ancora più piccoli, i quark.
Secondo la teoria delle stringhe la catena non si interrompi qui in quanto le particelle che compongono qualsiasi cosa nell’universo sono sostituiti da elementi ancora più minuscoli ossia “anelli di energia vibrante” dette “stringhe“.

Le stringhe possono essere aperte come un laccio o chiuse con le estremità come un cappio.

Ogni stringa è infinitamente piccola.
Se ogni atomo venisse ingrandito alle dimensioni del sistema solare, un anello avrebbe le dimensioni di un albero.

Ed ecco l’idea rivoluzionaria alla base della teoria.

Le vibrazioni, o meglio le frequenze emesse dalle corde di un violincello creano diverse note musicali. Allo stesso modo le vibrazioni delle stringhe conferiscono alle particelle le loro proprietà distintive quali “massa” e “carica”

La modalità di vibrazione determinano quindi: massa, carica e spin. Ci saranno, quindi, molte particelle imparentate come carica e spin, ma con massa diversa. In particolare variando la frequenza delle oscillazioni, dalla frequenza fondamentale alle armoniche superiori, si può passare dalle particelle leggere a quelle pesanti. Poiché le stringhe si possono fare oscillare a frequenze molte elevate, significa anche che a energia molto elevate (non raggiungibili oggi) esistono particelle molto pesanti.

Per esempio la differenza tra le particelle che contraddistinguono me e il mio cane risiede nella diversa vibrazione delle stringhe.
Insomma io e te che mi leggi, siamo fatti di stringhe che vibrano in modo diverso. E’ questa differenza di vibrazione che ci fa diversi, come se fossimo fatti entrambi di note (stringhe) ma diversamente suonate.

Anche l’universo, composto da un numero esorbitante di stringhe, potrebbe essere paragonato ad una grandiosa sinfonia cosmica.

Qual’è allora la differenza tra la meccanica quantistica e la teoria delle stringhe?
Anche questa volta lascio la spiegazione al mio assistente a quattro zampe, con un capoccione ed una coda esperto in meccanica quantistica.

La inconciliabilità – comincia a dire il mio cane – tra la meccanica quantistica e la relatività generale era causata dal mondo caotico e casuale del mondo subatomico contrapposto al mondo lineare della relatività generale.
La teoria delle stringhe è come se calmasse il caos delle particelle atomiche nella meccanica quantistica trasformando il concetto di particelle puntiforme a entità formate da stringe.
Il caos c’è ugualmente, ma meno violento e calmo quel tanto che basta per conciliare le due teorie.

E’ un trionfo della matematica – continuo io

Grazie ai minuscoli granelli di energia vibrante i teorici delle stringhe stanno pensando di realizzare concretamente il sogno di Einstein. L’unificazione di tutte le forze nella materia.

Tutti d’accordo?
Non è proprio così.
La teoria ha un tallone d’Achille. Nessun esperimento può dimostrare cosa succede a simili dimensioni. Non si può fare nessun esperimento e nessuna osservazione che possa confutare tale teoria.
E’ la solita critica rivolta a questa teoria. E la domanda è sempre la stessa: la teoria delle stringhe è solo una bella e fantasiosa teoria?

Questo è il motivo per cui viene considerata una branca della fisica.

Secondo il punto di vista del mio cane, è una critica sbagliata, la matematica stessa non è sperimentabile né osservabile con telescopi.
Non so se il mio cane ha ragione.
Ciò che rende questa teoria ancora più difficile da sperimentare e da far digerire alla fisica classica è il fatto che equazioni così complesse implicano qualcosa di fantascientifico: ben nove dimensioni spaziali. Apriti cielo!

Per secoli ed ancora oggi si crede che ci siano solo tre dimensioni spaziali ed una temporale.
Chi credeva in altre dimensioni era considerato più fantascientifico che fisico. I teorici delle stringhe  per essere credibili hanno dovuto dimostrare che l’idea di nuove dimensioni è molto più concreta di quanto pensiamo.

Eppure l’idea di altre dimensioni è vecchia di quasi un secolo.
Nel 1919 un fisico tedesco, Theodor Kaluza, aveva sottoposto ad Einstein la sua teoria che la pubblicò solo due anni dopo.
Kaluza ipotizzò che forse nel nostro universo c’era un’altra dimensione che non eravamo in grado di vedere.

Lo stesso Einstein nella sua teoria della relatività generale aveva dimostrato che la gravità era il risultato di deformazioni e onde nelle quattro dimensioni spazio-tempo.
Kaluza ipotizzò che anche l’elettromagnetismo poteva essere costituito da onde. Quindi si poteva ritenere che anche l’elettromagnetismo aveva la sua dimensione.

Facile a dirsi, ma difficile da dimostrare.
Un fisico svedese Oskar Klein giunse ad una insolita tesi: le altre dimensioni esistono ma non si vedono.

Un esempio?
Se guardate fuori la finestra un palo della luce esso si presenterà con solo due dimensioni, la lunghezza e l’altezza. La terza dimensione, lo spessore è nascosta alla vostra vista, eppure c’è.
Se poi immaginiamo che alcune formiche camminino su di essa, le formiche la percorreranno avanti e indietro, in alto, in basso, di lato, percorrendo in senso circolare attorno al palo.

E se l’universo fosse come la superficie del palo?
Kaluza e Klein azzardarono l’ipotesi che la struttura dell’universo fosse come la superfice del palo dotato di dimensioni molto estese, le tre che conosciamo, ma anche di invisibili dimensioni ridotte e circolari miliardi di volte più piccole di un atomo.

Questo starebbe a significare che forse viviamo in un universo a più dimensioni a noi invisibili.

Come è possibile?

Ecco l’idea. Rimpiccolendoci miliardi di volte troveremmo una nuova dimensione minuscola e circolare in ogni punto dello spazio. Così come una formica può esplorare la dimensione circolare del palo, una formica miliardi di volte più piccola potrebbe esplorare anche questa minuscola dimensione circolare.

L’idea della esistenza di ulteriori dimensioni è uno dei concetti chiave della teoria delle stringhe.

La matematica della teoria delle stringhe richiede bene 6 dimensioni extra, irregolari e circolari che potrebbero presentarsi come nella sottostante figura.

Interessante vero?

Quindi se prendiamo alla lettera la teoria delle stringhe in natura esistono davvero altre dimensioni.

A questo punto sorge spontanea la domanda: se tale modello prevede dieci dimensioni e nel mondo reale conosciamo solo 4 dimensioni, le altre 6 dimensioni extra dove sono?
Sono arrotolate su se stesse e di dimensioni non visibili.

Ma che senso hanno queste dimensioni?
Niente di diverso al pari delle dimensioni spaziali che percepiamo. Sono vere dimensioni spaziali.
L’unica differenza tra le due tipologie sta nella forma e nelle dimensioni.

Ma come possono queste minuscole dimensioni extra dalle forme così particolari influenzare il nostro mondo?
La teoria delle stringhe ci da la risposta.

Rimpiccolendoci tanto da poter volare in una di queste forme a 6 dimensioni vedremmo come queste dimensioni extra si intersecano una con l’altra influenzando il modo in cui le stringhe si muovono e vibrano.

Le stringhe potrebbero essere la chiave per risolvere uno dei misteri più profondi della natura.

Se vi ricordate, l’universo è calibrato su una quantità di costanti fisiche che regolano l’universo così come lo vediamo oggi attraverso la forza di gravità, la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole.
Se volessimo programmare un universo e lo programmiamo su questi valori delle costanti fisiche produrremmo l’universo a noi noto. In pratica eserciterebbero esattamente le 4 forze della natura per formare la materia e l’universo in cui viviamo.
Se poi modifichiamo solo uno di questi valori ed esempio la forza elettromagnetica gli atomi si respingerebbero con più forza e la fornace nucleare che fa brillare le stelle si esaurirebbe. Le stelle, compreso il nostro sole si spegnerebbe r l’universo così come lo conosciamo scomparirebbe.

A questo punto immagino che vi state domandando da CHI sono impostate queste costanti a valori così precisi?

La risposta potrebbe risiedere nelle dimensioni extra della teoria delle stringhe. Ovvero le 6 dimensioni ipotizzate dalla teoria farebbero in modo che certe stringhe vibrino in modo da produrre ciò che vediamo come un fotone, e che altre vibrino in modo per produrre un elettrone ecc.

Quindi in base alla teoria le minuscole forme extra dimensionali potrebbero determinare tutte le costanti della natura in armonia con la sinfonia cosmica.

Capitolo chiuso?
Quando tutto sembrava andare nel verso giusto nella conferma della teoria, la evoluzione della teoria stessa complicò le cose.

Ma questo lo vediamo nel seguito e vi assicuro che ci sarà da stupirsi. Parleremo delle “M” stringe delle “brane” (multi-universi).

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