Uno dei principali candidati per una teoria del tutto è la teoria delle stringhe o la sua versione più generalizzata, la teoria M. Ma fa una previsione che difficilmente saremo in grado di verificare: dimensioni nascoste e compatte.
La teoria delle stringhe cerca non solo di combinare la meccanica quantistica con la relatività generale, ma anche di spiegare lo spettro di particelle e forze osservate in natura. Nella formulazione più recente della teoria - teoria delle matrici - ci sono 11 dimensioni. I suoi fautori si trovano ad affrontare uno dei maggiori problemi delle teorie delle stringhe: spiegare come le dimensioni extra sono "compattate", il che le rende impossibili da osservare nel nostro mondo quadridimensionale. La compattificazione chiarisce anche le proprietà più interessanti della teoria.
La teoria delle stringhe afferma che il mondo è costituito da corde vibranti incredibilmente piccole nello spazio-tempo a dieci dimensioni. Nel 1995, durante la seconda rivoluzione delle superstringhe, Edward Witten propose la teoria M che combinava tutti e cinque i diversi tipi di teoria delle stringhe. Questa è una teoria a 11 dimensioni che include la supergravità. Non esiste una risposta unica tra gli scienziati su cosa significhi la "M" nel nome, ma molti teorici concordano sul fatto che questa lettera significhi "membrane", poiché la teoria contiene superfici vibranti di diverse dimensioni. La teoria M manca di equazioni esatte del moto, ma nel 1996 Tom Banks della Rutgers University e colleghi ne hanno proposto una descrizione come una "teoria delle matrici" le cui principali variabili sono le matrici.
Compattare questa teoria a 11 dimensioni in quattro cambiamenti non è stato affatto facile. Compattare letteralmente significa "arrotolare" le dimensioni extra di una teoria a dimensioni molto piccole. Ad esempio, per piegare due dimensioni, prendi una ciambella - o un toro (è una superficie bidimensionale) - e strizzalo in un cerchio o un cappio con una piccola sezione trasversale, quindi stringi quel cappio in un punto. Senza una sonda sufficientemente sensibile che possa registrare misurazioni "strette", questo anello sembra unidimensionale, mentre il punto è a dimensione zero. Nella teoria M, si presume che stiamo parlando di dimensioni dell'ordine di 10-33 centimetri, che, a loro volta, non possono in alcun modo essere registrate con apparecchiature moderne. Si scopre che dopo la compattificazione di sette dimensioni, il mondo che ci circonda sembra quadridimensionale.
Edward Witten / Quanta Magazine / Jean Sweep.
Ma cos'è una dimensione in sé? Intuitivamente, può sembrare che ogni dimensione sia una direzione indipendente in cui noi (o qualsiasi oggetto) possiamo muoverci. Quindi risulta che viviamo in tre dimensioni spaziali - "avanti-indietro", "sinistra-destra" e "su-giù" - e una volta - "passato-futuro". In generale, queste sono quattro dimensioni. Ma la nostra percezione delle dimensioni è strettamente legata alle scale.
Immagina di guardare una nave che naviga da lontano verso il porto. All'inizio sembra un punto zero all'orizzonte. Dopo un po 'ti accorgi che ha un albero che punta verso il cielo: ora sembra una linea unidimensionale. Quindi noti le sue vele e l'oggetto sembra già bidimensionale. Quando la nave si avvicina al molo, finalmente noti che ha un lungo ponte, la terza dimensione.
Non c'è niente di strano in questo, così come nel fatto che una ciambella, ridotta a dimensioni incredibili, sembra essere un punto a dimensione zero. Il punto è che non siamo in grado di determinare misurazioni da lunghe distanze. Questo porta logicamente a quanto descritto sopra: possono esserci altre dimensioni, ma sono così piccole che non le percepiamo.
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Torniamo alla compattificazione delle misurazioni. Immagina di essere uno scoiattolo che vive su un tronco d'albero infinitamente lungo. In un modo o nell'altro, un tronco d'albero è un cilindro. Puoi muoverti in due direzioni indipendenti: "lungo" e "intorno". Una volta che ti annoi, ti sposti su un albero con un tronco più sottile, la cui circonferenza è molto più piccola. Ora la tua dimensione "intorno" è molto più piccola di prima. Hai solo bisogno di due passaggi per bypassare completamente la canna. Salti su un albero ancora più sottile. Ora, in un solo passaggio, avvolgi la canna cento volte! La dimensione "intorno" è diventata troppo piccola per essere notata. Più sottili diventano i tronchi degli alberi, più le dimensioni del tuo mondo si riducono a una.
Più piccolo è l'albero su cui salta uno scoiattolo, più piccola è la dimensione "intorno" in cui può muoversi e che può percepire / WhyStringTheory.com
Questo è esattamente ciò che accade nella teoria delle stringhe con sei (sette per la teoria M) dimensioni extra. Ogni volta che muovi la mano nello spazio, giri intorno alle dimensioni nascoste un numero incredibile di volte.
Come accennato in precedenza, le dimensioni delle misure compattate sono dell'ordine di 10-33 centimetri, che è paragonabile alla lunghezza di Planck (1,6x10-33 centimetri). Va notato che è improbabile che nel prossimo futuro avremo l'opportunità di registrarli direttamente sperimentalmente. Tuttavia, gli scienziati sperano in alcuni test, i cui risultati, tuttavia, dipendono in gran parte da una combinazione riuscita di circostanze.
La forma e la dimensione delle corde è estremamente importante per simulare le loro vibrazioni e interazioni. Devi capire come ruotano attorno alle sei dimensioni raggomitolate. La precisa struttura della superficie formata dalla compattazione cambia la fisica guidata dalle corde.
Ci sono diversi modi in cui le dimensioni extra possono piegarsi in uno spazio così piccolo. Tuttavia, non è ancora noto quale di questi metodi alla fine porti alla fisica tradizionale.
In passato sono stati fatti molti tentativi per compattare la teoria delle matrici usando un toroide a sei dimensioni, ma non ne è venuto fuori nulla. Nessuno pensava che il problema di compattificazione apparentemente più difficile con le varietà di Calabi-Yau avrebbe fornito soluzioni praticabili per una teoria funzionante. La compattazione delle dimensioni con le varietà di Calabi-Yau evita alcune delle complicazioni della teoria delle matrici.
La ricerca attuale nella teoria delle stringhe riguarda più le varietà Calabi-Yau. Si tratta certamente di un promettente gruppo di compattificazioni, ma non c'è ancora una risposta chiara, e il numero di collettori scoperti è già aumentato a 10 (fino a una potenza di 500), come ha recentemente sottolineato uno dei teorici delle stringhe Brian Green in un podcast di Sean Carroll.
Varietà di Calabi a sei dimensioni - Yau / Vimeo / Grafene.
I teorici delle stringhe sono ancora lontani da una comprensione chiara e inequivocabile del fatto che la teoria M descriva effettivamente il mondo su scale più piccole. Tuttavia, come notò Edward Witten: "È incredibile come si possa costruire una teoria che includa la gravità, ma che originariamente era basata solo sulla teoria di gauge".
La teoria delle stringhe è un apparato matematico complesso. Come hanno sottolineato Clifford Johnson e Brian Greene nelle nostre interviste alla rivista, è difficile dire che questa teoria descriva effettivamente la realtà. Ma anche se si scopre che non ha nulla a che fare con la realtà, allora sarà sicuramente un passo importante verso qualcosa di più grande - verso una teoria che descrive l'universo in modo più accurato ed elegante di qualsiasi cosa sapessimo prima.
Vladimir Guillen
