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Per i principianti, la teoria delle stringhe è inizialmente un concetto affascinante ma altamente astratto, secondo cui gli elementi costitutivi fondamentali dell’universo non sono particelle puntiformi, ma minuscoli filamenti vibranti (stringhe) della lunghezza di Planck.
Teoria delle stringhe per principianti: origine e idea di base
La teoria delle stringhe è nata tra la fine degli anni ’60 e l’inizio degli anni ’70, inizialmente come tentativo di descrivere in modo uniforme le numerose particelle elementari e forze presenti in natura, in particolare nel campo delle interazioni forti.
- Gli scienziati hanno notato che molti fenomeni potevano essere spiegati con modelli che consideravano le particelle non come punti, ma come piccole “stringhe” unidimensionali.
- La teoria delle stringhe bosoniche è stata una delle prime varianti e descrive solo i bosoni, ovvero particelle con spin intero, ma incontra alcuni problemi, ad esempio l’esistenza di stati tachionici (particelle con massa immaginaria) e il fatto che i fermioni (particelle con spin semintero) non vengono rilevati.
- Successivamente, la teoria è stata ulteriormente sviluppata nella teoria delle superstringhe, che include sia i bosoni che i fermioni e applica il principio della supersimmetria, ovvero che per ogni bosone esiste un partner fermionico. Questo sviluppo è stato importante per superare le debolezze bosoniche.
Come funziona la teoria: Vibrazioni, dimensioni e compattazione
L’idea di base è che tutta la materia e tutte le interazioni sono costituite da minuscole stringhe vibranti.
- Diversi tipi di oscillazioni di queste stringhe generano particelle diverse con proprietà diverse come massa, carica o spin, in modo simile a una corda di uno strumento musicale, dove diverse oscillazioni producono suoni diversi. Una stringa può essere aperta (con estremità) o chiusa (a forma di anello) e, a seconda di come oscilla, mostra una determinata proprietà della particella.
- Affinché questa teoria funzioni in modo matematicamente coerente, richiede più delle nostre quattro dimensioni conosciute (tre spaziali e una temporale). Nella teoria delle stringhe bosoniche sono 26 dimensioni, nella teoria delle superstringhe 10 dimensioni. Le dimensioni aggiuntive sono postulati in modo tale da essere “arrotolate” o compattificate su scala microscopica, il che significa che non le percepiamo nella nostra vita quotidiana perché sono molto piccole o nascoste in particolari strutture topologiche.
- Un modello comune per questo sono le cosiddette varietà di Calabi-Yau, forme spaziali speciali che possono accogliere le sei dimensioni spaziali aggiuntive della teoria delle superstringhe senza violare le leggi fisiche conosciute.
Ambizione e situazione attuale
Il grande obiettivo della teoria delle stringhe è quello di unificare la teoria quantistica (che descrive il comportamento delle particelle nel microcosmo) e la teoria della relatività generale (che tratta della gravità e del comportamento dello spazio e del tempo nel macrocosmo) in un quadro unico.
- Finora queste due teorie non sono completamente compatibili, soprattutto se si considerano distanze molto piccole (scala di Planck) o gravitazioni molto forti (ad esempio i buchi neri). La teoria delle stringhe potrebbe essere una “formula universale” in cui entrambe vengono riunite.
- Esistono diverse varianti della teoria delle superstringhe, ad esempio il tipo I, il tipo IIA, il tipo IIB, le teorie eterotiche (E₈×E₈ e SO(32)), che differiscono per il tipo di stringhe (aperte/chiuse), il numero di supersimmetrie e le proprietà.
- Al momento non esiste ancora alcuna prova sperimentale che confermi in modo inequivocabile la teoria delle stringhe. Finora non sono state trovate particelle supersimmetriche partner, né sono state dimostrate in modo misurabile dimensioni aggiuntive.
- Molte delle strutture matematiche, delle compatteizzazioni e della selezione della varietà di Calabi-Yau sono oggetto di intense ricerche, ma i loro effetti nei fenomeni fisici osservabili sono ancora ipotetici.
