Trama del cosmo - Tesina

Indice

Premessa

Introduzione

1. Cos’è la teoria delle stringhe............................................................pag 3

1.1 I costituenti fondamentali, indivisibili.....................................pag 6

1.2 I 20 numeri...........................................................................pag 7

1.3 L’applicazione pratica della teoria delle stringhe...................pag 8

1.4 Esperimento al CERN di Ginevra..........................................pag 8

2. Karl Popper............................................................................pag 9

2.1 Deduzione e induzione.............................................................pag 10

3. James Joyce..............................................................................pag 11

La trama del cosmo 8

Verso il futuro....................................................................................pag 12

Premessa

L’idea della mia tesina è nata dopo essermi imbattuta nell’ascolto di una delle tracce musicali più emozionanti degli ultimi anni: il suono delle onde gravitazionali. Mi sono resa conto che l’universo altro non è che una bellissima sinfonia le cui note sono le particelle che lo costituiscono e i direttori di orchestra sono le forze che lo regolano. Ogni particella contiene un filamento che suona, vibra o meglio oscilla come un elastico infinitamente sottile. È proprio questo l’oggetto della mia tesina: la musica suonata dalle cosiddette stringhe.

Introduzione

Uno degli obiettivi principali della scienza è quello di trovare una teoria che riesca ad unificare tutte le equazioni fisiche che conosciamo. Gli scienziati stanno cercando una teoria o una formula capace di fungere da “punto d’inizio” per descrivere tutte le particelle elementari e tutte le forze fondamentali che sono già state precedentemente dimostrate. Ovviamente tale ricerca non è per niente facile, basti pensare che lo stesso Einstein non riuscì

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in questo intento, soprattutto perché deve essere dimostrata senza possibilità di errore per poter essere considerata ufficialmente. Tuttavia oggi i fisici, credono di aver trovato una cornice entro cui sistemare le proprie idee, un’unica teoria che è in grado di descrivere ogni fenomeno: la teoria delle stringhe.

Partiamo da alcuni concetti fondamentali.

Alla base di tutti i fenomeni fisici vi sono quattro forze fondamentali.

• La forza gravitazionale, la quale è responsabile dell’attrazione che la Terra esercita su tutti i corpi sulla sua superficie e della struttura dell’universo.
• La forza elettromagnetica, che oltre a caratterizzare fenomeni di natura elettrica e magnetica, è alla base della maggior parte delle forze macroscopiche. Inoltre tale forza, costituisce il primo esempio di unificazione di forze diverse, quella magnetica e quella elettrica. James Maxwell riuscì ad elaborare una teoria che unifica elettricità e magnetismo nell’elettromagnetismo, descrivendone il comportamento mediante quattro equazioni:

1) Teorema di Gauss per il campo elettrico.

∑ q

i

(Φ E) = ε 0

2) Teorema di Gauss per il campo magnetico.

(Φ B) = 0

Δ

Φ(B)

3) Circuitazione di Legge di Faraday-Lentz

E = - ΔΦ(E) / Δt

i + ε

4) Circuitazione di B = μ 0

0 Δt

¿

• La forza forte o nucleare che tiene uniti tutti i nuclei degli atomi.
• La forza debole che a differenza delle altre non è di legame ma è coinvolta in fenomeni di decadimento radioattivo.

La forza gravitazionale è decine di ordini di grandezza più debole delle altre tre ed è la più familiare, poiché è la forza che ci mantiene in orbita attorno al Sole e ci lascia con i piedi ben piantati per terra. Tutti i corpi dotati di massa non nulla sono soggetti alla forza gravitazionale così come tutti i corpi dotati di carica elettrica sono soggetti alla forza elettromagnetica.

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Inoltre, tutti i fisici hanno cercato di determinare i costituenti fondamentali di tutta la materia, le particelle elementari. Sappiamo infatti che gli atomi non sono i costituenti ultimi, ma sono formati da un nucleo, a sua volta composto da protoni e neutroni, circondato da una nube di elettroni orbitanti. Tuttavia, protoni e neutroni non sono fondamentali: ognuno è formato da tre particelle dette quark. Gli esperimenti hanno dimostrato che i quark si presentano in due varianti battezzate down e up. Tutto ciò che vediamo in cielo, in terra è formato da una combinazione di elettroni, quark up e quark down.

1. Ma cos’è la teoria delle stringhe?

Una delle spiegazioni più efficaci è stata elaborata dal fisico statunitense Brian Greene, uno tra i più importanti studiosi di tale teoria. Nel libro “L’universo elegante”, intitolato il fisico spiega come tutto quello che esiste di meraviglioso nel nostro universo sia il risultato delle vibrazioni di singole unità, ultramicroscopiche stringhe nascoste nella profondità della materia.

La teoria delle stringhe nasce con l’intento di unire i due grandi rami della fisica moderna:

• La relatività generale di Einstein che fornisce un quadro teorico di riferimento dell’universo a grande scala (stelle, galassie, ammassi).
• La meccanica quantistica che ci permette di comprendere l’universo alle scale più piccole (dalle molecole agli atomi, fino alle particelle subatomiche come gli elettroni e i quark).

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Da una parte comanda la forza gravitazionale (G) dall’altra l’elettromagnetismo insieme all’interazione nucleare forte e quella debole (E + S + W). Ma le stesse teorie portano a una conclusione preoccupante: nel modo in cui sono utilizzate oggi, la relatività generale e la meccanica quantistica non possono essere giuste entrambe, sono incompatibili tra di loro.

Questo perché? I fisici studiano oggetti che sono piccoli e leggeri come gli atomi, oppure grandi e pesanti come le galassie. Questo implica che si faccia riferimento alla relatività generale oppure alla meccanica quantistica. Per cinquant’anni si è lavorato in questo modo. Ma nell’universo non esistono componenti che sono solo piccoli e leggeri o grandi e pesanti. Esistono situazioni eccezionali. Per esempio, all’epoca del Big Bang, l’intero universo era letteralmente schizzato fuori da un granello microscopico al cui confronto un granello di sabbia è un colosso.

Ora, qui ci troviamo in presenza di oggetti minuscoli ma allo stesso tempo pesanti, di conseguenza c’è la necessità di utilizzare sia la relatività generale che la meccanica quantistica. Come fare? È proprio in questo caso che la teoria delle stringhe corre in aiuto. Nella teoria delle stringhe i due pilastri della fisica moderna hanno bisogno l’una dell’altra per dare un senso al Tutto.

La nuova teoria è in grado potenzialmente di mostrare che tutti gli affascinanti accidenti dell’universo, dalla danza frenetica dei quark al valzer delle stelle, dalle scintille di fuoco del Big Bang al lento andamento delle galassie, non sono altro che riflessi di una sola equazione fondamentale.