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La teoria delle superstringhe

di Gaia Del Mauro

Secondo il Modello Standard, che ad oggi spiega e comprende la struttura e le caratteristiche della materia, i costituenti elementari della materia sono puntiformi e non hanno struttura interna. Il modello è assai utile, ma:

·         non comprende la gravità (i gravitoni non sono mai stati osservati sperimentalmente)

·         se ci occupiamo di dimensioni inferiori alla lunghezza di Planck, non riesce a incorporare la relatività generale a causa delle violente fluttuazioni quantistiche.

·         non è in grado di fornire una spiegazione sulle proprietà delle particelle elementari, perché si rifà a dati sperimentali forniti alla teoria.

 

La teoria delle superstringhe sembra costituire la soluzione del problema:

  • la relatività generale diviene compatibile con la meccanica quantistica

  • le particelle elementari che costituiscono la materia non sono puntiformi, ma sottili filamenti unidimensionali, che vibrano continuamente. Questi “elastici” sono così microscopici (le dimensioni corrispondono in media alla lunghezza di Planck, ossia 1020 volte più piccole di un nucleo atomico) che sembrano puntiformi.

 

Di cosa sono fatte queste stringhe?

Esistono due diverse ipotesi a riguardo:

  • le stringhe sono fondamenti, “atomi” (cioè “indivisibili”, nel senso letterale con cui lo intendevano gli antichi Greci). Come costituenti più piccole di tutto quanto, la questione della loro composizione è senza senso: una stringa è solo una stringa, non può esser costituita da qualche sostanza.

  • potrebbe darsi che le stringhe siano costituite da elementi ancora più piccoli (la teoria potrebbe non esser definitiva).

 

Nucleo della teoria:

La stringa è come una corda di violino, che può oscillare secondo infiniti modi di vibrazione in cui c’è un numero finito di creste (o ventri) nella loro estensione spaziale.

Diversi modi di vibrazione di una stringa fondamentale danno origine a varie masse e a varie cariche.

Secondo la teoria, le proprietà delle particelle elementari (la loro massa e la loro carica) sono determinate dal modo di vibrazione della loro stringa interna.

L’energia di un particolare modo di vibrazione dipende dalla lunghezza d’onda: minore è questa, maggiore è l’energia. Grazie alla relatività ristretta sappiamo che E = mc2, cioè energia e massa sono due facce della stessa medaglia: a maggiore energia corrisponde maggiore massa. Le particelle pesanti hanno dunque stringhe che oscillano violentemente, particelle leggere stringhe che oscillano dolcemente.

Inoltre, uno tra i diversi modi di vibrazione possibili ha esattamente le stesse proprietà del gravitone: anche la gravità è spiegata.

Le proprietà osservabili di tutte le particelle elementari derivano dal fatto che le loro stringhe interne hanno particolari modi di vibrazione.

Prima, per spiegare le differenze fra le particelle si sosteneva che erano “fatte in modo diverso”.

Ora, la materia di cui sono fatte le forze e le particelle è sempre la stessa. Ogni particella è una stringa,  e tutte le stringhe sono assolutamente identiche. Le differenze visibili sorgono a causa dei diversi modi di vibrazione di queste stringhe.

Quindi, se riuscissimo a stabilire quali sono i modi di vibrazione permessi, saremmo in grado di spiegare perché le particelle elementari hanno le proprietà sperimentalmente osservate.

 

Ecco come la teoria pacifica il conflitto fra relatività generale e meccanica quantistica

Un modo per conoscere la struttura di un oggetto consiste nel lanciargli contro altri oggetti e osservare come e quanto questi rimbalzano.

La dimensione della particella di prova costituisce il limite minimo di dettaglio della nostra investigazione: con sonde sempre più piccole, si ottengono informazioni sempre più dettagliate.

Per quanto riguarda il mondo atomico e subatomico, le sonde usate sono protoni ed elettroni (una particella di prova, per servire a qualcosa, non può essere più grande di ciò che si vuole esaminare).

Particelle puntiformi di maggiore energia hanno più potere penetrante, e quindi sono in grado di descrivere strutture più fini, cioè sonde migliori.

Al contrario, aumentare l’energia di una stringa per sondare strutture più piccole della lunghezza di Planck non migliora la sua capacità di sonda, ma fa diventare la stringa più grossa (E = mc2), il che diminuisce la sua capacità di sonda.     

Ciò significa che non c’è modo per usare le stringhe per sondare i fenomeni che avvengono a scale inferiori alla lunghezza di Planck.

Dobbiamo anche ricordare che il conflitto fra relatività generale e meccanica quantistica nasce proprio a causa di ciò che avviene a queste scale. Se i costituenti elementari della materia non sono in grado di sondare ciò che avviene in dimensioni minori della lunghezza di Planck, allora non possono esser toccati dalle fluttuazioni quantistiche ultramicroscopiche.

Possiamo infine affermare che la prevista agitazione alle scale inferiori alla lunghezza di Planck non esiste: qualcosa esiste solo se può essere rilevato e misurato. Se supponiamo che la stringa sia il costituente più elementare dell’universo e che essa sia troppo grossa per accorgersi di un certo fatto, questo fatto non può esser misurato e dunque non esiste.

Concludendo, secondo la teoria delle stringhe le violente fluttuazioni della trama spaziale alle scale inferiori alla lunghezza di Planck non esistono.

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