Musica - Tesina per Liceo Classico

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LA  SINFONIA  DEL  TUTTO:  LA  TEORIA  DELLE  STRINGHE    

Tu  sarai  il  quark  e  io  un  leptone.  Se  avessimo  il  coraggio  di  cuocerci  fino  a  un  quadrilione  di  gradi,  la  

scissione,  la  divisione,  la  lacerazione,  la  contusione  finirebbero.  A  questa  temperatura  la  forza  debole  e  

quella  elettromagnetica  si  uniscono.  Un  poco  più  caldo  ancora,  e  la  forza  elettrodebole  e  quella  forte  di  

muovono  insieme  e  appaiono  le  simmetrie  GUT.  E  alla  fine?  Quand’è  che  la  gravità  e  le  GUT  si  uniscono?  

Ascolta:  uno  suona  il  liuto  e  l’altro  l’arpa.  Le  corde  vibrano  e  dalla  musica  delle  sfere  si  forma  un  universo  

perfetto.  Amante  e  amato  si  fondono  l’uno  nell’altra  identificati  dal  suono.  

Jeanette  Winterston,  Simmetrie  amorose  

1.1  Dal  conflitto  all’unificazione  

La   fisica   moderna   pone   le   sue   basi   su   due   grandi   colonne   d’Ercole:   la   relatività   generale   di   Einstein,   che  

fornisce   un   quadro   teorico   di   riferimento   dell'universo   a   grande   scala,   e   la   meccanica   quantistica,   che   ci  

permette  di  comprendere  l'universo  alle  scale  piú  piccole,  entrambe  confermate  sperimentalmente,  con  un  

grado   di   precisione   impensabile.   Ma   le   stesse   teorie,   nel   modo   in   cui   sono   oggi   formulate,   non   possono  

essere  giuste  entrambe.  

Ci  si  potrebbe  chiedere,  e  a  ragione,  perché  questo  non  venga  percepito  come  un  vero  conflitto  non  solo  

dall’opinione   pubblica   (sempre   meno   educata   alla   scienza   e   ai   suoi   progressi)   ma   anche   dalla   stessa  

comunità  “addetta  ai  lavori”;  il  motivo  è  presto  detto:  se  si  esclude  qualche  situazione  eccezionale,  i  fisici  

studiano   oggetti   che   sono   piccoli   e   leggeri   (come   gli   atomi   e   i   loro   componenti),   oppure   grandi   e   pesanti  

(come  le  stelle  e  le  galassie).  Questo  significa  che  ci  si  rivolge  di  volta  in  volta  alla  relatività  generale  oppure  

alla  meccanica  quantistica  e  che  le  proteste  dell’altra  teoria  possono  essere  ignorate.  Nell'universo  esistono  

tuttavia   situazioni   eccezionali:   nel   centro   di   un   buco   nero,   una   massa   enorme   assume   dimensioni  

minuscole,  all'epoca  del  big  bang,  l'intero  universo  è  schizzato  fuori  da  un  punto  microscopico.  In  tali  casi  

siamo   in   presenza   di   oggetti   minuscoli   e   incredibilmente   pesanti,   e   quindi   abbiamo   bisogno   sia   della  

relatività  generale  sia  della  meccanica  quantistica.  Ne  consegue  che  è  necessario  un  livello  di  comprensione  

più   profondo.   O   dobbiamo   forse   concludere   che   l'universo   è   scisso,   a   livello   fondamentale,   e   che   sono  

necessarie   delle   leggi   per   gli   oggetti   grandi   e   delle   altre   leggi   (incompatibili   con   le   prime)   per   quelli   piccoli?  

La   teoria   delle   superstringhe   risponde   con   forza   di   no,   proponendosi   come   una   TOE,   una   Theory   of  

Everything,  capace  di  dare  ragione  di  ogni  cosa  e  che  “ci  rassicurerebbe  per  sempre  sulla  penetrabilità  dei  

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misteri   dell’universo” .   Coniugherebbe,   infatti,   relatività   generale   e   meccanica   quantistica,   che  

sembrerebbero  irrimediabilmente  confliggenti,  in  un’unica  teoria  coerente  che  rivoluzionerebbe  il  concetto  

di  spaziotempo.  

La   prima   menzione   della   teoria   è   rintracciabile   al   1968,   in   un   lavoro   di   Gabriele   Veneziano.   In   seguito   si  

ampliò   grazie   alle   ricerche   di   numerosi   fisici,   in   particolare   il   Veneziano   stesso,   Miguel   Virasoro,   Pierre  

Ramond,  Andrè  Neveu,  John  Schwarz,  Joel  Scherk,  Michael  Green,  Aleksandr  Polyakov  e  David  Gross.  A  un  

certo   punto,   grazie   soprattutto   a   Peter   Townsend,   Joseph   Polchinski   ed   Edward   Witten,   si   procedette   ad  

una  vera  evoluzione  della  teoria  nella  sua  versione  p-­‐brane.  

Dell’abbondanza  dei  condizionali  utilizzati  in  questa  introduzione,  e  che  talvolta  non   potremo  evitare  anche  

nelle  sezioni  descrittive  della  teoria,  parleremo  quando  se  ne  discuteremo  gli  aspetti  epistemologici.  

B.  GREENE,   L’universo  elegante.  Superstringhe,  dimensioni  nascoste  e  la  ricerca  della  teoria  ultima.  

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1.2  Relatività  generale  versus  meccanica  quantistica:  il  paradosso  

Uno   dei   cardini   della   meccanica   quantistica   è   il   principio   di   indeterminazione   di   Werner   Heisenberg,  

formulato   nel   1927.   Esso   afferma   che   non   è   possibile   conoscere   contemporaneamente   la   posizione   e   la  

quantità   di   moto   di   una   particella   con   precisione   arbitraria.   Infatti   qualora   si   cerchi   di   determinare   la  

posizione   di   un   elettrone,   o   di   una   particella   in   generale,   la   sua   quantità   di   moto   aumenta  

indeterminatamente   fino   a   poter   acquisire   una   energia   cinetica   tale   da   dare   origine   a   coppie   “particella-­‐

antiparticella”.  Per  comprendere  questo  straordinario  risultato  della  fisica  moderna  è  necessario  ricordare  

che   esso   è   strettamente   legato   con   la   procedura   osservativa.   Qualunque   misura,   per   quanto   sia   precisa,  

non   può   essere   portata   a   termine   senza   che   l’oggetto   indagato   venga   illuminato.   È   proprio   la   luce   a  

trasportare   ai   nostri   occhi,   o   al   rilevatore   impersonale,   l’informazione   definitiva   della   misura.   A   scale  

“quotidiane”   ciò   non   ci   preoccupa:   le   variazioni   dovute   al   principio   di   indeterminazione   sono   molto   più   che  

trascurabili!   Ma   questa   situazione   cambia   radicalmente   quando   vogliamo,   ad   esempio,   determinare   la  

posizione   di   un   elettrone   “illuminandolo”   con   un’opportuna   radiazione   elettromagnetica;   è   pertanto  

necessario  che  almeno  uno  dei  fotoni  della  radiazione  venga  diffuso  dalla  particella  e  giunga  ai  sensori  del  

rilevatore.   A   questa   scala   la   quantità   di   moto   del   fotone   è   rilevante   rispetto   a   quella   della   particella   e  

nell’urto  gli  trasferisce  una  certa  quantità  di  moto,  modificandone  in  modo  imprevedibile  la  traiettoria.  Ne  

deriva   il   fatto   che,   approdati   a   dimensioni   microscopiche,   possiamo   parlare   della   natura   soltanto   in   termini  

probabilistici,  non  definitivamente  e  assolutamente  “veri”.  

Come   anticipato   nel   paragrafo   1.1,   relatività   generale   e   meccanica   quantistica   lavorano   in   domini   molto  

diversi:  quasi  sempre  una  sola  delle  due  entra  in  gioco;  però,  se  proviamo  a  combinarle,  otteniamo  risultati  

privi  di  senso.  I  paradossi  emergono  nel  momento  in  cui  si  prende  in  considerazione  lo  spazio  vuoto.  

Anche   nella   situazione   più   inerte   immaginabile,   come   in   una   regione   vuota   dello   spazio,   il   principio  

d’indeterminazione   di   Heisenberg   riesce   a   svelare   un’insospettata   e   frenetica   attività   dal   momento   che  

esiste  un  perpetuo  e  convulso  trasferimento  di  quantità  di  moto  anche  in  regioni  vuote.  L’universo  a  scala  

microscopica,  per  la  meccanica  quantistica,  è  dunque  un’area  caratterizzata  da  fluttuazioni  che  coinvolgono  

non   di   meno   il   campo   gravitazionale.   Più   ci   si   avventura   nell’infinitamente   piccolo,   più   risulta   rilevante  

quella   che   Wheeler   chiamò   “schiuma   quantistica”   e,   contemporaneamente,   perdono   di   significato   le  

normali  concezioni  di  spazialità:  destra  o  sinistra,  avanti  o  indietro,  la  stessa  nozione  di  tempo  smarrisce  il  

suo  senso.  

D’altro   canto,   la   relatività   generale,   che   si   applica   a   scale   astronomiche,   ci   mostra   che,   in   assenza   di   massa,  

nel   vuoto   assoluto,   lo   spazio   è   piatto,   mentre,   in   presenza   di   essa   la   curvatura   dello   spazio-­‐tempo   è  

regolare.  

Capiamo   allora   che   è   a   scale   ultramicroscopiche   che   incontriamo   l’incompatibilità   di   fondo   fra   relatività