Molto tempo fa, il grande Galileo Galilei italiano ha dimostrato che con l'aiuto di formule matematiche è possibile descrivere in modo affidabile anche quei processi che sono oltre la nostra percezione. Da allora, gli scienziati hanno cercato di creare una sorta di "teoria del tutto" fisica e matematica che descrivesse elegantemente l'Universo, tenendo conto delle interazioni note.
QUINTA DIMENSIONE
Isaac Newton ha aperto una nuova era nella storia della scienza, formulando le sue tre famose leggi della meccanica nel 1684. Ma allo stesso tempo non pensava affatto a come agiscono le forze da lui descritte e quale fosse la loro natura.
Le leggi di Newton erano di utilità limitata. Non possono essere utilizzati in alcun modo per descrivere fenomeni come l'elettricità, il magnetismo e gli effetti ottici. Alla fine del XIX secolo, tutti questi tre fenomeni furono combinati con successo con l'aiuto delle equazioni di James Maxwell in una scienza coerente dell'elettrodinamica, e gli scienziati speravano seriamente che fossero vicini alla creazione di una "teoria del tutto". Ben presto, questo problema fu affrontato da Albert Einstein, che formulò le teorie della relatività speciale (1905) e generale (1916), che richiedevano una revisione della fisica newtoniana. Poiché la scoperta di Einstein è stata confermata da semplici osservazioni visive, la comunità scientifica l'ha accettata senza alcuna obiezione. Einstein credeva che per formulare una "teoria del tutto" sarebbe bastato stabilire una connessione tra elettromagnetismo e gravità. Ma è stato veloce a trarre conclusioni.
Nel 1921, il fisico tedesco Theodor Kaluzei riuscì a combinare formalmente le equazioni della relatività generale con le classiche equazioni di Maxwell, ma per questo dovette introdurre un'ulteriore quinta dimensione oltre alle quattro conosciute (tre dimensioni dello spazio e un tempo). All'inizio questa idea sembrava folle, ma cinque anni dopo, la logica della "inosservabilità" della quinta dimensione fu proposta dallo svedese Oskar Klein.
Sembrava che tutto stesse iniziando a convergere, e qui le nuove scoperte nel campo della fisica delle particelle elementari e l'emergere della meccanica quantistica hanno messo in discussione un approccio così diretto.
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MONDO MULTIDIMENSIONALE
La fisica moderna richiede un'ipotetica "teoria del tutto" per combinare le quattro interazioni fondamentali attualmente note: interazione gravitazionale, interazione elettromagnetica, interazione nucleare forte, interazione nucleare debole. Inoltre, deve spiegare l'esistenza di tutte le particelle elementari e le loro differenze l'una dall'altra.
I tentativi di combinare molteplici interpretazioni delle interazioni osservate sono continuati per tutto il XX secolo. A metà degli anni '70, si scoprì persino di combinare tre interazioni, oltre alla più importante e data nelle sensazioni: la gravità. Ma anche questa teoria "troncata" non ha ricevuto conferme sperimentali.
I successivi tentativi di capire come è organizzato l'Universo a livello di base portarono al fatto che i fisici dovevano richiamare la teoria dimenticata di Kaluzei-Klein e introdurre dimensioni aggiuntive nelle loro formule. Si è scoperto che tutto converge se si accetta l'ipotesi che l'Universo non abbia quattro o non cinque, ma dieci dimensioni. Successivamente, è nata la teoria M, operante in undici dimensioni, seguita dalla teoria F, in cui compaiono dodici dimensioni. Si potrebbe pensare che l'introduzione di dimensioni aggiuntive, che non possiamo nemmeno immaginare, complica la questione, ma a livello di matematica pura si scopre che, al contrario, semplifica. E il problema della percezione è connesso solo con l'abitudine: c'erano volte in cui le persone non sapevano nulla di vuoto e assenza di gravità, e ora qualsiasi scolaretto che sogna di diventare un astronauta ha un'idea di questo.
È possibile in qualche modo rivelare la relazione fondamentale in uno spazio multidimensionale nella pratica? Si scopre che puoi. Questo è esattamente ciò che stanno facendo i fautori della cosiddetta teoria delle stringhe.
FILETTI QUANTISTICI
Le "stringhe" come formazioni fondamentali sono state introdotte nella fisica delle particelle elementari per spiegare la struttura dei mesoni pi - particelle, la cui forte interazione rende i nuclei atomici un insieme unico. L'esistenza di tali particelle era prevista e esse stesse furono scoperte nel 1947 nello studio dei raggi cosmici. Gli effetti osservati nelle collisioni di mesoni pi hanno permesso di avanzare l'idea che siano collegati da un "filo vibrante infinitamente sottile". Mi piaceva l'idea, e subito c'erano modelli matematici in cui tutte le particelle elementari sono descritte come stringhe unidimensionali che vibrano a determinate frequenze.
La teoria delle stringhe iniziò a svilupparsi e divenne subito chiaro che la "stringness" si realizza solo in spazi in cui il numero di dimensioni a priori è maggiore di quattro. Hanno cercato di applicare la teoria a varie costruzioni ipotetiche come il tachione (una particella la cui velocità supera la velocità della luce), il gravitone (quanto del campo gravitazionale) e il bosone (particella di massa), ma senza molto successo.
Eppure negli anni '80, dopo molti dibattiti, i fisici sono giunti alla conclusione che la teoria delle stringhe può descrivere tutte le particelle elementari e le interazioni tra di esse. Centinaia di scienziati hanno iniziato a lavorarci. È stato presto dimostrato che varie versioni della teoria delle stringhe sono utilizzabili se rappresentano i casi limite della teoria M, operanti in undici dimensioni. E sebbene il lavoro sia ancora lontano dal completamento, i fisici sono inclini a credere di essere sulla strada giusta.
Qui è necessario spiegare come appare la multidimensionalità dell'universo nella teoria delle stringhe.
La prima opzione è la "compattazione" di dimensioni extra, il che implica che sono chiuse su se stesse a distanze così ridotte da non essere rilevabili sperimentalmente. I fisici ne parlano in questo modo. Se osservi un tubo da giardino sull'erba da abbastanza lontano, sembrerà avere solo una dimensione: la lunghezza. Ma se vai da lui, ne troverai altri due. Allo stesso modo, ulteriori dimensioni dello spazio possono essere rilevate solo da una distanza estremamente ravvicinata ed è al di là delle capacità degli strumenti.
La seconda opzione è "localizzare" le misurazioni. Non sono così piccole come nel primo caso, tuttavia, per qualche ragione, tutte le particelle del nostro mondo sono localizzate su un foglio quadridimensionale (brana) nell'Universo multidimensionale e non possono lasciarlo. Poiché noi e tutti i nostri dispositivi siamo costituiti da particelle ordinarie, fondamentalmente non abbiamo modo di vedere cosa c'è fuori. L'unico modo per rilevare la presenza di dimensioni extra è la gravità, che non è localizzata sulla brana, quindi gravitoni e buchi neri microscopici possono uscire all'esterno. Nel mondo a noi noto, un tale processo sembrerà un'improvvisa scomparsa dell'energia portata via da questi oggetti.
Sebbene si creda che la teoria delle stringhe non sarà mai confermata sperimentalmente, i fisici hanno sviluppato diversi esperimenti che possono indirettamente indicare che è corretta. Tra questi c'è la determinazione delle deviazioni nella legge di gravitazione universale a distanze dell'ordine dei centesimi di millimetro. Un altro modo è riparare gravitoni e buchi neri microscopici nel Large Hadron Collider. Il terzo è l'osservazione di "stringhe cosmiche" tese a dimensioni intergalattiche e che possiedono il campo gravitazionale più forte. Forse uno di questi esperimenti produrrà risultati positivi nel prossimo futuro.
IL CENTRO DELL'UNIVERSO
Nel 2003, i fisici hanno scoperto che ci sono molti modi per ridurre le teorie delle stringhe a dieci dimensioni a quattro dimensioni. Inoltre, la teoria stessa non contiene un criterio per la preferenza di un possibile percorso. Ciascuna delle opzioni genera il proprio mondo quadridimensionale, che può assomigliare o differire in modo significativo dall'Universo osservato. Si scopre che il numero di tali opzioni è quasi infinito: circa 10.500 (dieci alla cinquecentesima potenza). Cosa rende il nostro mondo così com'è?
Presto è stato suggerito che la risposta può essere ottenuta solo includendo una persona in questa immagine: esistiamo precisamente nell'Universo in cui la nostra esistenza è possibile. In ogni altro caso, semplicemente non leggereste queste righe.
Anton Pervushin
