Teoria delle Stringhe: Dimensioni Extra e Natura Fondamentale dell'Universo | Prove d'esame di Fisica

Cosa sono e dove sono le stringhe cosmiche? Prima del Big Bang

tutta la massa (convertita in energia) dell'universo, lo spazio e il

tempo si trovavano compattati in uno spazio pari alla grandezza di

Plack. Con il Big Bang si provocò l'espandersi l'universo . Ho letto

che alcune teorie prevedono dalla espansione si siano prodotte le

stringhe cosmiche

Le stringhe cosmiche sono delle conﬁgurazioni di energia sono di

struttura ﬁlamentosa (da cui il nome stringa) e possono avere

dimensioni molto grandi, come una galassia o anche molto di più,

praticamente ﬁno ad essere lunghe quanto l'Universo osservato (da

cui il nome "cosmiche"). Si troverebbero sparse dovunque

nell'Universo, tipicamente nel vuoto interstellare tra una galassia ed

un'altra.La teoria delle stringhe (in ﬁsica tenta di conciliare la

meccanica quantistica con la relatività generale) è eﬀettivamente

una di quelle teorie che predice la possibile esistenza di stringhe

cosmiche La Teoria delle Stringhe nasce nel 1968 da un un'intuizione

del ﬁsico italiano Gabriele Veneziano, che, studiando una particolare

funzione matematica (detta "funzione beta di Eulero"), si rese conto

che tale funzione era in grado di descrivere il comportamento

dell'interazione forte, senza comprendere però come ciò fosse

possibile. Nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen e Leonard

Susskind presentarono una spiegazione che rendeva conto della

straordinaria precisione teorica della formula di Eulero nel

rappresentare l'interazione forte: ciò era possibile se le particelle

elementari venivano assimilate a ﬁlamenti piuttosto che considerate

puntiformi. E' la nascita vera e propria della Teoria delle Stringhe!

Nel 1974 John Schwarz e Joël Sherk ottennero dai modi di vibrazione

delle stringhe una particella con spin pari a 2: il gravitone! Era la

prima volta che da uno stesso modello potevano essere dedotte sia

le particelle elementari del Modello Standard che il bosone

mediatore della gravità (che il Modello Standard in eﬀetti tralascia).

Nel 1984 Michael Green e John Schwarz - dopo un periodo di stallo

della teoria - videro il modo di spiegare compiutamente tutte le

particelle elementari e tutti i fenomeni di interazione; questo diede

un fermento intellettuale incredibile (originando la Prima Rivoluzione

delle Superstringhe) e moltissimi furono i ﬁsici che si dedicarono

alla questione. La teoria delle stringhe, se confermata, ci

permetterebbe di capire come si forma ogni elemento che

conosciamo: energia, materia e forze fondamentali. Si parla spesso,

nella scienza, del desiderio di trovare una teoria che uniﬁchi tutte le

equazioni ﬁsiche che conosciamo.

Gli scienziati cioè stanno cercando una teoria o una formula capace

di fungere da “punto di partenza” per descrivere tutte le particelle e

tutte le forze fondamentali che hanno già dimostrato.

ﬁsico Brian Greene

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Cosa sono e dove sono le stringhe cosmiche? Prima del Big Bang tutta la massa (convertita in energia) dell'universo, lo spazio e il tempo si trovavano compattati in uno spazio pari alla grandezza di Plack. Con il Big Bang si provocò l'espandersi l'universo. Ho letto che alcune teorie prevedono dalla espansione si siano prodotte le stringhe cosmiche Le stringhe cosmiche sono delle configurazioni di energia sono di struttura filamentosa (da cui il nome stringa) e possono avere dimensioni molto grandi, come una galassia o anche molto di più, praticamente fino ad essere lunghe quanto l'Universo osservato (da cui il nome "cosmiche"). Si troverebbero sparse dovunque nell'Universo, tipicamente nel vuoto interstellare tra una galassia ed un'altra.La teoria delle stringhe (in fisica tenta di conciliare la meccanica quantistica con la relatività generale) è effettivamente una di quelle teorie che predice la possibile esistenza di stringhe cosmiche La Teoria delle Stringhe nasce nel 1968 da un un'intuizione del fisico italiano Gabriele Veneziano, che, studiando una particolare funzione matematica (detta "funzione beta di Eulero"), si rese conto che tale funzione era in grado di descrivere il comportamento dell'interazione forte, senza comprendere però come ciò fosse possibile. Nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen e Leonard Susskind presentarono una spiegazione che rendeva conto della straordinaria precisione teorica della formula di Eulero nel rappresentare l'interazione forte: ciò era possibile se le particelle elementari venivano assimilate a filamenti piuttosto che considerate puntiformi. E' la nascita vera e propria della Teoria delle Stringhe! Nel 1974 John Schwarz e Joël Sherk ottennero dai modi di vibrazione delle stringhe una particella con spin pari a 2: il gravitone! Era la prima volta che da uno stesso modello potevano essere dedotte sia le particelle elementari del Modello Standard che il bosone mediatore della gravità (che il Modello Standard in effetti tralascia). Nel 1984 Michael Green e John Schwarz - dopo un periodo di stallo della teoria - videro il modo di spiegare compiutamente tutte le particelle elementari e tutti i fenomeni di interazione; questo diede un fermento intellettuale incredibile (originando la Prima Rivoluzione delle Superstringhe) e moltissimi furono i fisici che si dedicarono alla questione. La teoria delle stringhe, se confermata, ci permetterebbe di capire come si forma ogni elemento che conosciamo: energia, materia e forze fondamentali. Si parla spesso, nella scienza, del desiderio di trovare una teoria che unifichi tutte le equazioni fisiche che conosciamo. Gli scienziati cioè stanno cercando una teoria o una formula capace di fungere da “punto di partenza” per descrivere tutte le particelle e tutte le forze fondamentali che hanno già dimostrato. fisico Brian Greene

Il nome corretto sarebbe «teoria delle superstringhe», ma visto che si tratta di una visione particolare della «teoria delle stringhe» di seguito per semplicità continueremo a chiamarle in questo modo. La Teoria delle Stringhe originaria (detta teoria bosonica a 26 dimensioni) prendeva in considerazione i bosoni, la sua variante supersimmetrica è in grado di includere anche i fermioni, per questo si parla oggi di Teoria delle Superstringhe Partiamo da due concetti che conosciamo bene. il primo è che tutti noi siamo fatti in tre dimensioni spaziali – altezza, larghezza, profondità – alla quale andrebbe aggiunta una quarta dimensione: il tempo. Il secondo è che qualsiasi materiale che ci circonda – dalla terra alle nuvole, al corpo umano – è composto di molecole, le quali possono essere divise in particelle sempre più piccole: le molecole sono formate da atomi; gli atomi sono formati da elettroni, neutroni e protoni; neutroni e protoni sono composti da quark. (anche i quark sono composti di particelle più piccole ma sembra che una forza particolare ci impedisca di dividerli.) La teoria delle stringhe parte da questi due concetti e li estende. Ci dice, in pratica:

che le dimensioni spaziali attorno a noi non sono tre ma addirittura 10;
che i quark sono formati da un insieme di filamenti di energia e non da comuni particelle più piccole;
che riuscendo a manipolare l’energia di cui sopra avremmo la possibilità di creare la materia che desideriamo. La teoria delle stringhe cerca di spiegare come si forma la materia. Ma per farlo richiede che l’universo sia fatta di almeno 10 dimensioni spaziali Come abbiamo detto, la teoria delle stringhe spiega che i quark sono formati da un insieme di filamenti di energia. Questi filamenti di energia sono simili a corde (da qua il nome di «stringa», dall’inglese string che significa «corda»). Ognuna di queste corde vibra in modo diverso: in base al “tono di vibrazione”, i filamenti di energia producono particelle diverse. Stiamo parlando di tutte le particelle che compongono il nostro mondo e il nostro universo: materia, energia, spazio e tempo esistono grazie alla vibrazione di queste corde. Il modo diverso in cui queste corde vengono fatte vibrare determina la nascita di una o dell’altra particella. (Le stringhe dovrebbero essere l'unità elementare dell'Universo, piccole cordicelle vibranti (chiuse o aperte) i cui modi di vibrazioni sarebbero in grado di creare tutte le particelle bosoniche e fermioniche conosciute. La dimensione di una stringa è infinitesimale, miliardi di miliardi di volte più piccola di un nucleo atomico (siamo intorno alla lunghezza di Planck, circa 10- metri) e questo precluderebbe ogni possibilità di osservarle. La Teoria delle Stringhe ha una solida ed elegante base matematica, il

teoria ancora in corso e non incontrovertibilmente verificata, ma come è già capitato nel passato con altre supposizioni fisiche potrebbe essere valida e offrirci un punto di spunto davvero interessante. Un problema della Teoria delle Superstringhe era che presentava ben cinque varianti diverse, dette: tipo I, tipo IIA, tipo IIB, eterotica O ed eterotica Edward Witten, nel 1995, fornì una prospettiva del tutto nuova:non esistevano cinque teorie diverse, ma solo cinque modalità differenti di esprimere la stessa teoria, che da allora è detta Teoria MM-teoria:le dimensioni necessarie passano da 10 ad 11 sono presi in considerazione elementi che possono espandersi in più dimensioni e non solo stringhe unidimensionali. Questi elementi sono detti "brane" (da mem-brane). Le stringhe unidimensionali sono quindi delle 1-brane, quelle bidimensionali 2- brane e così via. In generale si parla di p-brane (dove p indica il numero di dimensioni) L'introduzione delle brane ha introdotto nuovi orizzonti cosmologici, in grado anche di spiegare come mai la gravità appare così debole rispetto alle altre forze. Noi potremmo vivere su una membrana all'interno di uno spazio multidimensionale (detto bulk), una brana in cui siamo confinati e dove sperimentiamo le nostre abituali dimensioni (Teoria del Mondo-brana). Le tre forze del Modello Standard elettromagnetica, forte e debole sarebbero generate da stringhe aperte con i due estremi sulla brana (e quindi ancorate ad essa), mentre il gravitone sarebbe una stringa chiusa che può viaggiare tra brane, la cui energia avrebbe quindi un raggio di azione molto più vasto e per questo è percepita più debole. Secondo alcuni fisici, tramite la gravità potremmo comunicare con eventuali Universi paralleli o comunque ottenere delle informazioni su realtà che, diversamente, non potremmo conoscere (in quanto le D-brane vincolano strettamente a loro la materia). Nella Teoria del Mondo-brana il Big Bang sarebbe un evento ciclico che nasce dallo scontro tra due brane vicine tra loro nello spazio multidimensionale (collisione detta Big Splat)

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