Teoria delle stringhe - Tesina

Liceo scientifico statale “Le Filandiere”

5^E - PNI

Tesina di maturità

La teoria delle stringhe

Maturanda:

Genny Rinaldi ANNO ACCADEMICO 2011/2012

Indice

1. Linee generali

1.1 Legati da una stringa

1.2 I tre conflitti

1.3 L’universo microscopico: cosa sappiamo della materia

1.4 La teoria delle stringhe come Teoria del Tutto

2. La relatività di Einstein

2.1 La relatività ristretta

2.2 La relatività generale

2.2.1 Accelerazione e curvatura dello spazio

3. La meccanica quantistica

3.1 I quanti di Planck

3.2 Il principio di indeterminazione

4. Lo scontro tra relatività generale e fisica quantistica

5. Le basi della teoria delle superstringhe

5.1 Brevi cenni storici

5.2 Le stringhe

6. Gravità e meccanica quantistica nella teoria delle stringhe

7. M-teoria

8. Conclusioni

1. Linee generali

1.1 Legati da una stringa

La fisica moderna basa le sue fondamenta su due pilastri:

• La relatività generale di Einstein: fornisce un quadro generale di riferimento dell’universo a grande scala.
• La meccanica quantistica: fornisce un quadro generale di riferimento dell’universo a scale più piccole.

Nel modo in cui attualmente queste teorie sono formulate non possono essere giuste entrambe in quanto incompatibili tra loro. L’infelice matrimonio delle due teorie fornisce risposte prive di senso a domande scientifiche perfettamente sensate. Bisogna, dunque, concludere che l’universo sia scisso e che siano necessarie delle leggi per descrivere oggetti grandi e delle altre leggi per descrivere oggetti più piccoli?

La teoria delle superstringhe risponde con forza di no. In questa teoria, meccanica quantistica e relatività generale hanno bisogno l’una dell’altra per dare senso al tutto: il loro matrimonio non è solo felice, ma inevitabile.

1.2 I tre conflitti

Il conflitto tra relatività generale e meccanica quantistica non è solo che il terzo di una serie di scontri radicali avvenuti nel Novecento, ognuno dei quali ha portato a una sorprendente revisione del nostro modo di vedere l’universo.

Il primo conflitto, individuato già nell’Ottocento, riguarda le caratteristiche sconcertanti della luce. Secondo le leggi newtoniane del moto è possibile raggiungere la velocità di un raggio di luce, secondo quelle dell’elettromagnetismo di Maxwell ciò è impossibile. La faccenda fu risolta da Einstein tramite la teoria della relatività ristretta, secondo cui spazio e tempo non sono più due concetti universali, ma costruzioni elastiche, le cui forme dipendono dallo stato di moto di chi le esperisce.

La teoria della relatività ristretta porta a un secondo conflitto. Secondo la teoria, nessun oggetto può viaggiare più veloce della luce. Ma nella teoria newtoniana della gravitazione, si parla di forze che si trasmettono istantaneamente attraverso vaste estensioni spaziali. Anche stavolta questo problema fu risolto da Einstein con la teoria della relatività generale in cui spazio e tempo non sono solo influenzati dallo stato di moto dell’osservatore, ma si possono “piegare” e “curvare” in risposta alla presenza di massa ed energia.

Nei primi trent’anni del Novecento nacque la meccanica quantistica. Il terzo conflitto si ha nella sua incompatibilità con la relatività generale. Un tentativo di soluzione lo si ha con la teoria delle stringhe. Anche questa teoria sarà rivoluzionaria; ad esempio tutti danno per scontato che l’universo abbia soltanto tre dimensioni spaziali, mentre secondo questa nuova teoria sono presenti più dimensioni di quante se ne possano vedere.

1.3 L’universo microscopico: cosa sappiamo della materia

Gli antichi Greci sostenevano che la materia di cui l’universo è composto fosse costituita da minuscole parti indivisibili, che denominarono atomi (“non tagliabili”). Nell’Ottocento questa idea si mantenne, ma gli atomi vennero considerati “tagliabili”. Agli inizi degli anni trenta del nostro secolo Thomson, Bohr, Rutherford e Chadwick consolidarono il familiare modello di atomo: gli atomi non sono costituenti ultimi, ma sono formati da un nucleo, il quale è costituito a sua volta da protoni e neutroni, circondato da una nube di elettroni orbitanti.

Alla fine degli anni trenta, i fisici che studiavano i raggi cosmici scoprirono il muone, una particella identica all’elettrone, ma con massa 200 volte maggiore. A metà degli anni cinquanta, Cowan e Reines dimostrarono la presenza di un quarto tipo di particella fondamentale detta neutrino. Un neutrino può passare agevolmente attraverso miliardi di chilometri di piombo senza subire alcun effetto.

Nel 1968, nell’acceleratore lineare di Stanford, si scoprì che protoni e neutroni fossero formati da tre particelle dette quark, che si presentavano in due varietà: up e down. Un protone è formato da due quark up e un quark down, un neutrone è formato da due quark down e un quark up.

Tramite tecniche sempre più avanzate, i fisici scoprirono quattro altri quark – rispettivamente charm, strange, top e bottom – un altro cugino pesante dell’elettrone detto tau, e due particelle simili al neutrino chiamate neutrino muonico e neutrino tau (per distinguerle dal neutrino, ribattezzato neutrino elettronico). Ad ognuna di queste particelle corrisponde un’antiparticella.

Quando materia e antimateria vengono a contatto possono annichilirsi e creare energia, per questo c’è così ben poca antimateria in giro nel nostro mondo.

1.4 La teoria delle stringhe come Teoria del Tutto