Tutte le particelle note sperimentalmente (fotoni, elettroni, quark, neutrini, ecc.), comprendendo anche quelle rilevate nei raggi cosmici da P. Brackett, G. Occhialini e C. F. Powell, come Positroni, Muoni, Pioni e Kaoni, sono state riunificate in un unico sistema: il “Modello Standard”. Questo modello comprende sia le particelle di tipo “fermionico” (che seguono la statistica di Fermi-Dirac) sia quelle di tipo “bosonico” (che seguono la statistica di Bose-Einstein).
Esso è caratterizzato da una simmetria semplice (con una sola “costante di accoppiamento”) detta “Simmetria di Gauge”. In questo modello, forse non perfetto ma sostenuto da robuste prove sperimentali, compaiono tre interrelazioni sub-atomiche con i relativi campi di forza: il Campo elettromagnetico, che opera a livello universale globale ed ha come sua particella agente il Fotone; la Forza nucleare debole che agisce nei decadimenti “Beta”, e che opera attraverso i bosoni W e Z; e la Forza nucleare forte che tiene unito il nucleo atomico, che opera attraverso un altro bosone: il Gluone.
Una prima unificazione tra Campo elettromagnetico e Forza nucleare debole, che si manifesta al livello di energie più elevate, fu realizzata nel 1967 dal noto fisico statunitense Steven Weinberg, che le comprese entro un’unica Forza elettrodebole ed individuò anche i “bosoni” W e Z implicati nel fenomeno. Weinberg ottenne per questo il Premio Nobel nel 1979 insieme a Sheldon Lee Glashow e Abdus Salam. Anche ricercatori italiani come N. Cabibbo e C. Rubbia hanno dato contributi a questa teoria.
Successivamente furono messe a punto teorie di Grande Unificazione note come GUT (Grand Unification Theory), che comprendono anche l’interazione nucleare “forte”, e teorie ancora più ambiziose che vorrebbero inglobare anche il Campo Gravitazionale (unificando Relatività Generale e Fisica Quantistica) note con la sigla TOE (Theory of Everything) o Teorie del Tutto. Queste teorie, prive di solide basi sperimentali, si basano sull’uso di matematica sofisticata, come la teoria dei gruppi di Sophus Lie, ecc., e prevedono schemi super-simmetrici tra particelle, con confronto tra varie costanti.
Purtroppo per dare dimostrazioni sperimentali alle teorie super-simmetriche, che intendono porre in un’unica cornice la forza di gravità presente nel Cosmo con le forze sub-atomiche presenti nell’atomo, servirebbero enormi energie molto superiori a quelle degli odierni acceleratori. Si è calcolato che per investigare sulle teorie di grande unificazione servirebbero enormi energie di 13 Tev, e per la super-simmetria sarebbero necessari 16 Tev, mentre finora la macchina acceleratrice più potente (quella del CERN di Ginevra) può giungere al massimo a 7 Tev(2).
È in fase di progettazione un nuovo gigantesco impianto di accelerazione costituito da una galleria lunga 100 Km che passerebbe sotto il lago di Ginevra collegando Svizzera e Francia e dotato di magneti potentissimi; ma si tratta – per ora - solo di un progetto del CERN. Molti fisici ritengono che, per giungere ad una teoria unificante bisognerebbe investigare al livello della distanza di Planck (circa 10-35 m) enormemente più piccola della dimensione dell’atomo (10-10 m), mentre le attuali tecnologie possono giungere fino a 10-9x 10-9m.
La più nota teoria globale è quella delle stringhe(2), innescata da un articolo del 1968 del fisico italiano Gabriele Veneziano relativo a uno studio sull’interazione “forte” che comportava l’uso della funzione “Beta” di Eulero e l’impostazione di una grandezza detta “Spazio di Veneziano”. Questa teoria – che ritiene che la base di tutti i fenomeni del nostro Universo vi siano delle minuscole stringhe vibranti dell’ordine della distanza di Planck - ha traversato varie fasi.
All’inizio degli anni ’70 operarono nel settore ricercatori teorici come H. Nielsen, L. Susskind, ed il fisico di origine giapponese, naturalizzato USA, Y. Nambu (premio Nobel nel 2008 e sostenitore della teoria della “rottura spontanea di Simmetria” cui partecipò anche l’italiano Giovanni Jona-Lasinio). Furono considerate stringhe ad una dimensione, ma la teoria non ebbe seguito.
Successivamente dopo il 1974 si affermarono, ad opera soprattutto di John Schwartz, teorie relative a stringhe – sia aperte che chiuse ad anello – aventi comportamento “bosonico” (cioè seguenti la statistica di Bose-Einstein: vedi N. 103) e caratterizzate dalla possibilità di vibrare in 26 dimensioni. Dopo il 1984 – considerato l’anno della “prima rivoluzione delle stringhe” - si affermarono e si diffusero, ad opera dello stesso Schwartz e di Michael Green, vari modelli con stringhe chiuse e comportanti una super-simmetria tra stringhe “bosoniche” e “fermioniche” (cioè seguenti la statistica di Fermi-Dirac). Questi oggetti, previsti in alcune teorie anche a forma di membrana, potevano vibrare in 10 dimensioni.
Negli anni ’90, ad opera di Edward Witten, vi fu una “seconda rivoluzione delle stringhe” e si affermò un modello ad 11 dimensioni, indicato come M-Teoria, comprendente anche una dimensione caratteristica della gravità, che avrebbe abbracciato tutti i precedenti modelli come casi particolari. Si ipotizzava l’esistenza di una particella relativa alla gravità: il gravitone. La teoria prevede che le dimensioni in più rispetto alle 4 classiche dello spazio-tempo di Minkowski (vedi N. 102) possano compattarsi matematicamente comparendo solo alla minima distanza di Planck (e quindi “invisibili” a noi), e risolve alcuni problemi matematici che danno luogo ad infiniti. Le interazioni tra anelli di stringhe non sarebbero puntuali ma avverrebbero su superfici estese. La presenza di tante dimensioni darebbe teoricamente la possibilità di molti Universi alternativi ognuno caratterizzato da diverse costanti universali. Noi conosceremmo solo il nostro, con le costanti a noi note (come quelle di Planck, di Boltzmann e gravitazionale) perché è quello abitato che permette la vita (“Principio antropico”).
Se si legge il classico libro di Brian Greene, “l’Universo elegante” (3), ci si rende conto che tutta la teoria delle stringhe, completamente priva di supporti sperimentali (tranne qualche modesto riscontro nella teoria dei fluidi viscosi), è una speculazione teorica basata su matematica sofisticata come quella di tipo geometrico definita come “Spazi di Calabi-You”, ecc. Una teoria alternativa a quella delle stringhe è quello della “Gravità quantistica a loop” (detta LQG: Loop Quantum Gravity) basata su una quantizzazione dello spazio a partire da modelli gravitazionali “covarianti”, cioè che rispettano le trasformazioni di Lorentz (N. 91). Di questa teoria si sono interessati tra gli altri John Wheeler, Lee Smollin e Carlo Rovelli(4). Anch’essa è basata su considerazioni puramente matematiche che coinvolgono anche l’entropia dei buchi neri (N.122) ed una struttura di base topologica detta “Schiuma di Spin”; ma esistono anche altre teorie come quella detta Mondo-brana, basata su un modello a membrane, ecc.
La divulgatrice scientifica e ricercatrice tedesca Sabine Hossenfelder ha sottolineato nel suo libro dal titolo significativo, “Sedotti dalla Matematica: come la bellezza ha portato i Fisici fuori strada”, la situazione di stallo in cui si trova la fisica teorica che vorrebbe svelare la struttura ultima della materia e del cosmo. Non senza ironia fa notare come abbia potuto enumerare, anche intervistando molti importanti addetti ai lavori, quasi 200 diverse teorie tutte basate su considerazioni di eleganza, semplicità e bellezza matematica, ma impossibili da sperimentare per le difficoltà tecnologiche ed i costi proibitivi. Fa anche notare come molti fisici che hanno elaborato una formula matematica elegante siano convinti che ad essa debba per forza corrispondere una realtà fisica. Per essere “moderni” ed alla moda molti dipartimenti di Fisica moltiplicano gli studi teorici a scapito di ricerche, magari più limitate, ma sperimentali che portano a risultati certi. Su questo stallo torneremo nelle conclusioni.
Vincenzo Brandi - Articolo tratto da “Conoscenza, scienza e filosofia” di V. Brandi
- 1) RBA, “Le Grandi Idee della Scienza – Hawking”
- 2) Hossenfelder, “Sedotti dalla Matematica”, R. Cortina 2019
- 3) Greene, “L’Universo elegante”, Einaudi, 2000
- 4) Rovelli, “La Realtà non è come ci appare”, R. Cortina 2014
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