Il Superuovo

Si può ambire a una teoria unificatrice? Scopriamolo con “La teoria del tutto”

Si può ambire a una teoria unificatrice? Scopriamolo con “La teoria del tutto”

 La teoria del tutto diretto da James Marsh un film biografico del 2014 che esplora principalmente la storia d’amore del famoso astrofisico. La domanda intorno a cui ruota la sua ricerca è: esiste una equazione principale in grado di spiegare tutto? 

 

 

In fisica, la teoria del tutto, conosciuta anche come TOE, è un’ipotetica teoria fisica n grado di spiegare e riunire in un unico quadro tutti i fenomeni fisici conosciuti. Presupposto minimo di tale teoria è l’unificazione di tutte le interazioni fondamentali.

Dall’Antica Grecia ad Einstein

 

Dai tempi dell’antica Grecia, i filosofi anno congetturato che l’apparente diversità della realtà nasconda un’unità intrinseca e quindi che la lista delle forze potrebbe essere breve, anzi potrebbe contenere un singolo elemento. Per esempio la filosofia meccanica del XVII secolo assumeva che tutte le forze potrebbero in definitiva venire ridotte a forze di contatto tra piccole particelle solide.Questa teoria fu abbandonata dopo l’accettazione della forza di gravità a lunga distanza di Isaac Newton; ma nello stesso tempo, il lavoro di Newton nei suoi Principia fornì la prima forte prova empirica per l’unificazione di forze apparentemente distinte: gli esperimenti di Galileo sulla gravità terrestre, le leggi del movimento planetario di Keplero e il fenomeno delle maree furono tutti spiegati qualitativamente da una singola legge della gravitazione universale.

 

Nel 1820, Orsted scoprì una connessione tra elettricità e magnetismo, attivando decenni di lavoro che culminarono nella teoria di di James Clerk Maxwell. Anche durante il XIX secolo e l’inizio del XX secolo divenne gradualmente evidente che molti esempi di forze comuni, forze di contatto, elasticità, viscosità, attrito, pressione, risultavano da interazioni elettriche tra le più piccole particelle della materia. Alla fine degli anni venti, la nuova meccanica quantistica mostrò che i legami chimici tra gli atomi erano esempi di forze elettriche (quantistiche), giustificando la millantata affermazione di Dirac che “le leggi fisiche alla base, necessarie per la teoria matematica di gran parte di fisici e la totalità della chimica sono quindi completamente conosciute”.

 

Fisica moderna

Nella corrente principale dell’attuale fisica, una Teoria del Tutto unificherebbe tutte le interazioni fondamentali della natura, che sono solitamente considerate essere quattro in numero: gravitàforza nucleare forteforza nucleare debole e forza elettromagnetica. Siccome la forza debole può trasformare le particelle elementari da un tipo a un altro, la Teoria del Tutto dovrebbe dare una profonda comprensione dei vari tipi di particelle e delle diverse forze.

 

In aggiunta alle forze qui elencate, la cosmologia moderna potrebbe richiedere forze inflazionarie, energia oscura e anche materia oscura composta di particelle fondamentali fuori dallo schema del modello standard. L’esistenza di queste non è stata provata e ci sono teorie alternative come le teorie MOND. È stata anche ipotizzata l’esistenza di una quinta forza.

L’unificazione elettrodebole è una simmetria rotta: le forze elettromagnetiche e debole appaiono distinte a bassi livelli energetici perché le particelle che portano la forza debole, i bosoni W e Z, mentre il fotone, che porta la forza elettromagnetica, è senza massa. A livelli energetici elevati i bosoni W e Z possono essere creati facilmente e la natura unificata della forza diviene evidente.

Potrebbe sembrare prematuro mettersi alla ricerca di una teoria del tutto quando non vi è ancora la prova evidente di una forza elettronucleare e mentre vengono ancora proposte tante leggi della grande unificazione (GUT). Infatti il nome suggerisce deliberatamente gli hýbris coinvolti. Ciò nonostante, molti fisici credono che questa unificazione sia possibile, in parte a causa della loro storia passata di convergenza verso una teoria singola. Le grandi unificazioni supersimmetriche sembrano plausibili non solo per la loro “bellezza” teorica, ma perché prevedono naturalmente grandi quantità di materia oscura; la forza inflazionaria può inoltre essere collegata con la fisica della grande unificazione (anche se non sembra formare una parte inevitabile della teoria).

Tuttavia le grandi unificazioni non sono chiaramente la risposta finale. Sia l’attuale modello standard che le grandi unificazioni proposte sono teorie quantistiche dei campi che richiedono l’utilizzo della problematica tecnica della rinormalizzazione per portare a risposte significative. Questo viene solitamente considerato un segno che queste sono soltanto teorie sui campi efficaci, omettendo i fenomeni cruciali che diventano rilevanti soltanto a energie estremamente elevate. Inoltre l’incompatibilità tra la meccanica quantistica e la relatività generale implica che una di esse o entrambe, debbano essere rimpiazzate da una teoria che incorpori la Gravità quantistica.

 

Stato potenziale di una teoria del tutto

Nessuna teoria fisica datata è ritenuta essere precisamente accurata. Invece i fisici hanno proceduto con una serie di “approssimazioni successive” che permettevano previsioni via via più accurate su un gruppo sempre più ampio di fenomeni. Alcuni fisici credono che sia dunque un errore confondere i modelli teorici con la vera natura della realtà e ritengono che la serie delle approssimazioni non terminerà mai nella “verità”. Lo stesso Einstein espresse questo punto di vista in alcune occasioni. In quest’ottica potremmo ragionevolmente sperare per una teoria del tutto che auto incorpora consistentemente tutte le forze correntemente conosciute, ma non ci si aspetta che sia la risposta finale. D’altra parte si afferma spesso che, nonostante la complessità in apparente continua crescita della matematica di ogni nuova teoria, in un senso profondo associato con la loro simmetria di gauge intrinseca e il numero delle costanti fisiche fondamentali, le teorie stanno diventando più semplici. Se fosse così, il processo di semplificazione non potrebbe continuare all’infinito.

C’è un dibattito filosofico all’interno della comunità fisica sul fatto che una teoria del tutto meriti di essere chiamata la legge fondamentale dell’universo. Una delle viste è la posizione assolutamente riduzionista che la teoria del tutto è la legge fondamentale e tutte le altre teorie che si applicano all’interno dell’universo ne sono una conseguenza. Un altro punto di vista è che le leggi emergenti, le quali governano il comportamento dei sistemi complessi, dovrebbero essere viste come egualmente fondamentali. Esempi sono il secondo principio della termodinamica e la teoria della selezione naturale.

 

 

Nonostante il nome “Teoria del Tutto” suggerisca il determinismo della citazione di Laplace, questo dà un’impressione molto fuorviante. Il determinismo è frustrato dalla natura probabilistica delle predizioni meccaniche, dall’estrema sensibilità alle condizioni iniziali che porta al caos matematico e dall’estrema difficoltà matematica di applicare la teoria. Quindi anche se l’attuale modello standard della fisica delle particelle “in principio” prevede tutti i fenomeni non gravitazionali conosciuti, in pratica sono stati derivati solo pochi risultati quantitativi dalla teoria completa (per esempio le masse di alcuni dei più semplici adroni) e questi risultati (specialmente le masse delle particelle che sono più rilevanti per la fisica a bassa energia) sono meno accurati delle misure sperimentali esistenti. Una vera teoria del tutto sarebbe quasi certamente più difficile da applicare. Il motivo principale per ricercare una Teoria del tutto, a parte la pura soddisfazione intellettuale di completare una ricerca lunga secoli, è che tutte le precedenti unificazioni di successo hanno predetto nuovi fenomeni, alcuni dei quali hanno dimostrato una grande importanza pratica (si veda l’esempio dei generatori elettrici). Come in altri casi di teorie riduzioniste, la teoria del tutto permetterebbe anche di definire con confidenza il dominio di validità e l’errore residuale delle approssimazioni a bassa energia all’intera teoria che potrebbe poi essere usata per calcoli pratici.

 

E tu che ne pensi? Faccelo sapere!

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: