Oggi, il quadro scientifico del mondo è formato in modo tale che il nostro universo è governato da due serie di leggi: la relatività generale, che spiega il meraviglioso lavoro della gravità, e la meccanica quantistica, che descrive le altre tre interazioni dell'universo (nucleare forte, nucleare debole ed elettromagnetismo). Puoi prendere queste leggi e applicarle a cose su larga scala - pianeti, galassie e poi alle scale più piccole - protoni e neutroni. Ma perché la natura ha stabilito due serie separate di leggi per l'universo?
La teoria delle superstringhe è un tentativo di rispondere a due domande: esiste un modo per combinare la relatività generale e la meccanica quantistica per creare una "teoria del tutto"? In cosa consiste tutto?
Teoria delle superstringhe
Pensavamo che i mattoni della vita fossero gli atomi, i componenti più piccoli della materia. Ma poi abbiamo colpito gli atomi e abbiamo trovato particelle elementari, così piccole che non possiamo nemmeno vederle senza cambiare in un certo modo. Per vedere qualcosa, dobbiamo prima che la luce rimbalzi sull'oggetto e colpisca i nostri occhi, creando l'immagine. La luce è costituita da onde elettromagnetiche che passano liberamente attraverso le particelle elementari. Possiamo rendere queste onde più dense, aggiungere energia in modo che colpiscano le particelle e possiamo vederle, ma non appena qualcosa colpisce la particella, cambia, quindi non possiamo vederla nel suo stato originale. Non abbiamo idea di come siano le particelle elementari. Come l'energia oscura, la materia oscura, non possiamo osservare questi fenomeni direttamente, ma abbiamo motivo di credereche esistono.
Consideriamo queste particelle come punti nello spazio, sebbene in realtà non lo siano. Nonostante tutti i suoi difetti, questo metodo - l'idea della meccanica quantistica secondo cui le forze sono trasportate dalle particelle - ci dà un'idea abbastanza buona dell'universo e porta a scoperte come solventi quantistici e treni di levitazione magnetica. Anche la stessa relatività generale ha superato una buona prova del tempo, spiegando le stelle di neutroni e le anomalie orbitali di Mercurio, prevedendo i buchi neri e curvando la luce. Ma le equazioni della relatività generale, purtroppo, smettono di funzionare al centro del buco nero e alla vigilia del Big Bang. Il problema è che è impossibile metterli insieme, perché la gravità è associata alla geometria dello spazio e del tempo, quando le distanze vengono misurate accuratamente, ma nel mondo quantistico non c'è modo di misurare nulla.
Quando gli scienziati hanno cercato di inventare una nuova particella che sposasse la gravità con la meccanica quantistica, la loro matematica ha semplicemente fallito.
In un certo senso, dovevo tornare alla lavagna. Pertanto, gli scienziati hanno suggerito che i componenti più piccoli dell'universo non sono punti, ma stringhe. Diverse vibrazioni delle corde creano diverse particelle elementari come i quark. Le corde vibranti potrebbero costituire tutta la materia e tutte e quattro le forze nell'universo, inclusa la gravità.
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Dimensioni superiori
La teoria delle superstringhe ha un problema. Non funzionerà se assumiamo che ci siano solo tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale in cui viviamo. La teoria delle stringhe richiede che tu giochi almeno dieci dimensioni.
Quando la GR è stata concepita per la prima volta, la gravità ha distorto lo spazio e il tempo per descrivere questa forza. Pertanto, se qualcuno volesse descrivere un'altra forza, come l'elettromagnetismo, avrebbe bisogno di aggiungere una nuova dimensione. Gli scienziati hanno scritto equazioni che descrivono le curve ei difetti dell'universo con una dimensione extra e hanno ottenuto l'equazione originale dell'elettromagnetismo. Una scoperta sorprendente.
Le dimensioni extra della teoria delle stringhe possono aiutarci a spiegare perché i numeri nel nostro universo sono così calibrati da consentire a tutto di esistere. Ad esempio, perché la velocità della luce è di 299.792.458 metri al secondo? Cercano anche di rispondere alla domanda sulla gravità: perché questa forza è così debole? È la più debole delle quattro interazioni fondamentali: 1040 volte più debole della forza elettromagnetica. Basterà semplicemente chinarsi e sollevare il libro dal pavimento per resistere. In teoria, questo è dovuto al fatto che la gravità penetra nelle dimensioni superiori. La gravità è costituita da trefoli a circuito chiuso che gli consentono di lasciare la nostra dimensione, al contrario di trefoli aperti, che sono meglio radicati.
Perché non possiamo vedere tutte queste dimensioni?
Perché esistono a un livello così piccolo che sono invisibili per noi e sfidano il rilevamento. Sono compatti, equipaggiati in modo tale da riprodurre la fisica del nostro mondo, piegandosi in interessanti forme Calabi-Yau. Diverse forme di Calabi Yau consentono diverse vibrazioni delle corde e universi molto diversi.
Possiamo persino testare presunti universi multipli. Dal momento che presumiamo che la gravità penetri in dimensioni superiori, ci dovrebbe essere meno tempo dopo la collisione di due particelle rispetto a prima della collisione. Ma anche nelle condizioni più favorevoli, testare qualcosa del genere sarebbe incredibilmente difficile, sfuggente.
I calcoli della teoria delle stringhe vengono eseguiti in universi simulati con 10 o 11 dimensioni in cui funziona la matematica. Gli scienziati quindi cercano di cancellare le dimensioni extra, ma finora nessuno è riuscito a descrivere il nostro universo o a escogitare un esperimento per dimostrare una teoria. Tuttavia, questo non significa che non abbiamo applicazioni per la teoria delle stringhe.
Uno strumento matematico sviluppato come parte della ricerca sulla teoria delle stringhe ci aiuta a comprendere parti del nostro universo. Possiamo usarlo per spiegare meglio il paradosso dell'informazione, la gravità quantistica e alcuni problemi della matematica pura. Alcuni scienziati usano la teoria per i loro calcoli nella fisica delle particelle o quando osservano stati esotici della materia.
La teoria delle stringhe potrebbe non essere una teoria del tutto, ma almeno è una teoria di qualcosa.
Ilya Khel
