La ricerca di una teoria unificatrice della fisica: ecco spiegate la teoria delle stringhe e dei loop

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La gravità di Einstein e la meccanica quantistica sono delle teorie parziali, incompatibili. La ricerca di una teoria che le unisca è considerata come la sfida del secolo della fisica.

https://humanityplus.wordpress.com/2017/01/16/loop-quantum-gravity-v-s-m-theory/

La teoria delle stringhe e la teoria dei loop sono due delle principali soluzioni che sono state proposte per risolvere questione. La prima è stata sostenuta da Hawking, che la ha spiegata nei libri divulgativi ‘La teoria del tutto’ e in ‘La grande storia del tempo’. La seconda è ideata e sostenuta da Carlo Rovelli, uno dei più grandi fisici teorici italiani, che ha esposto la teoria dei loop in modo divulgativo nel suo libro ‘La realtà non è come ci appare’.

Le incompatibilità tra la gravità e la meccanica quantistica

Nella relatività generale, Einstein descrive l’universo in cui viviamo in quattro dimensioni: tre dello spazio e una del tempo. Ma, secondo Einstein, le quattro dimensioni sono unite con un legame intrinseco in una tela di spazio-tempo che costituisce l’universo. Questa tela è continua, e la forza di gravità è dovuta al fatto che le masse fanno incurvare la tela di spazio-tempo.

La meccanica quantistica invece descrive principalmente gli avvenimenti a livello microscopico. Questa si occupa di predire su base probabilistica i comportamenti dei quanti (‘pacchetti’ finiti e distinti come se fossero i mattoncini dei Lego), quali elettroni, fotoni, e atomi composti da più particelle. Il principio fondamentale su cui si basa la meccanica quantistica è quello di indeterminazione. Infatti, si è scoperto che c’è un limite al sapere, perchè non tutto si può descrivere su base deterministica, ma la casualità governa gli eventi microscopici. Ad esempio, se vogliamo localizzare un elettrone, più precisamente conosciamo la posizione, più grande sarà l’incertezza sulla velocità di questo.

Il problema della fisica moderna è che le due teorie che sono i pilastri della fisica sono difficili da unire. Infatti la gravità di Einstein descrive a livello macroscopico l’universo come una tela continua, mentre la meccanica quantistica si occupa dei quanti granulari discontinui e distinti a livello microscopico. Ma la principale differenza sta nel fatto che la teoria di Einstein è classica, nel senso che non include il principio di indeterminazione. Quindi questa non è esatta a livello microscopico, ovvero quando il principio di indeterminazione non può essere ignorato.

Si sta svolgendo molta ricerca per trovare una soluzione, e particolare importanza è posta alla ricerca nell’ambito dei buchi neri e dell’origine dell’universo. Infatti la teoria della relatività predice il Big Bang, momento in cui la densità dell’universo era talmente pronunciata che l’incurvatura dello spazio-tempo (e quindi la forza gravitazionale) era infinita. Tuttavia, con la teoria generale della relatività non si riesce a gestire questa massa così grande in una regione microscopica. In questo punto la teoria necessita una spiegazione che includa la meccanica quantistica. Due teorie unificatrici sono state proposte per risolvere questo problema: la teoria delle stringhe e quella dei loop.

La teoria delle stringhe

Nel libro ‘La teoria del tutto’, Hawking spiega che le particelle possono essere rappresentate nello spazio e nel tempo attraverso le linee di universo che raccontano la storia della particella (nello spazio e nel tempo). Hawking afferma che “una stringa occupa lo spazio in ogni istante del tempo, in modo che la sua storia nello spazio-tempo è descritta dalla superficie bidimensionale che si chiama foglio di universo. Se consideriamo una stringa come un cilindro molto sottile, le sezioni del cilindro rappresentano la posizione della stringa in un determinato momento”.

Le particelle sono come onde sulla superficie della stringa, e quando una particella è emessa le stringhe si dividono, mentre quando è assorbita le stringhe corrispondenti si uniscono. L’attrazione gravitazionale tra due oggetti può essere rappresentata come dei tubi a forma di ‘H’. Questo perchè le gambe della lettera rappresentano la posizione di due oggetti nel tempo, e la barra che unisce le gambe descrive la forza gravitazionale.

La teoria delle stringhe riuscirebbe quindi a fare conciliare il concetto di spazio quantizzato della meccanica quantistica con la relatività di Einstein. Questa teoria ha ricevuto molta attenzione da quando Schwarz e Green hanno dimostrato che la teoria delle stringhe potrebbe spiegare l’esistenza delle particelle sinistrorse che osserviamo. Tuttavia, il problema principale della teoria delle stringhe è che questa è valida solo nel caso in cui ci siano 10 oppure 26 dimensioni dello spazio-tempo. Una possibile spiegazione sarebbe che le dimensioni che noi non percepiamo esistano e siano molto piccole e arrotolate su loro stesse.

https://penntoday.upenn.edu/news/making-sense-string-theory

La teoria dei loop

La teoria dei loop invece si basa sull’ipotesi che esistano dei quanti o grani di spazio-tempo che sono delle unità basilari di cui lo spazio-tempo stesso è composto. Questi grani sono a forma di loop a cause di alcune soluzioni matematiche che dipendono da linee chiuse. Se dovessimo rappresentare i grani di spazio, avrebbero una forma raffigurata nella figura seguente, dove i nodi sono i grani di spazio e i link rappresentano l’interazione di questi. I grani di spazio definiscono dei volumi discreti all’interno di uno spettro dei volumi possibili. Lo spazio-tempo come lo intendiamo noi nasce in conseguenza al campo gravitazionale quantistico.

Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica viene introdotto calcolando la somma dei percorsi possibili dei  grani di spazio-tempo in modo da individuare quello più probabile. Questo processo definisce la schiuma di spin, cioè la rappresentazione di tutte le possibili combinazioni dello spazio-tempo.

Nella teoria dei loop, lo spazio non è definito grazie alla sua “posizione” o “luogo”, ma grazie all’interazione con l’ambiente circostante composto dai quanti. La forma dei grani (ovvero loop formati da linee chiuse) permette di generare l’incurvatura dello spazio-tempo. Quindi in questa teoria i principi della meccanica quantistica di indeterminazione, interazione e probabilità  sono uniti allo spazio-tempo e alla relatività di Einstein. Tramite la teoria dei loop si potrebbe risolvere la questione dell’evaporazione dei buchi neri. Infatti, secondo questa teoria i buchi neri perdono energia e quindi massa a causa dell’attrito dei quanti di spazio che sono molto incurvati.

Tuttavia, come la teoria delle stringhe, la teoria dei loop è ancora incompleta sia a livello teorico che pratico, e c’è ancora molta strada da fare per trovare una teoria unificatrice (nel caso in cui questa esista). Per il momento non è chiaro quale delle due teorie sia la più promettente, ma entrambe cercano di presentare delle valide soluzioni al problema dell’incompatibilità tra gravità di Einstein e meccanica quantistica. Ci sono grandi potenzialità per lo sviluppo nel campo della gravità quantistica. Restiamo in attesa dei futuri risvolti della questione.

https://www.teatrofrancoparenti.it/archivio/incontro-carlo-rovelli-2016-2017/

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