Planetario di Milano 8 Giugno Corrado Ruscica

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1 Planetario di Milano 8 Giugno 2006 Corrado Ruscica

2 Relatività Generale vs Meccanica Quantistica Dalla morte di Einstein, la Fisica rimase separata come due famiglie che abitano sotto lo stesso tetto e che non si parlano mai: Sembra che non sia possibile riconciliare le due teorie in una unica descrizione delle leggi che regolano l Universo

3 Atomi e galassie fanno parte dello stesso Universo, quindi ci deve essere una teoria applicabile a tutto. Non si può avere una teoria per gli atomi (meccanica quantistica) e una per gli astri (relatività generale). Oggi si ritiene che con la Teoria delle Stringhe si possa descrivere l Universo su tutte le scale, forze e particelle, dall infinitamente piccolo all infinatemente grande. Ma che cos è la Teoria delle Stringhe?

4 Che cos è la teoria delle stringhe? 1968 Gabriele Veneziano modi di eccitazione note musicali ogni nota descrive una particella diversa Nella teoria delle stringhe le particelle sono considerate come il risultato dell eccitazione di sringhe elementari λ ~ 10(-33) cm Scala di Planck

5 L idea base della teoria delle stringhe tutte le particelle in natura sono l eccitazione di una stringa un quark diventa una stringa 1d estesa

6 Le particelle elementari Le particelle non sono più puntiformi a dimensione zero perché la G non funziona Con la teoria delle stringhe dobbiamo generalizzare l idea di particelle puntiformi a particelle che abbiano una estensione, cioè sono linee o curve 1d che non hanno uno spessore

7 Varietà di particelle Nella teoria delle stringhe esiste quindi un unico oggetto lineare, esteso, uni-dimensionale, che appare sotto forme diverse a seconda la sua vibrazione.

8 La stringa è fondamentale I quark non sono più le particelle ultime che compongono la materia. La stringa diventa la componente ultima della materia e dalle sue vibrazioni deriverebbero tutte le varietà di particelle e le forze fondamentali

9 La Teoria delle Stringhe ci può aiutare a capire gli interrogativi di sempre: Come è nato l Universo e quali sono i suoi princìpi fondamentali? Anche se affascinante, la Teoria delle Stringhe è contestata. Supponendo che le stringhe esistano, esse sono talmente piccole che è impensabile riuscire a vederne una. Ma se impossibile verificare sperimentalmente l esistenza di una stringa, allora non si può parlare di Scienza ma di Filosofia: questo è il problema cruciale. Se la Teoria delle Stringhe non fornisce una ipotesi comprovabile, nessuno dovrebbe accettarla, anche se alcune delle sue idee sono alquanto eleganti per la comprensione della natura. Ma da dove deriva la teoria la Teoria delle Stringhe e come riesce a conciliare le leggi del mondo microscopico con quelle del mondo macroscopico? E come facciamo a sapere se è corretta?

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11 Consideriamo ad esempio il Big Bang

12 E come se guardando a ritroso il film cosmico, il proiettore si inceppasse nel momento del Big- Bang, poiché le due teorie (RG e MQ) non possono coesistere. Forse, la Teoria delle Stringhe ci può aiutare un giorno ad andare avanti nella proiezione del film cosmico per capire meglio il momento del Big-Bang. Ma bisogna allora riscrivere le leggi della Fisica? Attualmente, le due teorie sono contrastanti: è come avere due codici stradali diversi! In questa ipotetica città regnerebbe il caos. Quindi occorre trovare un unico codice stradale che abbia una logica. Vediamo allora dove le due teorie entrano in conflitto.

13 Lo spazio-tempo viene considerato come un tappeto elastico e la gravità è la curvatura dello spazio che si forma attorno alle masse.

14 Su scale piccolissime, la visione dello spazio-tempo della MQ è talmente diversa dalla RG che sembra di descrivere un universo differente. Su scale microscopiche, la struttura dell Universo non è più liscia e continua, ma diventa sempre più incerta. La struttura dello spazio diventa irregolare e caotica.

15 Su scale piccolissime, spazio e tempo sono cos distorti che i concetti convenzionali di destra e sinistra, alto e basso, prima e dopo, cessano di essere validi. Nel mondo dei quanti niente è immobile, è un luogo caotico e frenetico. Da qui nasce il conflitto tra le due teorie nel descrivere lo spazio-tempo su scale grandi e piccole. Oggi siamo quindi alla ricerca di una sola TEORIA che racchiuda la RG e la MQ in una unica equazione che descriva l Universo in ogni tempo e luogo.

16 Noi sappiamo che tutti i fenomeni della Fisica, dalla creazione di un atomo alla nascita di una stella, sono il risultato dell interazione di queste quattro forze con la materia. Einstein, cercò negli ultimi anni della sua vita di descrivere le leggi che governano l Universo mediante una unica teoria che unificasse tutte le forze della natura. Forse, la Teoria delle Stringhe potrebbe rivelarsi il suo sogno!

17 I sostenitori della Teoria delle Stringhe, credono infatti che le stringhe possano essere l anello di congiunzione tra le leggi del grande e le leggi del piccolo in una unica teoria: Però non tutti sono convinti della validità di questa teoria. Di fatto, nessun esperimento è riuscito a mettere in evidenza l esistenza delle stringhe. La fisica delle stringhe non può essere oggetto di test, anche se i teorici delle stringhe lo negano.

18 A partire dalla fine degli anni 60, gli esperimenti di fisica nucleare avevano portato alla luce una varietà di particelle elementari, al punto che i fisici accantonarono la Teoria delle Stringhe. Gli scienziati non scoprirono solo gli elementi costitutivi della materia ma essi formularono una ipotesi sorprendente: le quattro forze della natura si possono spiegare mediante particelle. Quindi la forza veniva interpretata come lo scambio di queste particelle mediatrici, ipotesi che fu confermata dalla scoperta delle particelle mediatrici dell elettromagnetismo, nella forza forte e nella forza debole. Ripercorrendo allora la storia del Cosmo, gli scienziati si stavano avvicinando al sogno di Einstein sull unificazione: si dimostrò che a T vicine al Big-Bang

19 Gli scienziati sono convinti che andando ancora indietro nel tempo, a T ancora più elevate la forza elettrodebole e la forza forte si unificano in una unica forza: Fu quindi la meccanica quantistica a spiegare come le tre forze operassero a livello subatomico: a questo quadro descrittivo delle particelle e delle tre forze fu dato il nome di Modello Standard C era però una lacuna nel modello: dove era andata a finire la forza di gravità?

20 Nel frattempo, la Teoria delle Stringhe, sebbene elegante nella sua formulazione matematica, non veniva presa molto sul serio al punto che venne definita come un ramo secco della Fisica. I seguaci della Teoria delle Stringhe erano però convinti nella sua fondatezza e non abbandonarono l idea. Addentrandosi sempre di più nella teoria, i fisici teorici incontravano nuovi problemi: ad esempio, era stata ipotizzata l esistenza di una particella, chiamata tachione, che doveva muoversi con velocità superiori a quella della luce. Inoltre si scoprì che la teoria richiedeva 10 dimensioni: una pura follia! La teoria stentava a decollare e gli studiosi si arresero: non poteva essere vera, c erano una serie di anomalie e incoerenze matematiche.

21 Dal 1973, solo alcuni fisici perseguitavano la meta di trovare l equazione fondamentale. Furono anni di intenso studio e di elaborazioni matematiche che portarono il fisico J. Schwarz ad una conclusione: la teoria che stava studiando era proprio una teoria della gravità. La particella priva di massa ipotizzata dalla teoria non era altro che il gravitone che trasmette la forza di gravità nel mondo infinitamente piccolo. La Teoria delle Stringhe aveva perciò prodotto quello che mancava nel Modello Standard: la Gravità!

22 Schwarz chiese la pubblicazione, ma la comunità scientifica non ebbe la minima reazione: la Teoria delle Stringhe cadde ancora una volta nel vuoto. Schwarz non si arrese perchè aveva intravisto la soluzione: se le stringhe descrivono la gravità a livello quantistico esse dovevano essere la chiave unificatrice delle quattro forze. Alla ricerca di Schwarz si unì un altro fisico teorico che avrebbe rischiato la carriere: M. Green

23 Schwarz e Green dovevano superare il problema delle anomalie matematiche: una anomalia è qualcosa di strano al contesto (es. un cellulare in mezzo al deserto) Le sorti della Teoria delle Stringhe dipendevano dalla risoluzione di queste incongruenze

24 Nel 1984, dopo cinque anni di duro lavoro contro le anomalie, essi ottennero ciò che stavano cercando: la teoria era priva di anomalie. Lavorando in parallelo su due lavagne, entrambi ottennero lo stesso risultato: Schwarz Green La teoria era quindi in grado di descrivere la gravità ma anche altre forze, realizzando cos il sogno di Einstein sull unificazione delle forze.

25 Da quel momento, i giornali pubblicarono a grandi titoli la scoperta di Schwarz e Green sulla formulazione di una L Universo sarebbe perciò composto da un numero estremamente grande di stringhe vibranti tale da essere paragonato ad una grandiosa sinfonia cosmica.

26 Il contrasto tra la Relatività Generale e la Meccanica Quantistica viene quindi risolto dalla Teoria delle Stringhe che agisce come se calmasse il caos della meccanica quantistica. La Teoria delle Stringhe trasforma il concetto di particella puntuale in entità formate da stringhe: il caos persiste ma è meno violento quanto basta affinchè la RG e la MQ possano coesistere.

27 Però la teoria ha un tallone d Achille : -nessun esperimento può dimostrare cosa succede a piccolissime distanze ed energie elevate -non è possibile realizzare alcun esperimento che possa confutare la validità della teoria Quindi la teoria è salva e per sempre! Inoltre, ciò che rende la teoria ancora più difficile da sperimentare è la presenza di nuove dimensioni spaziali oltre le tre dimensioni spaziali (a cui siamo abituati) più quella temporale.

28 Nel 1919, un matematico tedesco di nome Kaluza ipotizzò che nel nostro Universo si celasse un altra dimensione che non eravamo in grado di percepire. La sua idea piaceva ad Einstein e solo dopo due anni venne pubblicata. Ma dov era questa ulteriore dimensione? Che aspetto aveva? Kaluza Partendo dalle considerazioni di Kaluza, il fisico svedese Klein fece la seguente considerazione: Le dimensioni possono essere lunghe ed estese e piccole e circolari Klein

29 Kaluza e Klein azzardarono l ipotesi che la struttura dell Universo avesse, oltre le dimensioni spaziali a noi comuni con quella temporale, altre dimensioni invisibili proprio come la superficie del cavo e miliardi di volte più piccole di un singolo atomo.

30 La nostra percezione di un Universo con tre dimensioni spaziali potrebbe non essere corretta. Viviamo davvero in un mondo con altre dimensioni spaziali? Che aspetto avrebbero tali dimensioni extra? La Teoria delle Stringhe prevede che in ogni punto dello spazio esistano altre 6 dimensioni arrotolate rispetto alle 3 dimensioni spaziali già note, disposte in maniera irregolare e circolare e che potrebbero presentarsi come in figura

31 Come le dimensioni extra possono influenzare il nostro mondo? Secondo i fisici teorici, queste dimensioni extra potrebbero determinare tutte le costanti a noi note della natura per cui l Universo dove noi viviamo sarebbe esattamente sintonizzato sui valori di queste costanti.

32 Ma nel 1985, i fisici teorici si resero conto di avere formulato non una ma bensì cinque teorie delle stringhe in disaccordo tra loro. Alcune di esse prevedevano stringhe aperte, altre stringhe chiuse. Due versioni delle teorie prevedevano addirittura 26 dimensioni!!! Tutte e cinque erano valide, ma quale descriveva il nostro Universo? Si creò un certo imbarazzo: se c è un solo Universo, ci deve essere una sola teoria. Forse soltanto una descrive l Universo, e le altre a cosa servono? La Teoria delle Stringhe si arenò nuovamente e molti fisici si arresero.

33 Dalla si rischiava di passare alla Si stava esagerando

34 Nel 1995, Ed Witten lasciò sbalordita la comunità scientifica: le cinque teorie non erano altro che la stessa teoria come se fosse riflessa su una parete di specchi. Le cinque teorie erano perciò cinque modi diversi di guardare la stessa teoria. Alla nuova Teoria Unificata delle Stringhe venne dato il nome di TEORIA M C era però un prezzo da pagare: mentre la Teoria delle Stringhe prevedeva 10 dimensioni, la Teoria M ne prevedeva una in più. 10 dimensioni 11 dimensioni

35 L Undicesima dimensione di Witten consente alla stringa di trasformarsi una sorta di membrana o semplicemente brana Una brana può essere tridimensionale o più e può avere una quantità sufficiente di energia tale da ingrandirsi a dismisura raggiungendo persino le dimensioni dell Universo. Il nostro Universo si troverebbe all interno di una gigantesca membrana multidimensionale e molto più esteso E come se vivessimo all interno di una forma di pane

36 Il nostro Universo, nel quale viviamo, potrebbe essere racchiuso all interno di una singola fetta del pane: La Teoria M ammetterebbe quindi l esistenza di tanti Universi vicini e paralleli per cui il nostro Universo sarebbe uno qualunque. Alcuni di questi Universi paralleli potrebbero essere simili al nostro e avere esseri viventi, altri potrebbero essere molto più starni e bizzarri governati da leggi fisiche completamente diverse. Questi Universi potrebbero esistere nelle dimensioni extra intorno a noi, persino a meno di 1 mm di distanza.

37 Ma se è così, perché non possiamo vedere o toccare questi Universi paralleli? Tutto questo ha a che fare con la forza di gravità. Secondo la Teoria M tutta la materia e le tre forze giacerebbero sulla superficie della membrana multidimensionale mentre invece le onde gravitazionali (sottoforma di stringhe ad anello gravitoni) potrebbero viaggiare verso altre membrane degli Universi vicini, facendo perciò apparire la forza di gravità come più debole delle altre tre forze. Il risultato di ciò è che noi potremo percepire la presenza di un Universo parallelo solo attraverso il propagarsi delle onde gravitazionali.

38 Quando si cerca di descrivere il momento del Big Bang, una entità infinitesima ed estremamente densa, le due teorie ufficiali, la Relatività Generale e la Meccanica Quantistica, cessano di essere valide. I risultati divergono e si hanno valori infiniti sensa alcun senso fisico. Un altro problema è: che cosa è esattamente il Big Bang? La versione ufficiale del Modello del Big Bang non ci dice nulla su cosa c era prima del Big Bang o cosa lo provocò. Alcuni scienziati credono che spazio e tempo siano emersi dal nulla in qualcosa e nessuno sa quando il tutto ha avuto inizio. La domanda è: può la teoria delle stringhe risolvere il quesito?

39 Alcuni teorici delle stringhe hanno avanzato l ipotesi secondo cui il Big Bang non fu affatto l inizio, l Universo poteva esistere da molto tempo. Ma non tutti sono d accordo. Un Universo senza inizio sarebbe poco attraente e senza spiegazione. Ma allora qual è la spiegazione? Secondo la Teoria delle Stringhe, la risposta all enigma del Big Bang sta nel movimento delle gigantesche membrane. Nel loro fluttuare nello spazio multidimensionale esse possono entrare in collisione e dare origine all esplosione di energia che noi chiamiamo appunto Big Bang. collisione BigBang

40 Inoltre il Big Bang potrebbe essere stato non un unico evento: le membrane potrebbero essere entrate in collisione più volte. Universo e la cosa si potrebbe ripetere nel futuro infinite volte. La Teoria delle Stringhe potrebbe comunque risolvere il problema del Big Bang anche se gli scienziati non sanno cosa accade veramente quando due membrane entrano in collisione. Ma si tratta di Scienza o meglio di Fantascienza? Dove sono le prove dell esistenza delle stringhe?

41 Attualmente nei due laboratori del FERMILAB e del CERN, i fisici teorici stanno cercando le prove dell esistenza del gravitone, l unica vera impronta digitale dell esistenza delle stringhe. Ma la priorità per entrambi i laboratori è la ricerca della SUPERSIMMETRIA una ipotesi fondamentale della Teoria delle Stringhe. In breve per ogni particella sub-atomica nota deve esistere una rispettiva particella più pesante detta superparticella, che però nessuno ha mai visto! Poiché la teoria delle stringhe prevede l esistenza delle superparticelle, bisogna trovarle. Tuttavia sono estremamente pesanti che risulta difficile che siano rivelate dagli odierni acceleratori.

42 L esistenza delle superparticelle non proverebbe la Teoria delle Stringhe, ma sarebbe un segnale indiretto che siamo sulla strada giusta. Ma se non troveremo prove dell esistenza delle dimensioni extra, delle s-particelle, la teoria delle stringhe potrebbe rivelarsi falsa? Fose sì! Potremmo scoprire che abbiamo perso 20 anni di studi e di ricerche e che la teoria è completamente sbagliata. Molti ritengono che la teoria sta in piedi e che sia valida, anche perché si basa su una matematica solida ed elegante. Vero o falsa, la teoria delle stringhe si presenta come il prodotto di una elaborazione elegante concepita dalla mente umana così come fu la teoria della relatività di Einstein. Solo con le prove, gli esperimenti, i tentativi dettati dalla nostra curiosità di esplorare il mondo che ci circonda potremo forse avere le risposte sulla vera natura di questo affascinante Universo!

43 La filosofia è scritta in questo grandissimo libro Che contuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l universo) Ma non si può intendere se prima non s impara a intender la lingua E conoscer i caratteri ne quali è scritto Galileo Galilei, Il Saggiatore