Le superstringhe, o teoria delle superstringhe, sono un campo entusiasmante della fisica a volte chiamato La Teoria del Tutto. Molti pensano che sia la sfuggente spiegazione unificante cercata da Einstein che potesse spiegare tutte le forze conosciute nell’universo.
Fino all’avvento delle superstringhe, gli scienziati avevano due teorie opposte su come si comportavano le leggi della natura: la Teoria della Relatività Generale di Einstein e la Meccanica Quantistica.
La Relatività Generale spiega il mondo come lo conosciamo su una scala piuttosto massiccia. Descrive lo spaziotempo come un tessuto deformato dalla massa che tiene conto dei sistemi orbitali, delle galassie e della forza di gravità. Ma queste leggi si rompono a livello quantistico, dove una particella subatomica non può essere misurata in termini della sua esatta posizione nello spazio in un dato momento. È anche probabile che si muova indietro nel tempo quanto lo è in avanti, e può anche sembrare che si trovi in due posti contemporaneamente. Il mondo dell’infinitamente piccolo è così bizzarro che gli scienziati hanno coniato il termine “stranezza quantistica” per descriverlo.
Il problema per i fisici era trovare una teoria che unisse il mondo che conosciamo con il mondo quantistico. Una spiegazione per spiegare tutte e quattro le forze conosciute: gravità, forze nucleari forti e deboli ed elettromagnetismo. Le superstringhe potrebbero essere quella risposta.
Attraverso equazioni matematiche è diventato ovvio che il modo in cui avevamo precedentemente pensato alle particelle come “punti” o “palline” di energia era impreciso. Questi minuscoli frammenti di materia in realtà si comportavano più come corde che si agitavano e vibravano. Le stringhe sono così piccole che Brian Greene, un fisico e sostenitore, spiega che se un singolo atomo avesse le dimensioni del nostro sistema solare, una stringa avrebbe solo le dimensioni di un albero. Eppure le stringhe costituiscono tutta la materia dal livello quantico in su.
Il modo in cui le stringhe vibrano determina le proprietà specifiche di ogni particella, paragonando l’universo a una sinfonia cosmica di superstringhe. Ma per liberare la teoria dalle anomalie matematiche, erano necessarie sei dimensioni extra. Le sei dimensioni extra formano minuscole forme 6D arricciate in ogni punto del nostro spazio. All’interno di queste forme 6D ci sono le stringhe della teoria delle superstringhe. Le sei dimensioni extra, più le nostre tre, significavano che c’erano davvero 9 dimensioni. Aggiungine un’altra per volta e il totale è di 10 dimensioni. Per quanto sorprendente fosse, non era la fine.
Nel 1995 diverse teorie sulle superstringhe hanno presentato un enigma fino a quando la teoria M non le ha unite. L’unico trucco? La teoria M richiedeva matematicamente un’undicesima dimensione. Ciò ha presentato una nuova immagine delle stringhe per cui, data abbastanza energia, una stringa potrebbe allungarsi per diventare una membrana galleggiante estremamente grande, chiamata in breve brana. Le brane possono avere proprietà dimensionali diverse e crescere tanto quanto un universo. In effetti, secondo la teoria, il nostro intero universo esiste su una brana fluttuante, solo una delle numerose brane fluttuanti che supportano ciascuna il proprio universo parallelo. Ogni brana rappresenta una fetta di uno spazio dimensionale superiore o massa.
Sebbene il Modello Standard degli anni ‘1970 già unisse tre delle quattro forze in una teoria unificata, la gravità non poteva essere riconciliata con le tre forze quantistiche. Ma una svolta nelle superstringhe comprendeva la forza sfuggente della gravità, sussurrando del Santo Graal della fisica. Se un’ipotetica particella senza massa responsabile della trasmissione della gravità – il gravitone – esistesse a livello quantistico come una stringa chiusa, ciò presenterebbe un collegamento gravitazionale diretto con la teoria delle superstringhe.
La teoria prevede che le stringhe possano essere aperte o chiuse. Le stringhe aperte, o le stringhe che assomigliano a piccoli peli che si dimenano, hanno almeno un’estremità “attaccata” alla membrana come un tram è attaccato da un cavo superiore a una linea elettrica. Le stringhe possono muoversi attraverso la brana ma non possono lasciarla, spiegando perché non possiamo fisicamente vedere fuori o raggiungere la nostra dimensione. Gli atomi che compongono i nostri corpi sono composti da stringhe aperte che hanno punti finali attaccati alla nostra membrana 3-D. Un altro modo per vederlo è considerare uno schermo cinematografico. Le persone su uno schermo sembrano essere tridimensionali, ma in realtà non possono raggiungere lo schermo nel nostro mondo 3D. Sono bloccati nel loro mondo 2D, proprio come noi siamo bloccati nel nostro mondo 3D e non possiamo raggiungere le dimensioni vicine. Gli scienziati si riferiscono a questo come gradi di libertà.
Ma il gravitone è diverso. Essendo una stringa chiusa o un anello senza punti finali collegati, è stato teorizzato che potrebbe essere in grado di sfuggire alla nostra brana 3-D e penetrare in altre dimensioni. Questo spiegherebbe perché la gravità è molte volte più debole delle altre forze.
Tuttavia, cosa accadrebbe se fosse vero il contrario? E se la gravità su una brana parallela fosse forte quanto le altre forze, ma qui è più debole perché sta solo filtrando nella nostra dimensione? Matematicamente, la teoria delle superstringhe ha funzionato di nuovo magnificamente e alla fine ha fornito una spiegazione plausibile per la debolezza della gravità mentre la univa con le altre tre forze.
Rimaneva solo un ostacolo: la teoria unificante dovrebbe anche essere in grado di spiegare il Big Bang. Quattro fisici che viaggiavano insieme su un treno hanno affrontato casualmente questo argomento. Uno di loro ha posto la domanda, cosa accadrebbe se due brane si scontrassero? La risposta matematica plausibile si è rivelata essere il Big Bang.
I detrattori della teoria delle superstringhe indicano la mancanza di prove e la difficoltà nel fornirle. È solo un bellissimo costrutto matematico? Una filosofia? O una vera spiegazione del nostro mondo? Nessun’altra teoria si è avvicinata all’unificazione matematica di tutte e quattro le forze, tanto meno a fornire una spiegazione per il Big Bang. Ma dimostrare che esistono altre dimensioni – brane fluttuanti e universi paralleli – è stato un grosso punto critico.
Tuttavia, i credenti dell’elegante teoria sono ansiosi di vederla dimostrata, e da allora gli scienziati hanno scoperto che potrebbero esserci prove osservabili di stringhe astronomicamente grandi. Pertanto, la teoria delle superstringhe continua a guadagnare terreno. Alla fine, in caso di successo, dalle 11 dimensioni agli universi paralleli, dalle galassie vorticose alla zuppa quantistica, le superstringhe potrebbero essere davvero la Teoria del Tutto.