La fine
della cosmologia ?
Le Scienze,
maggio 2008, n.477
L'espansione
accelerata dell'UniVerso
cancella le tracce delle sue
origini. Di Lawrence M. Krauss e
Robert J. Scherrer
Una decina d'anni fa si è scoperto
che l'espansione dell'UniVerso
sta accelerando. Gli scienziati
stanno ancora analizzando le
implicazioni di questa scoperta
rivoluzionaria. L'espansione sempre
più rapida finirà per allontanare le
galassie con una velocità apparente
superiore a quella della luce,
facendole sparire per sempre alla
nostra vista.
Questo processo eliminerà i punti di
riferimento che consentono di
misurare l'espansione e diluirà nel
nulla molte caratteristiche che
hanno avuto origine con il
big bang.
In poche parole, cancellerà tutti
gli indizi dell'esplosione
primordiale. I nostri lontanissimi
discendenti vedranno l'Universo
come un aggregato di stelle immerso
in un vuoto immutabile e senza fine.
Quante informazioni sulla storia
dell'UniVerso
sono già perdute per sempre ?
Commento NdR: occorre vedere
se questa teoria e' vera !?!
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TEORIA-M - Teoria del Tutto
La M-teoria, proposta
nel 1995 da
Edward Witten (Baltimora,
1951) fisico teorico presso l'Institute
for Advanced Studies di
Princeton, è la principale
candidata a divenire la
teoria del tutto (TOE, Theory Of
Everything), cioè quella teoria che
ha l'ambizione di spiegare
interamente l'universo
in cui viviamo.
La M-teoria (ancora in fase di definitiva formulazione) è una teoria che si manifesta in undici dimensioni, ma i dettagli matematici sono ancora sconosciuti. I gradi di libertà fondamentali sono descritti da membrane vibranti. La teoria raggruppa le cinque teorie delle stringhe, dimostrando che sono sostanzialmente descrizioni di diversi aspetti della stessa teoria di base.
Si chiama Teoria M e
può essere anche definita quella che
Einstein chiamava la 'teoria del
tutto', teoria alla quale il geniale
fisico tedesco di origini ebraiche
ha lavorato gli ultimi anni della
sua vita, ma che non riuscì mai a
completare e che gli portò molta
denigrazione in molti ambienti della
fisica, forse più per l'invidia che
i colleghi avevano rispetto
l'immensa popolarità che il vecchio
professore aveva, più che la
difficoltà all'epoca a dimostrarla.
In pratica si tratta di una teoria
che riesce ad unificarne altre:
teoria delle stringhe, universi
paralleli, principi della
termodinamica e le altre leggi della
fisica e della matematica; queste
andavano in conflitto nel momento in
cui dovevano 'spiegare' il
Big Bang;
se Vi ricordate, gli anni scorsi
ogni tanto si sentiva una notizia
per cui gli scienziati erano
riusciti a 'scoprire l'evoluzione
dell'universo
fino a x istanti DOPO il Big Bang,
ma a tante dichiarazioni non si
riuscì mai a spiegare il Big Bang in
sè: i conti non tornavano; e allora?
Allora ecco la Teoria M o Teoria del
tutto, spiegata in modo molto
elementare dai più grandi studiosi
di fisica teorica del mondo in un
documentario che troverete molto
interessante.
 |
Teoria Delle Stringhe ed Universi
Paralleli
M-Teoria =
La MADRE di TUTTE le TEORIE
Albert Einstein dedicò gli ultimi
trent’anni della sua vita alla
ricerca della cosiddetta “teoria
unificata del campo” ossia di quella
teoria che avrebbe dovuto unificare
le leggi della gravità e
dell’elettromagnetismo in modo da
consentire una descrizione unitaria
dei fenomeni naturali. Il suo
progetto fallì, ma in nessun caso
avrebbe potuto andare a buon fine
perché a quel tempo molte erano le
lacune relative alla conoscenza del
mondo fisico. Quando Einstein
intraprese il suo tentativo di
unificazione si conoscevano ad
esempio solo tre particelle
elementari (l’elettrone, il protone
e il fotone) ed erano note due sole
interazioni fondamentali
(l’elettromagnetismo e la
gravitazione).
Attualmente le particelle elementari
sono oltre cento: un numero perfino
eccessivo rispetto a quello
necessario a spiegare l’ordine
cosmico tanto che quando venne
individuato il muone, una particella
simile all’elettrone ma 200 volte
più pesante di esso, il premio Nobel
Isaac Rabi accolse la nuova scoperta
con un infastidito: “Chi l’ha
ordinato questo ?”
Le forze fondamentali frattanto sono
diventate quattro e la loro
unificazione è divenuto l’obiettivo
centrale della ricerca di fine
secolo. I metodi di indagine che si
adottano attualmente sono originali
e sembra esserci un netto progresso
in questo campo della ricerca anche
se in realtà l’unificazione della
gravitazione con le altre tre forze
non è stata ancora realizzata. I
fisici ritengono tuttavia di avere
imboccato la strada giusta che porta
alla formulazione di quell’unica
teoria in grado di spiegare tutto
quanto esiste nell’Universo. La
nuova teoria sulla quale si sta
lavorando si chiama delle
superstringhe.
1. LA TEORIA DELLE
SUPERSTRINGHE
Come è noto, due sono i pilastri su
cui si fonda la fisica moderna: la
relatività generale fondata da
Albert Einstein e la meccanica
quantistica fondata da Max Planck.
La prima svolge a meraviglia il
compito di spiegare il comportamento
degli oggetti di grandi dimensioni
(stelle, galassie, ammassi di
galassie, ecc.) presenti
nell’Universo; la seconda ci
permette di comprendere il mondo
atomico e subatomico (molecole,
atomi, elettroni, quark, ecc.).
Queste due teorie, che hanno
consentito un progresso
straordinario della fisica
dell’ultimo secolo, presentano
tuttavia un difetto insuperabile:
non sono fra loro compatibili.
Di questa incompatibilità i fisici
non hanno mai tenuto conto perché il
campo di indagine delle due teorie è
molto diverso e quando vi era la
necessità di studiare gli oggetti
piccoli e leggeri si faceva ricorso
alla meccanica quantistica senza
preoccuparsi di quello che afferma
la relatività mentre, quando vi era
la necessità di studiare oggetti
grandi e pesanti, si utilizzavano le
leggi della relatività generale
senza interessarsi degli enunciati
dell’altra teoria: non succedeva mai
in passato che fosse indispensabile
far ricorso ad entrambe le teorie
simultaneamente. Ultimamente però le
cose sono cambiate: i buchi neri ad
esempio sono oggetti pesanti ma
contemporaneamente molto piccoli e
lo stesso Universo sarebbe emerso da
una particella infinitamente piccola
e insieme estremamente pesante e
calda. Su questi oggetti servirebbe
quindi l’applicazione contemporanea
delle due teorie.
Oggi, come abbiamo
accennato, esiste una teoria detta
delle superstringhe in grado di
mettere d’accordo la meccanica
quantistica e la relatività
generale. Essa spiegherebbe il
comportamento della materia, delle
forze che tengono insieme gli
oggetti materiali, e forse anche
dello spazio e del tempo. Secondo
questa teoria tutto ciò che esiste
nell’Universo non sarebbe altro che
la manifestazione di “energia
vibratoria”. Cerchiamo di spiegare
di cosa si tratta.
La nuova teoria prese l’avvio nel
1968 da un’osservazione del fisico
italiano Gabriele Veneziano, a quel
tempo ricercatore presso il Cern di
Ginevra. Egli stava analizzando una
serie di dati sperimentali
riguardanti la forza nucleare forte
quando notò che una formula
utilizzata per descrivere una classe
di curve geometriche, la cosiddetta
“funzione beta”, inventata 200 anni
prima dal matematico svizzero
Leonhard Euler (meglio noto con il
nome latinizzato di Eulero), forniva
un’utile sistemazione matematica
dell’argomento che stava studiando.
L’intuizione di Veneziano venne in
seguito ampliata e si scoprì che se
le particelle elementari venivano
assimilate a fili vibranti (detti
stringhe o corde, in inglese string)
invece che ad enti puntiformi privi
di struttura interna come suggeriva
il cosiddetto Modello Standard (lo
strumento concettuale che è stato
utilizzato, nel corso del Novecento,
per spiegare il comportamento delle
particelle elementari) la funzione
beta avrebbe descritto con
altrettanta coerenza le interazioni
fra particelle.
Le stringhe (non ci si lasci
ingannare dal nome) sono fili
infinitamente corti e sottili tanto
che risulterebbero invisibili anche
se venissero esaminati da strumenti
miliardi di volte più potenti di
quelli attualmente disponibili: sono
lunghi un milionesimo di
miliardesimo di miliardesimo di
miliardesimo di centimetro (miliardi
di miliardi di volte più piccoli di
un nucleo atomico) e di spessore
nullo. Si tratta di strutture le cui
dimensioni sono vicine alla
cosiddetta lunghezza di Planck
(10-33 cm) la più piccola
concepibile in fisica, ma che
vengono tese con una forza
incredibilmente grande: fino a 1039
tonnellate. Sarebbe proprio questa
enorme tensione a determinare la
frequenza di vibrazione: più essa è
grande, maggiore è la massa della
particella associata e di
conseguenza maggiore è la forza di
gravità che questa particella
esercita sulle altre. Questo sarebbe
l’indizio per il quale la teoria
delle superstringhe collegherebbe la
gravità descritta dalla relatività
generale con la struttura delle
particelle elementari descritta
dalla meccanica quantistica.
Vi è una sostanziale
differenza fra le teorie della
gravità di Newton e di Einstein e
quella che scaturisce dalla teoria
delle superstringhe. Con le loro
teorie Newton ed Einstein spiegano
semplicemente un fenomeno di cui già
si aveva esperienza diretta; nel
caso della teoria delle stringhe la
gravità si trova invece direttamente
incorporata nel suo nucleo teorico
tanto che, anche qualora non ci
fosse stata alcuna esperienza
precedente di questa forza, essa
sarebbe emersa come conseguenza
della teoria stessa. In altri
termini la teoria delle
superstringhe prevede l’esistenza
della gravità perché da essa
emergono spontaneamente tutte e
quattro le particelle mediatrici (o
messaggere) delle interazioni
fondamentali e la loro unificazione
avviene in modo naturale.
I modi di vibrazione di questi fili
sottilissimi e cortissimi spesso
chiusi ad anello generano tutte le
particelle elementari che
costituiscono il nostro Universo un
po’ come una corda di violino più o
meno tesa (ma mai applicando ad essa
forze come quelle previste dalla
teoria delle superstringhe!) genera
un numero praticamente infinito di
toni musicali. Il prefisso super fu
aggiunto alla teoria delle stringhe
quando si scoprì che la teoria
stessa possedeva una supersimmetria,
cioè quando ci si rese conto che ad
ogni particella di materia
corrispondeva una particella di
forza e viceversa.
Per capire di cosa si tratta si deve sapere che le particelle elementari si dividono in due grandi famiglie: “fermioni” (dal nome del fisico italiano Enrico Fermi) e “bosoni” (dal nome del fisico indiano Satyendra Bose). Della prima famiglia fanno parte le particelle di materia come elettroni e quark; della seconda le particelle mediatrici delle forze come fotoni e gravitoni. Ebbene, la supersimmetria afferma che ad ogni particella conosciuta ne corrisponde un’altra di aspetto sconosciuto ma di comportamento simile; a queste particelle, nonostante nessuno le abbia mai viste, è stato peraltro assegnato un nome: per esempio, simmetrica al fotone (la particella mediatrice della forza elettromagnetica) corrisponde il fotino (particella materiale); il partner simmetrico del quark (un fermione) è il bosone s-quark, e così via.
2. LA M-teoria
La teoria delle superstringhe
comprende ben cinque varianti
denominate tipo I, tipo IIA, tipo
IIB, eterotica O ed eterotica E,
tutte teorie molto simili fra loro
ma non identiche. Di simile hanno ad
esempio il fatto che tutte quante
necessitano di nove dimensioni dello
spazio (oltre a quella temporale)
entro cui poter agire e non solo
delle tre di cui abbiamo percezione
diretta. Di queste complessive dieci
dimensioni sei sono invisibili,
risultando strettamente
accartocciate su sé stesse (con
termine tecnico si dicono
compattificate, un obbrobrio
lessicale) perché “strangolate”
dalle stringhe che si avvolgono
intorno ad esse (come fossero
elastici che stringono la camera
d’aria di una bicicletta) impedendo
loro di espandersi.
L’aggiunta di dimensioni nascoste a
quelle osservabili può apparire una
cosa bizzarra e indimostrabile, ma
in realtà si tratta di una buona
ipotesi: non servono infatti
osservazioni sperimentali a
confermare un’ipotesi se questa può
essere utile per fornire una chiara
descrizione del mondo fisico.
Qualcosa di simile era già successo
in passato quando uno sconosciuto
matematico polacco di nome Theodor
Kaluza inviò ad Einstein un articolo
in cui avanzava il convincimento che
l’Universo avrebbe potuto avere una
quarta dimensione spaziale oltre a
quella temporale già inserita nella
sua teoria della relatività. Kaluza
notò che la presenza di una
dimensione extra dava luogo ad una
serie di equazioni aggiuntive a
quelle indicate da Einstein che non
erano altro che le equazioni
formulate da Maxwell per descrivere
la teoria elettromagnetica. In altre
parole in uno spazio a cinque
dimensioni si unificavano
gravitazione ed elettricità.
I cinque sottotipi della teoria
delle superstringhe mostrano però
anche alcune differenze sostanziali.
Differiscono fra l’altro per il modo
in cui incorporano la supersimmetria
o per la forma delle stringhe: la
teoria di tipo I ad esempio, a
differenza delle altre, prevede la
presenza anche di stringhe aperte,
cioè con gli estremi liberi, oltre
che di stringhe chiuse ad anello.
Nel 1995 il fisico teorico Edward Witten scoprì che le cinque teorie di superstringa erano intimamente connesse l’una all’altra tanto da poter essere raggruppate in un unico schema concettuale a cui fu assegnato il nome di M-teoria, dove M starebbe per madre: quindi si tratterebbe della “madre di tutte le teorie”. Questa nuova scoperta potrebbe portare alla tanto agognata Teoria del Tutto (Toe, come la chiamano gli anglosassoni, Theory of everything) ma molte delle sue proprietà non sono state ancora comprese a fondo.
La M-teoria esibisce alcune caratteristiche aggiuntive rispetto a quelle presenti nelle superstringhe. Innanzitutto essa postula che le dimensioni passino da dieci ad undici: alle nove dimensioni spaziali e a quella temporale presenti nelle teorie delle superstringhe se ne aggiunge quindi un’altra la cui presenza consente di portare a termine calcoli esatti e non solo approssimati come erano quelli che si ottenevano in precedenza. Una seconda caratteristica della M-teoria è quella di contenere, oltre a strutture unidimensionali di cui si è detto, anche altri elementi che si possono estendere in più dimensioni: nell’insieme questi oggetti vengono definiti brane (termine ricavato da mem-brane). Usando questa nuova e originale terminologia le stringhe sono chiamate 1-brane, le 2-brane sono membrane ovvero superfici bidimensionali, ma esistono anche masserelle tridimensionali (tribrane) e altri oggetti a più dimensioni tutti in frenetica e incessante vibrazione. A causa della presenza di oggetti più estesi delle stringhe, l’M-teoria viene anche detta “teoria delle membrane”, ma a questo punto i più maliziosi assegnano alla lettera M della teoria il significato di “mistero”.
3. La TEORIA SPIEGA
l’ORIGINE dell’UNIVERSO
Uno dei problemi che da sempre
assilla la mente dell’uomo è quello
relativo all’origine dell’Universo.
La teoria scientifica attualmente
più accreditata, quella del big
bang, afferma che l’Universo, nei
primi istanti della sua esistenza
era di dimensioni incredibilmente
esigue ma contemporaneamente
estremamente denso e caldo. Per
analizzare in termini scientifici
condizioni così estreme sarebbe
necessario disporre di una teoria
quantistica delle gravità; ma, come
abbiamo visto, una tale teoria non
esiste. Per questo motivo il
cosiddetto Modello cosmologico
standard è costretto a descrivere
l’evoluzione dell’Universo a partire
da una particella elementare di
dimensioni minime presente al tempo
t=10-43 secondi dall’inizio (detto
tempo di Planck).
In realtà, estrapolando all’indietro
le equazioni della relatività
generale si osserva che l’Universo
diventa sempre più piccolo e
contemporaneamente sempre più caldo
e più denso fino a scomparire del
tutto quando si raggiunge il tempo
zero, mentre temperatura e densità
in quello stesso istante assumono
valori infiniti. Ovviamente queste
conclusioni lasciano gli astrofisici
fondamentalmente insoddisfatti e
perplessi.
Ora, la teoria delle superstringhe
sembra poter risolvere queste
contraddizioni e dare una risposta
più precisa e convincente al
problema relativo all’origine
dell’Universo anche se per la verità
la strada da percorrere non solo è
lunga, ma anche accidentata. La
modifica più sostanziale che la
nuova teoria apporta al Modello
cosmologico standard è quella
riguardante le dimensioni che
avrebbe assunto l’Universo
all’inizio dei tempi: esse non
avrebbero potuto ridursi al di sotto
di un valore minimo. La teoria delle
superstringhe in altre parole non
prevede la cosiddetta Singolarità
cioè il fatto che l’Universo possa
ridursi fino ad assumere dimensioni
nulle. L’altro aspetto fondamentale
della teoria è quello relativo alle
dimensioni che non sono più quattro
(come previsto dal Modello standard)
ma ben undici e ciò comporta la
necessità di seguire l’evoluzione
nel tempo di tutte quante queste
dimensioni.
Proprio qualora si segua
l’evoluzione delle molteplici
dimensioni dell’Universo utilizzando
le equazioni contenute nella teoria
delle superstringhe si osserva che
quando queste scendono al di sotto
della lunghezza di Planck, anziché
diminuire ulteriormente, riprendono
a crescere e la temperatura segue di
pari passo la variazione delle
dimensioni dell’Universo: ovvero,
raggiunto un valore massimo, essa
inizia a diminuire.
ulla base dei risultati cui conduce
la teoria delle stringhe sono stati
elaborati alcuni nuovi modelli
cosmologici uno dei quali prevede
l’esistenza di un Universo ciclico
senza un inizio nel tempo e senza
una fine, in un alternarsi
ininterrotto di contrazioni e di
espansioni. Esso sarebbe confinato
entro due membrane tridimensionali
(possiamo immaginare due spessi
cartoncini identici piatti e
paralleli) che evolvono nel tempo
(cioè nella quarta dimensione) e
fluttuano in una quinta dimensione
entro la quale si fa sentire la
forza di gravità mentre le altre
sei, al solito, sarebbero piccole e
arrotolate entro la trama spaziale.
Le particelle che stanno all’interno
delle due membrane evolverebbero in
modo indipendente ma potrebbero
anche interagire attraverso la
particella mediatrice della forza di
gravità, il gravitone, il quale
oltre che agire all’interno della
brana potrebbe passare da un
Universo all’altro movendosi a
spirale intorno ad una delle tante
dimensioni extra. Le particelle di
una delle due membrane si
comporterebbero come materia oscura
per l’altra; inoltre, l’energia
oscura (una forma supplementare di
materia ignota) che nel modello
standard non trovava giustificazione
teorica, nel nuovo modello presenta
un ruolo fondamentale nel guidare
l’espansione accelerata a cui
l’Universo sembra essere soggetto.
Le due membrane possono anche
collidere l’una con l’altra alla
conclusione della lunga fase di
avvicinamento ma subito dopo
rimbalzerebbero e si
allontanerebbero per ritornare
successivamente ad avvicinarsi in un
processo senza fine.
Il problema è ora quello di
verificare se il modello si adatta
bene alla realtà ma la cosa non
sembra semplice anche perché il
modello stesso si poggia su teorie
che a loro volta necessitano di
verifiche sperimentali. Per studiare
le superstringhe in laboratorio
sarebbe necessario disporre di
energie alcuni miliardi di miliardi
di volte maggiori di quelle attuali,
per creare le quali si dovrebbe
costruire un sincrotrone grande
quanto la Galassia.
Tratto da cosediscienza.it
Sintesi:
La M.-Teoria non è ancora completa,
ma la struttura di fondo della
matematica è stata stabilita ed è in
accordo con non solo tutte le teorie
della stringa ma con tutte le nostre
osservazioni scientifiche
dell'universo. Ancora, ha superato
molte prove di consistenza
matematica interna, che molti altri
unire i meccanici e la gravità di
quantum hanno fallito. Purtroppo,
fino a che non possiamo trovare un
senso osservare meccanicamente le
più alte dimensioni (impossibili con
il nostro livello corrente di
tecnologia) la M.-Teoria ha un tempo
molto difficile fare le previsioni
che possono essere esaminate in un
laboratorio. Tecnologicamente, per
esso può mai non essere possibile
“essere risultato.„ Tuttavia, molti
cosmologisti, includendo
Hawking dello Stephen, sono
disegnati alla M.-Teoria a causa
della relative eleganza matematica e
semplicità relativa. Fisico ed
autore bestselling
Michio Kaku ha rilevato che la
M.-Teoria può presentarla con “Teoria
di tutto“che è così conciso che
la relativa formula di fondo si
adattare su un t-shirt.[
Bibliografia:
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ISBN 0393046885, W.W. Norton &
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può essere reperito anche qui:
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- Greene, Brian.
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ISBN 0-393-04688-5, W.W. Norton
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-
Smolin, rifugi. “La difficoltà
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ISBN 0-618-91868-X, Houghton
Mifflin, Mariner 2007
- Witten, Edward.
Magia, mistero e tabella, Avvisi
del AMS, l'ottobre 1998, 1124-1129
- Duff,
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conosciuta come le stringhe„.
L'americano scientifico, il febbraio
1998, pagina 64-69.
Libri
-
Brian Greene ha scritto i libri
che spiegano la teoria e la
M.-teoria della stringa per il
layperson in 1999,
L'universo elegante,
ISBN 0-375-70811-1 e in 2004,
Il tessuto dell'universo,
ISBN 0-375-41288-3.
- Kaku, Michio (1999). Stringhe,
campi Conformal e M.-Teoria. New
York: Springer.
ISBN 0387988920. per
un'introduzione più avanzata.
Collegamenti esterni
-
L'universo elegante - Un
Miniseries di tre ore con
Brian Greene da NOVA (date
originali di radiodiffusione di PBS:
28,8 ottobre - 10 P.m. e 4,8
novembre - 9 P.m., 2003). Vari
immagini, testi, videos ed
animazioni spieganti teoria e
M.-teoria della stringa.
-
Superstringtheory.com - “Il Web
site ufficiale di teoria della
stringa„, generato da Patricia
Schwarz. Riferimenti eccellenti
sulla teoria e sulla M.-teoria della
stringa per il layperson e
l'esperto.
-
Principi fondamentali della
M.-Teoria dal A. Miemiec ed I.
Schnakenburg è una nota di
conferenza sulla M.-Teoria
pubblicata in Fortsch.Phys.54:
5-72.2006.
-
M.-Teoria-Cambridge
-
M.-Teoria-Caltech
-
L'universo elegante - Un
Miniseries di tre ore con Brian
Greene da NOVA.
Fonte: worldlingo.com
