Teoria delle stringhe in sintesi

Tratto da http://www.psicologiaquantistica.it/quantistica/quantistica.asp?id=175

La teoria delle stringhe è una teoria della fisica che ipotizza che la materia, l'energia e in alcuni casi lo spazio e il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche sottostanti, chiamate appunto stringhe (o brane).

La teoria non ha finora prodotto alcuna predizione che possa essere sottoposta a verifica sperimentale, non esistono quindi conferme sperimentali evidenti della teoria. È però un campo molto attivo della ricerca ed è in veloce sviluppo.Interazioni nel modo subatomico: linee d'universo di particelle puntiformi nel Modello Standard (a sinistra) e un foglio d'universo composto da stringhe chiuse nella teoria delle stringhe (a destra)

La teoria delle stringhe è un modello fisico i cui costituenti fondamentali sono oggetti ad una dimensione (le stringhe) invece che di dimensione nulla (i punti) caratteristici della fisica anteriore alla teoria delle stringhe. Per questa ragione le teorie di stringa sono capaci di evitare i problemi di una teoria fisica connessi alla presenza di particelle puntiformi.
 

Uno studio più approfondito della teoria delle stringhe ha rivelato che gli oggetti descritti dalla teoria possono essere di varie dimensioni e quindi essere punti (0 dimensioni), stringhe (1 dimensione), membrane (2 dimensioni) e oggetti di dimensioni superiori.
 

Il termine teoria delle stringhe si riferisce propriamente sia alla teoria bosonica a 26 dimensioni che alla teoria supersimmetrica a 10 dimensioni. Tuttavia nell'uso comune, teoria delle stringhe si riferisce alla variante supersimmetrica mentre la teoria anteriore va sotto il nome di teoria bosonica delle stringhe.
L'interesse della teoria risiede nel fatto che si spera che possa essere una teoria del tutto, ossia una teoria che inglobi tutte le forze fondamentali. È una soluzione percorribile per la gravità quantistica e in più può descrivere in modo naturale le interazioni elettromagnetiche e le altre interazioni fondamentali. La teoria supersimmetrica include anche i fermioni, i blocchi costituenti la materia.

Non si conosce ancora se la teoria delle stringhe sia capace di descrivere un universo con le stesse caratteristiche di forze e materia di quello osservato finora.
 

Ad un livello più concreto la teoria delle stringhe ha originato progressi nella matematica dei nodi, negli spazi di Calabi-Yau e in molti altri campi. Gli sviluppi di maggior impatto della matematica degli ultimi anni sono nati dallo studio della teoria delle stringhe. La teoria delle stringhe ha anche gettato maggior luce sulle teorie di gauge supersimmetrico, un argomento che include possibili estensioni del modello standard.

La storia
 

La teoria delle stringhe fu originariamente enunciata per spiegare le peculiarità del comportamento degli adroni. Durante gli esperimenti condotti negli acceleratori di particelle, i fisici avevano osservato che lo spin di un adrone non è mai maggiore di un certo multiplo della radice della sua energia. Nessun semplice modello adronico, come quello di renderli composti da un serie di particelle più piccole legate insieme da un qualche tipo di forza, era in grado di spiegare tali relazioni. Nel 1968, il fisico teorico Gabriele Veneziano stava cercando di capire la forza nucleare forte, quando fece una sensazionale scoperta. Veneziano trovò che una formula ormai vecchia di duecento anni creata dal matematico svizzero Eulero, la funzione beta di Eulero, si adattava perfettamente ai dati sull'interazione forte.

Nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen, e Leonard Susskind presentarono una spiegazione fisica per la straordinaria precisione teorica della formula di Eulero. Rappresentando la forza nucleare attraverso vibranti stringhe ad una sola dimensione, questi fisici mostrarono come la funzione di Eulero descrivesse accuratamente queste forze. Ma anche dopo che i fisici ebbero capito la spiegazione fisica per l'intuizione di Veneziano, la descrizione che le stringhe davano della forza forte faceva predizioni che contraddicevano direttamente le esperienze. La comunità scientifica perse presto interesse nella teoria delle stringhe, e il modello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase a farla da padrone.

Poi, nel 1974, John Schwarz e Joel Scherk, e indipendentemente Tamiaki Yoneya, studiarono i modelli con caratteristiche da messaggero della vibrazione di stringa e trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con le particelle mediatrici della forza gravitazionale — i gravitoni. Schwarz e Scherk argomentarono che la teoria delle stringhe non aveva avuto successo perché i fisici ne avevano frainteso gli scopi.

Questo condusse allo sviluppo della teoria di stringa bosonica, che è ancora la versione insegnata a molti studenti. Il bisogno originario di un'indipendente teoria degli adroni è stata accantonata con la nascita della cromodinamica quantistica, la teoria dei quark e delle loro interazioni. Ora si spera che o la teoria delle stringhe o qualcuna derivata da essa comporterà una comprensione fondamentale degli stessi quark.

La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di azione di Polyakov, una quantità matematica che può essere usata per prevedere come le stringhe si muovono nello spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica all'azione di Polyakov — procedura nota come quantizzazione — si può dedurre che ogni stringa può vibrare in molti modi diversi, e che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo diverso di particella. La massa di cui è dotata la particella e i vari modi in cui può interagire, sono determinati dai modi in cui la stringa vibra — essenzialmente, dalla nota che la stringa vibrando produce. La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una particella, è denominata "spettro energetico" della teoria.

Questi primi modelli includevano sia stringhe aperte, che hanno due punti terminali definiti, che stringhe chiuse, dove gli estremi sono congiunti a formare una anello, un loop. I due tipi di stringa si comportano in maniera leggermente diversa, producendo due spettri. Non tutte le moderne teorie delle stringhe usano entrambi i tipi; alcune comprendono solo le tipologie chiuse.

Comunque, la teoria bosonica comporta dei problemi. Fondamentalmente, la teoria ha una peculiare instabilità, portando al decadimento dello stesso spazio-tempo. In più, come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene solo bosoni, particelle come il fotone che obbedisce a particolari regole di comportamento. Sebbene i bosoni siano un ingrediente indispensabile nell'universo, non sono i suoi unici costituenti. Investigando su come una teoria delle stringhe debba includere i fermioni nel suo spettro conduce alla supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono stati descritti parecchi tipi diversi.

Tra il 1984 e il 1986, i fisici compresero che la teoria delle stringhe avrebbe potuto descrivere tutte le particelle elementari e le interazioni tra loro, e centinaia di loro iniziarono a lavorare sulla teoria delle stringhe come l'idea più promettente per unificare la fisica. Questa prima rivoluzione delle superstringhe era iniziata dalla scoperta di un anomalo annullamento nella teoria delle stringhe di tipo I da parte di Michael Green e John Schwarz nel 1984. L'anomalia venne eliminata grazie al meccanismo di Green-Schwarz. Altre inaspettate e rivoluzionarie scoperte, come la stringa eterotica, vennero fatte nel 1985.

Negli anni novanta, Edward Witten e altri trovarono forti prove a dimostrazione che le differenti teorie delle superstringhe sono diversi limiti di una sconosciuta teoria a undici dimensioni chiamata teoria M. Queste scoperte stimolarono la seconda rivoluzione delle superstringhe. Quando Witten la chiamò teoria M, non specificò per cosa stesse la M, presumibilmente perché non si sentiva in diritto di denominare una teoria che non era in grado di descrivere interamente. Indovinare per cosa stia la M è diventato una sorta di gioco tra i fisici teorici.

La M talvolta viene fatta corrispondere a Mistero, Magia o Madre. Ipotesi più serie includono Matrice o Membrana. Sheldon Glashow ha notato che la M può essere un rovesciamento di W, iniziale di Witten. Altri ipotizzano Mancante, Mostruoso o anche Murky (oscura). Secondo lo stesso Witten, come detto in PBS documentary, basato su "The Elegant Universe" di Brian Greene, la M in teoria M sta per "magia, mistero, o matrice a piacere."

Alcuni recenti sviluppi nel campo delle D-brane, oggetti che i fisici hanno scoperto, possono anche essere incluse in alcune teorie che comprendono stringhe aperte della teoria delle superstringhe.