La teoria delle stringhe sotto assedio.

Se non sapete cos’è la teoria delle stringhe e a cosa serve, abbiate un po’ di pazienza.

Super-stringhe

“Considerata da molti la migliore candidata per unificare le forze della natura, finora non ha predetto un solo risultato sperimentale.
A prescindere da come si evolverà la faccenda, la storia della teoria delle superstringhe è un episodio che non ha alcun precedente nella storia della fisica moderna.
Più di vent’anni di intensa ricerca, portata avanti da migliaia tra i migliori scienziati del mondo intenti a produrre decine di migliaia di lavori scientifici, non hanno condotto a una sola predizione verificabile della teoria.
Questa situazione spinge a chiedersi se si possa realmente descrivere la ricerca nella teoria delle superstringhe come ricerca scientifica nel campo della fisica.”

Insomma, come avete letto, c’è chi non ha in simpatia questa teoria andando già sul pesante. Una piena bocciatura di questa teoria da essere snobbata anche dal Modello Standard.
Modello Standard di cosa? Perché è standard? Chi lo dice? Qual è il suo scopo? E’ giusto che sia così?

Andiamo per ordine. Chiariremo tutto.
A scuola ci avevano insegnato che l’atomo era la più piccola particella in natura, formata da un nucleo interno e da un certo numero di particelle chiamate elettroni che gli orbitano attorno a cui è stato attribuito un segno negativo.
Il nucleo a sua volta era formato da altre particelle ravvicinate: i protoni (di carica positiva) e i neutroni privi di carica.
Gli atomi si legavano poi tra di loro tramite gli elettroni esterni per formare delle molecole complesse.

Salto a piè pari tutti i successivi passaggi sulla teoria quantistica (materia complicata anche per i fisici) per arrivare a quando si è cominciato a spaccare i nuclei degli atomi con degli acceleratori di particelle producendo altre particelle.
Succede che si scopre che gli elettroni, neutroni e protoni, le cosiddette ultime particelle della natura non sono più le uniche particelle in natura. Si ricomincia tutto da capo.

All’elettrone si aggiungono altre due particelle (muone e tau), sei tipi di quark (up, down, charm, strange, top, bottom), tre tipi di neutrini (elettronico, muonico, tau).
Poi altre particelle (fotoni, bosoni W, bosoni Z, gluoni) che sono considerate le mediatrici di forza. Ovvero quelle particelle che sono alla base dei fenomeni fisici e responsabili della struttura della materia e dell’universo.

Insomma, ci sono due generi di particelle: particelle che sono materia (come gli elettroni, i protoni, i neutroni, e i quark) e particelle che mediano le interazioni (fotoni, bosoni, gluoni).
E per finire in bellezza c’è il bosone di Higgs.

Ma non è tutto qui.
I fisici scoprono altre particelle. Se ne contano più di 200. Particelle che nascono e muoiono in tempi brevissimi. Per identificare queste particelle, le hanno chiamate con i nomi delle lettere degli alfabeti greco e romano. E non sono nemmeno sufficienti dal momento che non passa giorno che vengono scoperte altre particelle.

Un bel casino.
Di tutte queste particelle quali sono quelle fondamentali?

Il Modello Standard
Ebbene il Modello Standard cerca di mettere un po’ d’ordine (tratteremo in un altro post questo argomento).
Elaborata originariamente nell’ambito della fisica delle particelle, nell’identificazione dei costituenti fondamentali della materia si è estesa allo studio delle forze fondamentali attraverso le quali questi costituenti interagiscono.

Il Modello Standard è pertanto una teoria che descrive i componenti primi della materia e le loro interazioni.

Il modello standard si basa principalmente sui dati ricavati dai grandi protosincrotroni del Fermilab e del CERN (l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare), dallo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), dai collisori per elettroni e positoni della Cornell University, di Amburgo e di Stanford e dal collisore protone-antiprotone del CERN.

Ora che abbiamo risposto a un bel po’ delle nostre domande, rimane da domandarci se il Modello Standard è legge.

Non è legge. Per di più non da risposte ad alcuni quesiti e contiene un grave limite.
– Il Modello Standard non ha idea del perché debbano esistere altre particelle più pesanti come per esempio il muone. E’ infatti necessario che la fisica teorica giustifichi la presenza di questi fantasmi che nascono e muoiono in intervalli brevissimi e che riesca ad affermare che il modello standard non sia costituito da particelle ancora più piccole.
– Il Modello Standard (MS) non prevede l’esistenza della materia oscura che costituisce gran parte della materia dell’Universo.
– Il MS descrive tre delle quattro forze fondamentali (forte, elettromagnetica, debole), ma non comprende la forza gravitazionale per la quale non esiste ad oggi una teoria quantistica coerente. Senza la gravità non ci sarebbe alcuna forza in grado di aggregare la materia in galassie, stelle, pianeti.

In poche parole il Modello Standard spiega come le tre delle forze che regolano il mondo dell’infinitamente piccolo, ma la teoria non da spiegazioni del ruolo che occupano certe particelle fantasma e tralasciava la più famigliare delle forze: la forza di gravità “G”.

Dimenticanza non di poco conto, dal momento che gli scienziati si propongono proprio di unificare tutte le forze della natura. Proprio tutte, compresa la forza di gravità. Ora capite perchè non è legge.

stringheOk, ora è arrivato il momento di parlare della teoria delle stringhe (in sintesi) per capire cos’ha di sbagliato da essere così bistrattata dalla scienza ufficiale.

Oggigiorno centinaia di scienziati stanno cercando una teoria capace di descrivere tutta la realtà, dalle particelle elementari all’universo, nel suo complesso in una unica legge. Una Teoria del Tutto.

La teoria delle stringhe.
La teoria delle stringhe è una elegante teoria fisica che descrive tutta la realtà, dalle particelle elementari a tutto l’Universo, secondo cui tutta la materia è composta da minuscole cordicine vibranti: le stringhe.
La teoria delle stringhe è considerata da molti fisici la strada maestra in questa direzione.

Lo stesso 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.

Tutto è iniziato nel 1968 quando 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.

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.

La stringa quindi non è altro che una particella priva di massa che vibra.
Cosa significa?

Tutte le particelle elementari che compongono la materia e tutte le forze fondamentali della natura sono in realtà minuscole corde vibranti. L’universo in questa visione è come una grande sinfonia.

Ogni vibrazione ha una sua energia. Se l’energia raddoppia, raddoppia anche la vibrazione cioè il numero di oscillazioni che la corda fa in un secondo.

Può sembrare un discorso insensato, ma il fatto nuovo è che ad ogni vibrazione corrisponde un tipo di particella.
stringhe3Gli elettroni, per esempio, sono stringhe che vibrano allo stesso modo. I quark sono stringhe che vibrano in modo diverso. Le stringhe sono sempre le stesse ma cambia il modo di vibrare. Mentre l’energia di vibrazione è proporzionale alla massa della particella in accordo con la famosa formula di Einstein E=mc2

Vi sembra una teoria assurda?
Ok, andiamo avanti.
Le stringhe non possono fermarsi mai né possono avere energia nulla e valgono le stesse regole della meccanica quantistica.

Dove sta allora l’inghippo che fa di questa teoria una teoria senza senso?
Le vibrazioni avvengono in uno spazio a 10 dimensioni. La presenza di altre dimensioni in più alle 3 conosciute è un fatto indispensabile per far funzionare la teoria. Se queste dimensioni extra non ci fossero la teoria avrebbe contraddizioni interne di tipo matematico.

Stringhe senza massa che vibrano a 10 dimensioni.
Una follia.

Mica tanto.
Particelle senza massa sono già previste nel Modello Standard e l’esistenza di dimensioni extra sono contemplate da molti fisici. Alcune teorie prevedono 26 dimensioni delle quali 22 arrotolate su se stesse.
Infine dal momento che nessuno conosce la intima forma delle particelle elementari “classiche”, non si può esclude l’esistenza di particelle vibranti.

Ma ecco la vera rivoluzione della teoria delle stringhe,
La misteriosa formula scoperta da Veneziano non rappresentava la forza di interazione forte, bensì qualcosa che aveva a che fare con la forza di gravità.

Quella particella centinaia di miliardi di miliardi più piccole di un atomo era in realtà un “gravitone”. Ossia la tanto cercata particella G che trasmette la forza di gravità nel mondo infinitamente piccolo della quantistica.

La teoria delle stringhe aveva prodotto il pezzo mancante nel Modello Standard.

Cosa significava?
Significava che le stringhe descrivevano la gravità a livello subatomico ma anche le altre tre forze. Si poteva così parlare di unificazione di tutte le forze realizzando il sogno di Einstein.
Fu un momento straordinario per i fisici ricercatori, perché nessuno era arrivato a tanto. Fino ad allora ogni loro scoperta era stata accolta con freddezza, non questa volta.
Questa volta la reazione fu esplosiva. In meno di un anno il numero dei fisici teorici delle stringhe raggiunse le svariate centinaia.

La teoria delle stringhe fu battezzata la “Teoria del Tutto”.

Tutto risolto?
Macchè, la critica è sempre la stessa. Una bella e fantasiosa teoria.
Perché?

Il motivo è sempre lo stesso: nessun esperimento può dimostrare cosa succede a simili dimensioni. Non si può fare nessun esperimento e nessuna osservazione che possa confutare tale teoria.

Fine della storia?
No.

stringhe4Ecco la rivincita.
Due teorici dell’Institute for Advanced Study (IAS) a Princeton hanno proposto recentemente un metodo per trovare delle “evidenze” che facciano luce sulla teoria delle stringhe.

Questo metodo si basa sulla ricerca di “particelle reliche” che sarebbero esistite circa 14 miliardi di anni fa, originatesi con una energia 15 miliardi di volte superiore a quella che si ha tipicamente durante una collisione al Large Hadron Collider (LHC). Motivo questo per cui le stringhe non possono essere rilevate dagli acceleratori di particelle.

Per far questo, gli scienziati non possono certamente portare il grande collisore adronico a quelle energie, nemmeno avvicinarsi, ma potrebbero rivelare delle “tracce” dell’eventuale esistenza di queste particelle primordiali attraverso osservazioni cosmologiche, grazie soprattutto ad una tecnologia adeguata.

Insomma, questa ricerca potrebbe portarci verso la scoperta di evidenze che possono far luce sull’esistenza di particelle reliche che hanno lasciato la loro traccia impressa nell’intero Universo. Se qualcuno sarà in grado di provare, o meno, il fatto che il mondo è fatto di stringhe, allora potremo dire che la matematica che sta alla base della teoria delle stringhe potrà essere applicata ad altri campi.

Nel 2009, i ricercatori scoprirono che la matematica della teoria delle stringhe poteva essere utilizzata nell’ambito della fisica della materia condensata. Da allora, i fisici hanno applicato la teoria allo studio dei superconduttori.

Fisici teorici come Edward Witten dell’IAS ritengono che il successo in altri campi della ricerca indica in realtà che la teoria delle stringhe rappresenti il “cuore” di tutte le altre teorie al livello più fondamentale.

Conclusione:
Si può dire che il Modello Standard descriva coerentemente la Natura?
No. È per questo motivo che i fisici considerano il modello standard una teoria incompleta, una transizione verso qualcosa di più generale che spieghi veramente l’universo macroscopico partendo dalle sue più microscopiche componenti.

Allora siamo proprio sicuri che la teoria delle stringhe è solo una bella e fantasiosa teoria?


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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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17 risposte a La teoria delle stringhe sotto assedio.

  1. pjperissinotto ha detto:

    Un articolo interessante.
    Da fisico, perduto ormai da anni nella vita normale, ho solo un pensiero su questi temi. Io credo che alla fine la spiegazione del tutto, tra molte centinaia di anni, sarà semplice.

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    • bruce ha detto:

      Grazie per l’aprezzamente che detto da un fisico mi conforta per gli sforzi profusi nel redere l’articolo il più possibile comprensibile.
      Anch’io da anni sono stato catapultato nella vita di tutti i giorni, ma non demordo, sento sempre una forza (non so quale delle quattro fondamentali) che mi lega a questi temi.
      Un saluto.

      Liked by 1 persona

  2. Rebecca Antolini ha detto:

    Buongiorno caro Silvano anni fa ho letto una volta qualcosa sulle stringhe cosmiche, beh le stringhe sono per farsi una idea a paragonare a enorme corde, forme energetiche, quelli possono avere dimensioni molto grandi, come una galassia o anche molto di più…

    Immaginamo che possiamo catturare questa energia… 😀 non ci sono nemmeno accumulatori di quel genere 😐 …buona giornata caro Silvano

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    • bruce ha detto:

      Ciao Rebecca, come vedi, questi argomenti affascinano anche la casalinga di Verona. 🙂
      E in quello che dici poi c’è del vero. La teoria delle stringe ha partorito un’altra teoria chiamata teoria-M e successivamente la teoria delle brane, che possiamo definirle come mondi paralleli a più dimensioni dove ognuna delle brane contiene un universo diverso di particelle.
      Mi fermo qui perché il discorso diventa complicato.
      Non mi è complicato dirti buona giornata.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        Come sai io ti seguo con piacere… e mi impegnao a comprendere.. ma sono più brava da casalinga 😉 serena serata a te e alla tua famiglia

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        • MARGHIAN ha detto:

          Cosi’ come io risposi ad una signora, che ora non ha piu’ il blog, che si faceva chiamare “la carla fracci della cucina”. Lei mi scrisse che non capiva gran che “di questi argomenti”. Al che, io le risposi: “vedi, io non sono il nureyev della cucina”, per dirle “in quello sei piu’ brava tu..” 🙂

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          • bruce ha detto:

            Ricordo quel blog, l’ho visitato anch’io qualche volta. Dispiace quando lo chiudono.
            Un giorno parlando con gli amici al bar (mi sopportano pazientemente, ma io insito per ficcagli qualcosa di scientifico in testa) mi hanno preso per matto quando ho detto che possono esserci altre dimensione, forse tante aggrovigliate su se stesse.
            D’altra parte, dissi ad Aldo, religioso ossevante, cosa si intende per esistenza religiosa di entità “spirituali”? Entità a noi incomprensibili, non materiali, al di fuori delle nostre dimensioni, ovvero entità non localizzabili con le nostre 3 coordinate spaziali e non definibili nel tempo. Queste entità non appartengono forse ad una dimensione a noi ignota? La risposta già la sai: “la risposta è nella fede”. E siamo punto da capo, ogni mio sforzo viene meno.
            Buona giornata.

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          • Rebecca Antolini ha detto:

            Ciao Marghian, non possiamo fare tutto o essere bravi in tutto, ma nonostante mi piace a leggere e ampiare la mia mente anche con cose che capisco solo parzialmente.. la vita e come una scuola si impara impara impara

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      • noris ha detto:

        Non mi crederai ma ho scoperto la prova visiva di questa teoria

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  3. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. La teoria delle stringhe e’ sotto assedio. Ma la cosa non mi stupisce, data la “misteriosita’” di una teoria (affascinante) come questa, e dove alcuni dei suoi punti salienti sono difficllmente dimostrabili sperimntalmente. “Le equazioni ci sono tutte, i conti tornano, ma occorre vedere in maniera “galileiana” se questi calcoli corrispondano alla realta’ dei fatti”, ebbe a dire Zichichi sulla teoria del “supermondo”- credo che con questo termine si riferisse alla teoria delle superstringhe o ad una varante di questa, lui parlo’ di una quarantina di dimensioni.. -. Per quanto riguarda il gravitone, poi, bisogna comunque scoprire, sempre sperimentalmente, queste benedette onde gravitazionali. Quando sara’? Ciao.

    Marghian

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    • bruce ha detto:

      Ciao Marghian, ho scritto questo articolo perché scosso dopo aver letto certi apprezzamenti, non tanto leggeri, su questa teoria.
      Si fa presto a criticare. D’altra parte anche la stessa teoria del Big Bang, oramai accettata da tutti, è sotto assedio. Al contrario della teoria delle stringhe, non c’è nemmeno una formula matematica che la dimostri. L’accettiamo per deduzione e indirettamente dalla radiazione cosmica di fondo. Ma di fatto nessuna prova.
      Come ho scritto, gli studiosi di questa teoria sostengono che le stringhe, le cosiddette particelle “reliche” si siano formate nel momento in cui nasceva l’universo, forse prima della inflazione, con condizioni fisiche improponibili ora nei nostri acceleratori di particelle per rilevarle.
      Allora, se seguiamo la teoria di Zichichi c’è da domandarsi se riusciamo a vedere il Big Bang in maniera “galileiana”, ovvero se questa teoria corrisponde alla realtà dei fatti”
      Dubito, quindi forse certi fisici dovrebbero essere più cauti a esprimere certi giudizi. Perché qui la verità non ce l’ha ancora nessuno.
      Giusto?
      ciao

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  4. enricogarrou ha detto:

    Grande Bruce, un argomento di infinito spessore trattato con maestria e semplicità. Grazie

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  5. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce.”“la risposta è nella fede”. E siamo punto da capo, ogni mio sforzo viene meno”. La scienza, quando non ha elementi, dice (umilmente) “non lo sappiamo ancora”. La fede, pur non sapendo, afferma. La fede e’ pero’ di due tipi: quella discertamente celata nel cuore, vissuta dentro, quella di chi senza pretese semplicemente spera in qualcosa, e va bene (come dice anche S. Paolo”, “non si vanta”, “e’ benigna”…); c’e poi la fede di chi crede di avere la verità in tasca, anzi, questa sarebbe “buona fede”: peggio e’ far..credere di avere la verita’ in tasca, propinarla e addirittura imporla. La scienza presenta fatti.

    Marghian

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    • MARGHIAN ha detto:

      “L’accettiamo per deduzione (l’idea del big bang) e indirettamente dalla radiazione cosmica di fondo. Ma di fatto nessuna prova”. In effetti e’ vero, e’ solamente intuitivo pensare ad un universo come un nugolo in espansione. Capito’ a me- nel mio piccolo- di immaginare il “big crunch” senza ancora aver letto o sentito nulla in materia: “vedete, chi vi dice che l’universo, ad un certo punto non cessi di espandersi (allora pensavo all’espansione come frutto della forza di una espansione, non sapevo dell’ energia oscura, ne’ della curvatura dello spazio e del suo contrario…), prevale di nuovo la gravità e tutto ricade verso il centro, e magari dopo tutto esplode nuovamente creando un nuovo universo ?”. Ma le intuizioni, da sole, non servono.

      Si tenta oggi di “ricostruire” le condizioni dell’universo “prima del big bang”, ma sempre partendo dall’intuizione primaria: l’inizio di una espansione da un punto di singolarità che poi- come mi hai spiegato- forse neppure esiste come singolarità. Ciao.

      Marghian

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