Teoria della Stringhe: storie d’infedeltà a undici dimensioni

Apr 7, 2014 by

Teoria della Stringhe: storie d’infedeltà a undici dimensioni

Avete presente quella magica atmosfera che si crea spontaneamente quando v’immergete in un buon libro? L’odore delle pagine, la porosità al tatto, la luce gialla come la fiamma delle candele e il dolore alla base del collo, di cui la maggior parte delle volte non vi frega assolutamente nulla. La cosa importante è sapere cosa viene dopo. Se il vostro libro è abbastanza coinvolgente, vi gonfierà le vene di curiosità, ispirazione, ambizione; se non è una storia lineare, e ci sono flashback, ne andate alla ricerca: volete sapere cos’è successo prima. Il vostro obiettivo è immergervi completamente in una dimensione alternativa, andare a fondo alla trama, leggere fra le righe per comprendere dove l’autore vuole davvero arrivare. Magari il vostro libro è un giallo, e cercate d’indovinare, traendo prove ai vostri ragionamenti per ogni indizio che dissemini lo scrittore.

I fisici teorici, per quanto sembri lontana la metafora, si propongono di fare la stessa cosa. La dimensione apparentemente irrealistica che indagano loro, però, esiste davvero. È come se lavorassero a un grande romanzo già scritto; non solo con le parole, ma con un linguaggio che può essere tradotto soltanto con assunti e pericolosi ordigni matematici che noi di mentalità umanistica preferiamo evitare di buon grado; dal nostro punto di vista tutto classici latini e linguistica, li chiameremmo “arzigogoli rarissimi”, come Elio e Le Storie Tese ci delucidano nella loro canzone mononota.

Il motivo per cui la fisica quantistica è vista come una dimensione alternativa, è semplice: per spostare un oggetto con le mani, come sappiamo, impieghiamo una forza in una certa direzione e l’oggetto si muove; funziona, è chiaro e dimostrabile, l’abbiamo studiato alle superiori e non ci sono obiezioni. Questo processo, parte della fisica classica, funziona solo fino a una certa scala. Oltre una determinata profondità, le regole cambiano e l’universo è come se fosse un altro: rispetta leggi diverse, si muove in modo diverso. Quest’ultima dimensione a scala ridotta è la fisica quantistica.

Fisica quantistica e fisica classica, leggi in comune

Per quanto si sa adesso, se le leggi della fisica quantistica fossero le stesse della fisica classica, saremmo troppo spesso soggetti a situazioni di questo tipo. Lui è il povero Alan Parrish, dal film Jumanji.

Come dalla civiltà alla giungla più nera, la dimensione della fisica classica e quella della fisica dei quanti sono due facce della stessa medaglia: la civiltà risponde a certe leggi come l’etica e la morale, mentre la giungla risponde ad altre diverse e più implicite, come la legge del più forte o la lotta per la sopravvivenza; ma non stanno certo in due pianeti diversi: sappiamo che fanno parte dello stesso mondo. Ci sono delle leggi più generali che le accomunano, e ci permettono di riconoscere i due fenomeni parte integrante del meccanismo della vita. Così, l’universo microscopico e l’universo macroscopico si completano vicendevolmente; e dato che non ci è così facile comprenderli, come ci verrebbe immediato distinguere un’orda di babbuini urlanti e un banchetto di corte del ‘700, bisogna individuare le leggi in comune che ne comprovano il legame.

Ai tradimenti ci arriviamo fra poco; passaggio fondamentale, di malgrado per gli avventurosi lettori, è la comprensione della struttura sociale del microcosmo quantistico. Aggirando la ridondanza, chiarifico le grandezze a cui mi riferisco: una mela è composta da una struttura molecolare, di cui fanno parte gli atomi; il nucleo degli atomi è composto da protoni, neutroni ed elettroni; gli elettroni sono così piccoli che si dicono “puntiformi”, e sono a loro volta composti da tre quark, particelle subatomiche ancora più piccole. Secondo il “Modello Standard” – la teoria delle particelle elementari più precisa finora – i quark si dividono in più categorie: a seconda delle implicazioni in cui le particelle sono coinvolte (si dividono, s’accoppiano, si scontrano e annichiliscono), nascono i più piccoli componenti dell’universo microscopico, che culminano in neutrini, fotoni, muoni, bosoni, e altri ancora più impercettibili. struttura molecolareOgnuna di queste particelle sente di avere un posto nella società. C’è chi lega le forze, chi invece fa parte della materia. L’attenzione si rivolge all’incompletezza della teoria stessa: le particelle elementari del Modello Standard legano solo tre delle quattro forze fondamentali, lasciando fuori dal cerchio la forza gravitazionale; ne consegue che la teoria non può essere un buon punto d’incontro per le leggi del micro e macro mondo, e si deve fare di meglio.

A questo punto, la mente dei fisici teorici s’accende come quella di uno scrittore in procinto di scrivere una nuova storia: bisogna non lasciare nulla al caso, cominciare con una buona struttura narrativa, una trama forte, che faccia da letto a eventi, personaggi, coincidenze. Ma soprattutto, deve trovare una conclusione coerente e fondata.

Gabriele Veneziano, nel suo articolo del ’68, non cercava proprio quella, in effetti. Veneziano è un fisico teorico di Firenze che ai tempi tentava di spiegare le interazioni di campo nella “gravità quantistica”, altra teoria incompleta figlia del Modello Standard. A quanto pare, particelle subatomiche dal nome adroni, davano filo da torcere ai fisici per via della loro ignota composizione: gli adroni sono le particelle mediatrici della forza nucleare, e comprenderne i meccanismi avrebbe giovato non poco. Veneziano descrisse in un articolo il suo nuovo tentativo matematico di risolvere la faccenda, ispirato da una formula di Eulero vecchia di duecento anni. Contro le aspettative, non solo fornì ottimi spunti per comprendere la struttura degli adroni, ma favorì a fisici del decennio dopo – Nambu, Nielsen e Susskid – un nuovo modello per percepire la forza nucleare: si pensava che questa fosse rappresentabile con un mucchio di stringhe vibranti, anche se poco dopo i primi esperimenti si comprese che il modello non stava in piedi; la Forza Nucleare, e quindi gli Adroni, non calzavano con le Stringhe. Vi state ancora chiedendo cosa c’entrano allora gli adroni e la forza nucleare con le stringhe? Proprio nulla! Perché infatti, nel 1974, i fisici Shwarz, Scherk e Yoneya hanno visto le Stringhe di cui sopra passeggiare con i Gravitoni, e non con gli Adroni. I Gravitoni sono le particelle mediatrici della forza gravitazionale, non per altro questo pubblico tradimento con le Stringhe fu uno scandalo. D’altro canto, la Gravità aveva finalmente un modello che riuscisse a contenerla, a dispetto del Modello Standard, e la Forza Nucleare, coi suoi Adroni, andò per la sua strada. È stato un vortice di eventi e fraintendimenti che ha aiutato a portare nuove consapevolezze a galla; si avvertiva, che le Stringhe erano destinate a ben altri scopi. Per l’appunto, la nuova coppia Stringhe-Gravità, che per comodità chiameremo Teoria delle Stringhe, è ora la protagonista del nostro racconto.

Samuel L. Jackson in Pulp Fiction, chiarifica la mimica facciale adeguata

Samuel L. Jackson in Pulp Fiction, chiarifica la mimica facciale adeguata

La Teoria delle Stringhe, a quel punto, aveva le potenzialità per unificare le quattro forze fondamentali e la materia esistente dell’Universo, dalla più grande alla più piccola dimensione. Secondo la teoria, una mela è composta da una struttura molecolare, di cui fanno parte gli atomi; questi sono composti da neutroni, protoni ed elettroni, fin qui come nel Modello Standard; la Teoria cambia con gli elettroni, che si sostiene siano composti da stringhe vibranti, e il nucleo dell’atomo in questione è composto da quark, anche loro composti da stringhe vibranti. stringhe violinoLe stringhe sono immaginate come corde di un violino, con la piccola differenza che sono unidimensionali e hanno un’estensione pari più o meno alla lunghezza di Plank (10-35 cm); per intenderci, ancora meno della distanza che c’è fra la pelle e un’insaccante completino in tessuto sintetico. Le stringhe vibrano in modi diversi e creano particolari frequenze: se toccassi la corda di un violino provocherei un determinato suono, che non è uguale a quello che sentirei se toccassi una corda diversa. I distinti tipi di vibrazione di una stringa, allora, creano le frequenze che ci hanno permesso di percepire le particelle. Giusto per essere prolissa, ogni vibrazione è un diverso tipo di particella; resta in ogni caso un interrogativo: mentre le onde sonore del violino dilagano placide nel nostro mondo sensibile, le stringhe hanno bisogno di un diverso spazio in cui scodinzolare. Dove le si piazzano? Isaac Asimov direbbe “è chiaro, in un universo parallelo!”, e per quanto sia considerato fra i più famosi autori di fantascienza, non avrebbe tutti i torti.

Vista da una prospettiva filosofico-letteraria rincuorante, è come se osservassimo una di quelle illusioni ottiche dove s’intravedono sia un paio di profili umani, sia un vaso, incastrato lì in mezzo agli stessi tratti. Quella doppia immagine è la percezione che abbiamo del nostro Universo: a una prima occhiata è un vaso; poi si allarga la visuale, la si avvicina, si gira al contrario la carta e… “Ehi! È tutta un’altra cosa!” Sì, ma l’immagine è la stessa; abbiamo semplicemente cambiato prospettiva con cui osservarla. Quest’esclamazione era, in forma spicciola (e a misura di comuni mortali), il clima che si respirava fra le più brillanti menti della fisica teorica negli anni ’70.

Purtroppo per chi deve cercare di capire tutto ciò – e per fortuna per i progressi della fisica quantistica – non è finita qui. La Teoria delle Stringhe, come tutti gli altri modelli teorizzati, mostrano quasi subito qualche errore concettuale o matematico: in questo caso, prende il nome di “singolarità”.

 Una potenziale teoria del tutto non può fermarsi al legame che c’è fra micro e macro cosmo, deve poterne spiegare anche l’origine; per cui s’ipotizza che l’equazione della teoria ci porti così indietro nel tempo da arrivare al momento prima del Big Bang. Si ripercorre a suon di numeri e calcoli la Teoria delle Stringhe, la si incrocia con altre necessarie componenti universali come la Teoria della Relatività, et voilà, eccoci all’esplosione primordiale: un mucchio di materia che spruzza a velocità relativa verso i sobborghi dello spazio, il tessuto temporale si piega, si agglomerano carbonio e vari gas, s’incendia tutto. Un vero casino. Quasi uno starnuto galattico. Big BangTanto che, anche su un foglio con una penna nera e infinite righe di calcoli, non si riesce a uscirne: l’equazione non parla, non combacia più nulla, i tentativi di intersecazione delle teorie non funzionano più, e noi esseri umani perseveriamo nella non-conoscenza della causa del Big Bang. Questa interruzione di calcolo è la singolarità.

Consapevoli di ciò, i fisici impazzivano. Perfezionavano, rifinivano in ansia da sovrapproduzione. Nascevano, studiavano, si riproducevano e l’ambita Teoria del Tutto non era ancora completa, né tanto meno risolta. Questo agglomerarsi di idee è esploso con tanto fervore che negli anni ’90 sono uscite fuori addirittura cinque teorie delle stringhe l’una diversa dall’altra, anche se presentavano curiose similarità. Inizialmente è stato umano, errare pensando che solo una o alcune di queste teorie fosse quella vera, che avrebbe unificato tutto a discapito delle altre; poi si è scoperto che basta una matematica trasformazione per renderne due uguali: le sottili differenze che caratterizzano le due teorie in esame sono dette “dualità, in una logica che illumina una volta per tutte il quadro complessivo. Le cinque teorie delle stringhe sono ognuna una diversa descrizione matematica dello stesso fenomeno. Sono la cornice di una teoria ancora più generale, e si mostrano come se non fossero altro che una circonferenza in un mondo di sfere (come ho scritto nel mio articolo su Flatlandia e la Teoria delle Stringhe). Ancora una volta non si è stati precisi; ma si sentiva, che la teoria era in stand-by un metro prima del traguardo.

In inconsapevole soccorso, sempre sull’onda dei 90‘s, Michael Duff attendeva paziente che i suoi contributi alla teoria della Supergravità fossero riconosciuti, dato che, accipicchia, per farla quadrare aveva teorizzato un Universo a undici dimensioni. Il fisico Edward Witten, nel ’95, stava raccogliendo i pezzi del puzzle e si è accorto che alcune teorie delle stringhe potevano avere un rapporto di dualità anche con la teoria della Supergravità (si somigliavano un po’ tutte, in soldoni): eureka.

Esempio virtuale di membrane, Teoria M

Esempio virtuale di membrane, Teoria M

L’aggiungersi dell’undicesima dimensione a una delle cinque Teorie (che comprendeva solo dieci dimensioni), ha permesso l’esistenza di altre strane entità dalle forme più disparate: oltre alle leggiadre stringhe comparivano membrane, oggetti tridimensionali, cilindrici, a cappio, intersecati, bucati, la maggior parte delle volte bellamente ignorati dai fisici, troppo assorti nello studio delle sole stringhe; anche se prima o poi arriverà il loro momento. In ogni caso, le Stringhe sono state nuovamente infedeli. Non solo hanno una nuova relazione con entità perfino tridimensionali, ma non si sono neanche preoccupate di allontanarsi dal loro precedente partner, la gravità; in effetti hanno fatto di meglio: sono riuscite a sostentare un concettuale ménage à trois. Le teorie delle stringhe a dieci dimensioni (che faranno poi parte della Teoria delle Superstringhe) si sono legate alla Teoria della Supergravità (che comprende undici dimensioni), nonchè alle quattro interazioni fondamentali (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte); felicitazioni.

 È questa la nascita della Teoria M, anche se lei crede ancora alla storia della cicogna. Ormai è quasi un gioco per gli studiosi indovinare cosa avesse in mente Witten quando battezzò la teoria con quella grande M immotivata: i meno scettici dicono “membrana” o “matrice”; i media ripiegano su parole di più presa come “madre”, “magia”, “mistero”, “mania”. Resta il fatto che ognuna di queste membrane o strane entità può essere un altro universo, magari come il nostro, e questo rende il tutto più accattivante. La speranza perpetrava silenziosamente anche nelle menti degli investigatori del Big Bang: un nuovo risvolto delle potenziali teorie del tutto poteva allargare gli orizzonti anche su questo nodo fondamentale, e risolvere finalmente la singolarità.

Cambiamo location. Burt Ovrut, un rinomato fisico teorico, stava tenendo una delle sue importanti conferenze a Cambridge; parlava delle stringhe eterotiche e delle loro connessioni con la Teoria M a un pubblico di scettici astrofisici. Gossip, insomma. Concluso il tutto aveva deciso di andare a vedere Copenaghen a Londra, uno spettacolo teatrale che l’avrebbe rilassato oltremodo da puntigliose stringhe e avviluppanti membrane. Con lui ad attendere il treno c’erano Neil Turok e Paul Steinhardt, rispettabili colleghi altrettanto brillanti, che avevano tra l’altro assistito alle sue conferenze (sulle quali poi hanno anche scritto un libro: “Universo Senza Fine. Oltre il Big Bang). La stazione è sempre stato un luogo ispiratore, almeno dai Futuristi e oltre, ma non avrei mai pensato più in là della letteratura e dell’arte. Seduti sul treno, i tre fisici chiacchieravano del più e del meno… su piani quantistici, s’intende: “e se fosse l’intersecazione di queste membrane a causare il Big Bang?”, si sentiva pronunciare da un sedile all’altro. Ma certo: due membrane, simili a lenzuoli stesi nel vuoto con increspature irregolari e in perpetuo movimento, si sarebbero scontrate fra loro rilasciando nel nostro mondo la quantità di energia accumulata fra le pieghe. Come ho fatto a non pensarci prima?

 Secondo il magico trio, è lo scontro dei lembi prominenti delle membrane ad aver provocato l’esplosione e aver quindi sparso la materia nel modo che riconosciamo oggi. Scrivendo matematicamente questo concetto non sembrano esserci rettifiche all’orizzonte, anche se le prove concrete arriveranno solo fra diversi anni, CERN permettendo. E questa è solo una delle possibili applicazioni della Teoria M.

 Un altro argomento su cui la Teoria ha messo gli occhi è abbastanza controverso e molto discusso negli ultimi anni: si tratta dei buchi neri; ma dati i piccanti risvolti con l’LHC (Large Hardron Collider, un’enorme acceleratore di particelle sotterraneo lungo ben 27 chilometri), la Teoria non dovrebbe aver problemi a conquistare anche loro. O almeno, questo è ciò che si spera.

Commenti

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2 Comments

  1. chiara

    una donna di molto spirito… mi son divertita con la materia più astrusa del mondo, non è poco. E’ venuto fuori un quadro sintetico ma chiaro e circostanziato, molto apprezzabile anche da me che navigo nel mare magnum dell’ignoranza quantistica ma sono attratta da quest’ordine di problemi. Grazie e felice di conoscerti

  2. Valeria

    Ciao Chiara, ti ringrazio molto. Il piacere è tutto mio.

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