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FISICA DELLA COSCIENZA
TT 04. «La Teoria delle Stringhe»

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La "Teoria delle Stringhe" è la principale candidata attuale come Teoria del Tutto, in grado di formulare una corretta gravità quantistica. Il problema più scottante della fisica moderna, infatti, è che la Meccanica Quantistica ci permette di comprendere il mondo subatomico con le forze che vi agiscono (elettromagnetiche e nucleari) mentre la Relatività Generale, offrendoci una modello innovativo della forza di gravità, ci dona una conoscenza del cosmo ... ma le due teorie sono tra loro incompatibili!

In inglese string significa letteralmente corda (e infatti c'è chi preferisce il termine "Teoria delle Corde"), ma in italiano è invalso l'uso di definire i componenti fondamentali di questa teoria come stringhe.



La vibrazione delle stringhe da origine a tutti gli elementi
fondamentali della fisica (materia ed energia)


Cosa sono le stringhe? 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 10-35 metri) e questo precluderebbe ogni possibilità di osservarle. La Teoria delle Stringhe ha una solida ed elegante base matematica, il problema attuale sta nel trovare le possibili verifiche a livello sperimentale

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.



La Supersimmetria (o SuSY SuperSymmetry) è un modello che prevede che ogni fermione (particella di materia) sia correlato simmetricamente ad un bosone (particella mediatrice di forze), solo che fermioni e bosoni conosciuti non erano capaci di realizzare adeguatamente questo tipo di simmetria, quindi sono state ipotizzate altre particelle (dette S-particelle). Le S-particelle non sono però ancora state osservate sperimentalmente, si ritiene perché molto più massive delle loro controparti.

 
  



La Teoria delle Stringhe nasce nel 1968 da un un'intuizione del fisico italiano Gabriele Veneziano, che, studiando una particolare funzione matematica, molto semplice ed elegante (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 Jol 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).

 



Con la Teoria delle Stringhe le particelle subatomiche si possono paragonare
a note musicali e la Natura ad una immensa partitura!


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 porta anche ad una conseguenza molto speciale: l'esistenza di dimensioni-extra! Nuove dimensioni oltre le 3 spaziali + 1 temporale a cui siamo abituati; in quanto le stringhe non avrebbero sufficiente libertà di movimento in così poche dimensioni per poter creare tutte le particelle e le forze dell'Universo, ne servono ben 26 nella teoria bosonica originaria e 10 nelle versioni con le superstringhe (quelle cioè che incorporano la supersimmetria).
Inoltre, in base a questa teoria, si calcola che potrebbero addirittura esserci 10500 Universi differenti, un numero impressionante!

I fisici si stanno abituando a queste stranezze e se un tempo chi parlava di nuove dimensioni o realtà parallele sarebbe stato classificato come un pazzo, adesso questi concetti sono accettati come normali, o quantomeno possibili, e vi si lavora sopra.

 



Una possibile spiegazione del perché non vediamo le dimensioni extra
è che esse siano così compatte che ci sfuggono,
così come un tubo da lontano sembra avere una dimensione sola;
oggi vi sono anche altri studi che evidenziano come tali dimensioni potrebbero,
invece, essere enormi!



M TEORIA

Un problema della Teoria delle Superstringhe era che presentava ben cinque varianti diverse, dette: tipo I, tipo IIA, tipo IIB, eterotica O ed eterotica. Qual'era quella giusta?

Il fisico statunitense 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 M (M non si sa bene per cosa stia, forse sta per teoria Madre, ma c'è chi pensa che stia per Mistero, Membrana, Matrice, ecc.). Nasce così la Seconda Rivoluzione delle Superstringhe.
 
La M-teoria aggiunge alcuni nuovi importanti elementi:

  • le dimensioni necessarie passano da 10 ad 11 (passaggio indispensabile per consentire di fare dei calcoli esatti e non solo approssimati, come in precedenza);

  • 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). Una classe particolare sono le D-Brane (dal nome del matematico Johann Dirichlet), che permetterebbero l'ancoraggio delle p-brane aperte.


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)!

        

NOTA - Un aspetto molto importante della Teoria delle Stringhe è che non solo descrive tutti i bosoni e i fermioni ma ci dice anche a quali leggi devono obbedire (il fotone deve soddisfare le equazioni di Maxwell, il gravitone quelle di Einstein, l'elettrone l'equazione di Dirac, ecc.). Di solito in fisica queste equazioni vengono scelte tra molte altre solo perché in accordo con le indicazioni sperimentali, ma qui è la teoria stessa che le prevede. Nessun'altra teoria attuale è capace di tali straordinarie predizioni.

 

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