La leggenda narra che Albert Einstein trascorse le sue ultime ore sulla Terra tracciando qualcosa su un pezzo di carta nel tentativo finale di formulare una teoria del tutto. Sessant'anni dopo, un altro leggendario scienziato nel campo della fisica teorica, Stephen Hawking, lascerà questo mondo con pensieri simili. Sappiamo che Hawking credeva che la cosiddetta teoria M fosse la nostra migliore possibilità per creare una teoria completa dell'universo. Ma cos'è?
Da quando la teoria della relatività generale di Einstein è stata formulata nel 1915, ogni fisico teorico ha sognato di riconciliare la nostra comprensione del mondo infinitamente piccolo di atomi e particelle con la scala infinitamente grande del cosmo. Mentre il secondo è perfettamente descritto dalle equazioni di Einstein, il primo è previsto con straordinaria accuratezza dal cosiddetto Modello Standard delle Interazioni Fondamentali.
La nostra comprensione attuale è che l'interazione tra oggetti fisici è descritta da quattro forze fondamentali. Due di loro - gravità ed elettromagnetismo - ci appaiono a livello macroscopico, li affrontiamo ogni giorno. Le altre due - interazioni deboli e forti - appaiono su scala molto piccola e solo quando abbiamo a che fare con processi subatomici.
Il modello standard delle interazioni fondamentali fornisce un'unica struttura per tre di queste forze, ma la gravità non vuole rientrare in alcun modo in questo quadro. Nonostante l'accurata descrizione di fenomeni su larga scala come il comportamento di un pianeta in orbita o la dinamica delle galassie, la relatività generale fallisce a distanze molto brevi. Secondo il modello standard, tutte le forze sono mediate da determinate particelle. Nel caso della gravità, il lavoro è svolto dal gravitone. Ma quando proviamo a calcolare le interazioni di questi gravitoni, nelle equazioni compaiono infiniti privi di significato.
Una teoria completa della gravità deve funzionare a qualsiasi scala e tenere conto della natura quantistica delle particelle fondamentali. Ciò consentirebbe alla gravità di inserirsi in una struttura combinata con altre tre interazioni fondamentali, creando così la famigerata teoria del tutto. Naturalmente, dalla morte di Albert Einstein nel 1955, sono stati compiuti progressi significativi in questo settore. Il nostro miglior candidato oggi si chiama M-teoria.
La rivoluzione delle corde
Per comprendere l'idea di base della teoria M, è necessario tornare agli anni '70, quando gli scienziati si resero conto che invece di descrivere l'universo sulla base di particelle puntiformi, sarebbero stati meglio descritti come stringhe oscillanti (tubi di energia). Un nuovo modo di intendere i costituenti fondamentali della natura ha portato alla soluzione di molti problemi teorici. Prima di tutto, una singola vibrazione di una corda può essere interpretata come un gravitone. E a differenza della gravità standard, la teoria delle stringhe può descrivere le sue interazioni matematicamente e non ottenere strani infiniti. Ciò significa che la gravità può essere inclusa nella struttura combinata.
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Dopo questa entusiasmante scoperta, i fisici teorici hanno lavorato duramente per comprenderne le conseguenze. Ma, come spesso accade con la ricerca scientifica, la storia della teoria delle stringhe è piena di alti e bassi. All'inizio, le persone erano perplesse sul fatto che avesse predetto l'esistenza di una particella che si muove più velocemente della luce, il cosiddetto "tachione". Questa previsione contraddiceva tutte le osservazioni sperimentali e gettava una seria ombra sulla teoria delle stringhe.
Tuttavia, questo problema è stato risolto nei primi anni '80 con l'introduzione della cosiddetta "supersimmetria" nella teoria delle stringhe. Predice che ogni particella ha il proprio superpartner e, per un'insolita coincidenza, la stessa condizione elimina effettivamente il tachione. Questo primo successo è ampiamente conosciuto come la "prima rivoluzione delle corde".
Un'altra caratteristica insolita è che la teoria delle stringhe richiede dieci dimensioni spazio-temporali. Attualmente ne conosciamo solo quattro: profondità, altezza, larghezza e tempo. Sebbene questo sembri essere un grosso ostacolo, finora sono state proposte diverse soluzioni e attualmente sembra essere più una caratteristica insolita che un problema.
Ad esempio, potremmo esistere in un mondo quadridimensionale senza alcun accesso a dimensioni aggiuntive. Oppure le dimensioni extra potrebbero essere "compatte" e adattarsi a scale così piccole che non le noteremmo. Tuttavia, differenti compattificazioni porterebbero a differenti valori di costanti fisiche e differenti leggi della fisica. Una possibile soluzione è che il nostro Universo sia solo uno dei tanti in un infinito “universo multiplo” governato da diverse leggi fisiche.
M-teoria
C'era un altro problema che perseguitava i teorici delle stringhe dell'epoca. Un'attenta classificazione ha rivelato l'esistenza di cinque distinte teorie sequenziali sulle stringhe, e non era chiaro il motivo per cui la natura dovesse scegliere una delle cinque.
È qui che entra in gioco la teoria M. Durante la seconda rivoluzione delle stringhe nel 1995, i fisici hanno suggerito che le cinque successive teorie sulle stringhe sono in realtà facce diverse di una teoria unica che esiste in undici dimensioni dello spaziotempo chiamata M-teoria. Incorpora ogni teoria delle stringhe in una varietà di contesti fisici pur rimanendo praticabile per tutti. Questo quadro incredibilmente affascinante ha portato la maggior parte dei fisici teorici all'idea che la teoria M diventerà una teoria di tutto - ed è anche matematicamente più coerente di qualsiasi altra teoria proposta.
Comunque sia, finora la teoria M non è stata in grado di produrre previsioni verificabili sperimentalmente. La supersimmetria è attualmente in fase di test sul Large Hadron Collider. Se gli scienziati potessero trovare segni dell'esistenza di super partner, questo rafforzerebbe finalmente la posizione della teoria M. Ma la fisica teorica moderna non è ancora in grado di fornire previsioni verificabili e la fisica sperimentale non può presentare esperimenti per questa verifica.
La maggior parte dei grandi fisici e cosmologi sono ossessionati dalla ricerca di questa bella e semplice descrizione del mondo che potrebbe spiegare tutto. E anche se siamo ancora lontani da questo, senza persone brillanti e creative come Hawking, questo sarebbe completamente impossibile.
Ilya Khel
