Cosa sono le superstringhe?
Le superstringhe, o teoria delle superstringhe, sono un campo eccitante della fisica a volte chiamato Theory of Everything . Molti pensano che sia la sfuggente spiegazione unificante che Einstein cercò di spiegare tutte le forze conosciute nell'universo.
Fino all'arrivo delle superstringhe, gli scienziati avevano due teorie opposte su come si comportavano le leggi della natura: la teoria generale della relatività di Einstein e la meccanica quantistica.
La relatività generale spiega il mondo come lo conosciamo su una scala piuttosto massiccia. Descrive lo spazio-tempo come un tessuto deformato dalla contabilità di massa dei sistemi orbitali, delle galassie e della forza di gravità. Ma queste leggi si infrangono a livello quantico dove una particella subatomica non può essere misurata in termini della sua posizione esatta nello spazio in un dato momento. È anche probabile che si muova indietro nel tempo come lo è per avanzare, e può anche sembrare di trovarsi in due posti contemporaneamente. Il mondo dell'infinitamente piccolo è così bizzarro, gli scienziati hanno coniato il termine "stranezza quantistica" per descriverlo.
Il problema per i fisici era quello di elaborare una teoria che unisse il mondo che conosciamo con il mondo quantico. Una spiegazione per spiegare tutte e quattro le forze conosciute: gravità, forze nucleari forti e deboli ed elettromagnetismo. Le superstringhe potrebbero essere quella risposta.
Attraverso equazioni matematiche divenne ovvio che il modo in cui in precedenza avevamo pensato alle particelle come "punti" o "palline" di energia era impreciso. Questi piccoli frammenti di materia si comportavano in realtà più come stringhe vibranti e oscillanti. Le stringhe sono così piccole che Brian Greene, fisico e sostenitore, spiega che se un singolo atomo avesse le dimensioni del nostro sistema solare, una stringa avrebbe solo le dimensioni di un albero. Eppure le stringhe costituiscono tutta la materia dal livello quantico in su.
Il modo in cui vibrano le stringhe determina le proprietà specifiche di ogni singola particella, paragonando l'universo a una sinfonia cosmica di superstringhe. Ma per liberare la teoria delle anomalie matematiche, erano necessarie sei dimensioni extra. Le sei dimensioni extra formano forme 6-D minuscole e raggomitolate in ogni punto del nostro spazio. All'interno di queste forme 6-D ci sono le stringhe della teoria delle superstringhe. Le sei dimensioni extra, più le nostre tre, significavano che c'erano davvero 9 dimensioni. Aggiungine uno in più per il tempo e il totale era di 10 dimensioni. Per quanto sorprendente fosse, non era la fine.
Nel 1995 le diverse teorie delle superstringhe presentarono un enigma fino a quando la teoria M le unì. L'unica cattura? La teoria M richiede matematicamente un'undicesima dimensione. Ciò presentava una nuova immagine di stringhe in cui, data l'energia sufficiente, una stringa poteva allungarsi per diventare una membrana galleggiante estremamente grande, chiamata in breve una brana . Le brane possono avere proprietà dimensionali diverse e crescere grandi come un universo. In effetti, secondo la teoria, il nostro intero universo esiste su una brana galleggiante - solo una delle numerose brane galleggianti che supportano ognuna il proprio universo parallelo. Ogni brane rappresenta una fetta di uno spazio o una massa di dimensioni superiori.
Sebbene il Modello Standard degli anni '70 avesse già unito tre delle quattro forze in una teoria unificata, la gravità non poteva essere riconciliata con le tre forze quantiche. Ma una svolta nelle superstringhe comprendeva la forza sfuggente della gravità, sussurrando il Santo Graal della fisica. Se una particella ipotetica priva di massa responsabile della trasmissione della gravità - il gravitone - esiste a livello quantico come una stringa chiusa , ciò presenterebbe un collegamento gravitazionale diretto con la teoria delle superstringhe.
La teoria prevede che le stringhe possano essere aperte o chiuse. Le stringhe aperte o che assomigliano a piccoli peli svolazzanti hanno almeno un punto finale "attaccato" alla membrana come se un carrello fosse attaccato da un cavo superiore a una linea elettrica. Le stringhe possono muoversi attraverso la brana ma non possono lasciarla, spiegando perché non possiamo vedere fisicamente fuori o raggiungere la nostra dimensione. Gli atomi che compongono i nostri corpi sono composti da stringhe aperte che hanno punti finali collegati alla nostra membrana 3D. Un altro modo di vederlo è considerare uno schermo cinematografico. Le persone su uno schermo sembrano tridimensionali, ma in realtà non riescono a raggiungere lo schermo nel nostro mondo 3D. Sono bloccati nel loro mondo 2D, così come siamo bloccati nel nostro mondo 3D e non possiamo raggiungere dimensioni vicine. Gli scienziati si riferiscono a questo come a gradi di libertà .
Ma il gravitone è diverso. Come una stringa chiusa o un loop senza endpoint collegati, è stato teorizzato che potrebbe essere in grado di sfuggire alla nostra brana 3D e filtrare in altre dimensioni. Ciò spiegherebbe perché la gravità è molte volte più debole delle altre forze.
Tuttavia, se l' inverso fosse vero? E se la gravità su una brana parallela è forte come le altre forze, ma qui è più debole perché perde solo nella nostra dimensione? Matematicamente, la teoria delle superstringhe ha funzionato di nuovo magnificamente e alla fine ha fornito una spiegazione plausibile per la debolezza della gravità, unendola alle altre tre forze.
Rimaneva solo un ostacolo: la teoria unificante dovrebbe anche essere in grado di spiegare il Big Bang. Quattro fisici che viaggiano insieme su un treno hanno affrontato casualmente questo argomento. Uno di loro fece la domanda: cosa accadrebbe se due brane si scontrassero? La plausibile risposta matematica si rivelò essere il Big Bang.
I detrattori della teoria delle superstringhe indicano la mancanza di prove e la difficoltà di fornirla. È solo un bellissimo costrutto matematico? Una filosofia? O una vera spiegazione del nostro mondo? Nessun'altra teoria si è avvicinata all'unificazione matematica di tutte e quattro le forze, tanto meno fornendo una spiegazione per il Big Bang. Ma dimostrare l'esistenza di altre dimensioni - brane galleggianti e universi paralleli - è stato un grande punto critico.
Tuttavia, i credenti dell'elegante teoria sono ansiosi di vederlo provato, e da allora gli scienziati hanno scoperto che potrebbero esserci prove osservabili di stringhe astronomicamente grandi. Pertanto, la teoria delle superstringhe continua a guadagnare terreno. Alla fine, in caso di successo, dalle 11 dimensioni agli universi paralleli, dalle galassie vorticose alla zuppa quantistica, le superstringhe potrebbero davvero essere la teoria di tutto .