0275. Quali sono gli elementi positivi della teoria delle stringhe?

Sento un gran parlare della Teoria delle Stringhe, come Teoria ultima del Tutto che spiega tutti i fenomeni base in Fisica. Ora, il Modello Standard di Unificazione delle particelle ha scoperto e spiegato molti fenomeni fondamentali, quali i Quark, che compongono tutte le particelle dette Barioni e Mesoni, il Colore, che spiega perché ogni Quark si presenta in tre stati,i bosoni vettori W e Z responsabili dell'Interazione Elettrodebole, assieme al Fotone, quest'ultimo sia sotto formadi luce che come altra radiazione. Assieme a tanti altri fenomeni, questi sono stati visti e studiati estensivamente. Dai libri di divulgazione mi pare di capire invece che ancora non esistono scoperte fondamentali dovute alla teoria delle stringhe. Quali sono allora gli elementi positivi di questa teoria, alla luce delle conoscenze attuali, che la rendono così alla moda? (Alessio Vuarnet) (2152)

La Teoria delle stringhe (o corde) [1], è al momento la teoria fisica più promettente che riesca a risolvere uno dei problemi teorici più importanti che affliggono la Fisica Fondamentale: come incorporare la teoria della gravitazione (nota anche come Relatività Generale ) di Albert Einstein del quale ricorre nel 2005 il centenario dell’annus mirabilis nell'ambito della meccanica quantistica . La Relatività Generale, una delle più importanti scoperte del secolo, sostanzialmente asserisce che spazio, tempo e energia (e quindi materia, grazie alla nota formula E = m c² [144] ) sono correlati, cioè che la forma dello spazio-tempo, la sua curvatura, è determinata dall'energia in esso contenuto. La curvatura dello spazio-tempo è quella che noi percepiamo come gravità. La Relatività Generale ha avuto innumerevoli conferme sperimentali ed è, ad oggi, la Teoria Standard della Gravitazione che spiega tutti i fenomeni astrofisici e cosmologici noti.

Appunti originali di Albert Einstein. La sua predizione che anche la luce avrebbe seguito la curvatura dello spazio attorno dovuta alla massa di corpo, doveva essere confermata durante l’eclissi di sole del 1919. American Institute of Physics

D'altro canto, nell'ambito della fisica delle particelle e quindi dell'infinitamente piccolo, il Modello di Unificazione delle particelle è al momento la Teoria Standard delle particelle , che effettivamente spiega ed è in accordo con tutti i fenomeni fisici osservati (all'appello manca solo una particella, la cosiddetta particella di Higgs , ma ci sono buone possibilità che venga presto scoperta ). Tale teoria, come d'altronde ogni altra teoria di particelle, ha fondamento nella meccanica quantistica [52]. Quest'ultima, altra grande scoperta del nostro secolo, asserisce che il comportamento della materia a piccolissime distanze è radicalmente diverso dal comportamento della materia che percepiamo ogni giorno. La meccanica quantistica ha avuto un enorme numero di conferme sperimentali ed è pertanto oramai assodato da tutti gli scienziati, che effettivamente a piccolissime distanze (parliamo di miliardesimi di millimetro o meno) la materia presenta un comportamento diverso da quello usuale. Poiché la gravità e [206] è di gran lunga la forza fondamentalepiù debole che esista, è lecito trascurare totalmente la curvatura dello spazio indotto dalle particelle elementari, quando si studia l'infinitamente piccolo. Analogamente, è più che lecito trascurare completamente lo strano comportamento delle particelle elementari a piccole distanze, quando si vogliano studiare fenomeni macroscopici come l'evoluzione delle galassie, per esempio, e usare invece la Teoria della Relatività Generale di Einstein. Abbiamo quindi due teorie fisiche, una che descrive la gravitazione (Relatività Generale) e l'altra che descrive tutte le altre forze della natura (Modello Standard delle particelle ). Ambedue sono state ampiamente confermate sperimentalmente, ciascuna con un suo regime di validità in cui l'altra non gioca nessun ruolo. Andrebbe tutto bene, se non fosse che esistono necessariamente dei regimidi energia e di distanze in cui non si può descrivere un fenomeno fisico usando solo l'una o l'altra teoria. Tali regimi di fenomeni fisici non sono ancora stati direttamente esplorati; la teoria prediceche necessariamente a distanze un milione di miliardi di voltepiù piccole delle distanze minime che abbiamo esplorato finora (!) è necessario considerare tutte insieme le forze della natura, gravità compresa. Ci sono anche buone ragioni per credere che questi regimi siano stati presenti nei primissimi istanti di vita dell'universo dopo il Big-Bang e che siano importantissimi per capire molte cose dell'Universo che vediamo oggi. Ancora non sappiamo di preciso a che distanze infinitesime troveremo fenomeni fisici la cui spiegazione necessiterà di comprendere tutte insieme le forze della natura, ma è certo che anche se ancora non abbiamo "sotto mano" un processo fisico che richieda concretamente l'uso combinato della Relatività Generale e del Modello Standard delle particelle, da un punto di vista teorico è assolutamente necessario capire come combinare insieme tali due teorie. Qui arrivano i problemi, perché l'unificare in un'unica teoria la gravità quantistica con le altre forze sembra essere tremendamente complicato. Sostanzialmente sembra che la gravità si rifiuti di comportarsi a piccolissime distanze come richiesto dalla Meccanica Quantistica e questo problema, ancora irrisolto, mette in forte imbarazzo la comunità dei fisici teorici di tutto il mondo. In questo contesto (finalmente ci siamo tornati...) appare la Teoria delle Stringhe (anche detta Teoria delle Corde) [1].

La sua popolarità è soprattutto legata all'essere una delle poche teorie (se non forse l'unica) che permette finalmente di inglobare in una visione unificata e consistente tutte le forze della natura. Inoltre, questa teoria, la cui struttura è alquanto complessa, sembra incorporare automaticamente tutta una serie di idee che sono circolate, e continuano a circolare, nella fisica fondamentale per spiegare altri più o meno seri problemi, soprattutto di natura teorica, che i fisici si trovano ad affrontare nell'ambito della Relatività Generale e nel Modello Standard delle particelle. È però vero che, al momento attuale, la Teoria delle Corde non è ancora riuscita ad uscire dal suo guscio puramente teorico-matematico per poter concretamente porsi come una teoria scientifica testabile con esperimenti, come si addice ad ogni teoria scientifica che si rispetti. L'ignoranza che ancora abbiamo su vari aspetti della teoria ancora in fase di elaborazione, giustificano, almeno parzialmente, questo problema, che però ugualmente rappresenta un imbarazzo per gli studiosi del campo. È presto per poter asserire se la Teoria delle Stringhe è solo un complicatissimo "gioco" matematico, invenzione di ottimi fisici teorici, o se effettivamente è la "Teoria del Tutto”, che unifica in un solo contesto tutta la Fisica Fondamentale esistente. Certamente la sua ambizione è altissima e, in mancanza di teorie alternative altrettanto valide, è del tutto comprensibile il fascino che ha suscitato, e continua a suscitare, tra i fisici teorici. Speriamo solo di non dover attendere troppo tempo per avere una risposta chiara in proposito...

Marco Serone – Fisico

Nota redazionale SxT

 La Teoria delle Stringhe (Corde), se troverà conferma nei dati sperimentali, costituirà uno di quei casi in cui la teoria matematica ha descritto un fatto prima della sua scoperta . Non sarebbe l’unico nella storia della fisica moderna. Tutto ciò è gia avvenuto, ad esempio, con il positrone, l’antiparticella dell’elettrone prevista da Dirac, sulla base di principi di simmetria prima che venisse scoperta da Anderson nei prodotti delle interazioni dei raggi cosmici. I nostri web-nauti possono rivisitare questo evento in un’altra delle risposte di questo mese .