Introduzione alla teoria M - Introduction to M-theory
| Teoria delle stringhe |
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In termini non tecnici, la teoria M presenta un'idea sulla sostanza di base dell'universo . A partire dal 2020, la scienza non ha prodotto prove sperimentali a sostegno del concetto che la teoria M sia una descrizione del mondo reale. Sebbene non sia nota una formulazione matematica completa della teoria M, l'approccio generale è il principale contendente per una " Teoria del tutto " universale che unifichi la gravità con altre forze come l' elettromagnetismo . La teoria M mira a unificare la meccanica quantistica con la forza gravitazionale della relatività generale in modo matematicamente coerente. In confronto, altre teorie come la gravità quantistica a loop sono considerate da fisici e ricercatori/studenti meno eleganti, perché postulano che la gravità sia completamente diversa da forze come la forza elettromagnetica.
Sfondo
Nei primi anni del XX secolo, è stato dimostrato che l' atomo – a lungo ritenuto il più piccolo elemento costitutivo della materia – è costituito da componenti ancora più piccoli chiamati protoni , neutroni ed elettroni , noti come particelle subatomiche . Altre particelle subatomiche iniziarono a essere scoperte negli anni '60. Negli anni '70 si scoprì che protoni e neutroni (e altri adroni ) sono essi stessi costituiti da particelle più piccole chiamate quark . Il Modello Standard è l'insieme di regole che descrive le interazioni di queste particelle.
Negli anni '80 è emerso un nuovo modello matematico della fisica teorica , chiamato teoria delle stringhe . Ha mostrato come tutte le diverse particelle subatomiche conosciute dalla scienza potrebbero essere costruite da ipotetiche "stringhe" unidimensionali, blocchi infinitesimali che hanno solo la dimensione della lunghezza, ma non dell'altezza o della larghezza.
Tuttavia, affinché la teoria delle stringhe sia matematicamente coerente, le stringhe devono trovarsi in un universo di dieci dimensioni . Ciò contraddice l'esperienza secondo cui il nostro universo reale ha quattro dimensioni: tre dimensioni spaziali (altezza, larghezza e lunghezza) e una dimensione temporale. Per "salvare" la loro teoria, i teorici delle stringhe hanno quindi aggiunto la spiegazione che le sei dimensioni aggiuntive esistono ma non possono essere rilevate direttamente; questo è stato spiegato da sofisticati oggetti matematici chiamati varietà di Calabi-Yau . Il numero di dimensioni è stato successivamente aumentato a 11 in base a varie interpretazioni della teoria a 10 dimensioni che hanno portato a cinque teorie parziali, come descritto di seguito. Anche la teoria della supergravità ha giocato un ruolo significativo nello stabilire la necessità dell'undicesima dimensione.
Queste "corde" vibrano in più dimensioni e, a seconda di come vibrano, possono essere viste nello spazio tridimensionale come materia, luce o gravità. È la vibrazione della corda che determina se sembra essere materia o energia, e ogni forma di materia o energia è il risultato della vibrazione delle corde.
La teoria delle stringhe, come descritta sopra, si è imbattuta in un problema: è stata scoperta un'altra versione delle equazioni, poi un'altra e poi un'altra. Alla fine, sono state sviluppate cinque principali teorie delle stringhe. Le principali differenze tra le teorie erano principalmente il numero di dimensioni in cui le stringhe si sviluppavano e le loro caratteristiche (alcune erano anelli aperti, altri erano anelli chiusi, ecc.). Inoltre, tutte queste teorie sembravano essere praticabili. Gli scienziati non erano a loro agio con cinque serie di equazioni apparentemente contraddittorie per descrivere la stessa cosa.
Parlando alla conferenza teoria delle stringhe presso l'University of Southern California nel 1995, Edward Witten del Institute for Advanced Study ha suggerito che le cinque diverse versioni della teoria delle stringhe potrebbero essere descrivendo la stessa cosa vista da prospettive diverse. Propose una teoria unificante chiamata "teoria M ", in cui la "M" non è definita in modo specifico ma è generalmente intesa come "membrana". Sono state rivendicate anche le parole "matrice", "maestro", "madre", "mostro", "mistero" e "magia". La teoria M ha riunito tutte le teorie delle stringhe. Lo ha fatto affermando che le stringhe sono in realtà fette unidimensionali di una membrana bidimensionale che vibra nello spaziotempo a 11 dimensioni . Le vibrazioni di oggetti di dimensioni superiori (come in blob o sfere vibranti tridimensionali o anche più dimensioni possibili) sono certamente una parte della teoria M, ma la teoria di base delle brane è ancora in corso. Gli oggetti a più dimensioni sono molto più difficili da calcolare matematicamente di un punto nella fisica classica o di una stringa unidimensionale nella teoria delle stringhe o delle membrane bidimensionali nella teoria M.
Stato
La teoria M non è completa, ma la matematica dell'approccio è stata esplorata in grande dettaglio. Tuttavia, finora non esiste alcun supporto sperimentale per la teoria M. Alcuni fisici sono scettici sul fatto che questo approccio possa mai portare a una teoria fisica che descriva il nostro mondo reale, a causa di problemi fondamentali.
Tuttavia, alcuni cosmologi sono attratti dalla teoria M a causa della sua eleganza matematica e relativa semplicità, innescando la speranza che la semplicità sia una ragione per cui può descrivere il nostro mondo.
Una caratteristica della teoria M che ha suscitato grande interesse è che predice naturalmente l'esistenza del gravitone , una particella con spin 2 ipotizzata per mediare la forza gravitazionale. Inoltre, la teoria M prevede naturalmente un fenomeno che assomiglia all'evaporazione del buco nero . Teorie dell'unificazione concorrenti come la gravità asintoticamente sicura , la teoria E8 , la geometria non commutativa e i sistemi causali di fermioni non hanno dimostrato alcun livello di coerenza matematica. Un altro approccio alla gravità quantistica è la gravità quantistica a loop , una teoria non unificante; molti fisici considerano la gravità quantistica a loop meno elegante della teoria M perché postula che la gravità sia completamente diversa dalle altre forze fondamentali.
Guarda anche
Riferimenti
Ulteriori letture
- Greene, B. (1999). L'universo elegante: superstringhe, dimensioni nascoste e la ricerca della teoria definitiva . WW Norton . ISBN 978-0-375-70811-4.
- Greene, B. (2004). Il tessuto del cosmo: spazio, tempo e trama della realtà . Alfred A. Knopf . Bibcode : 2004fcst.book.....G . ISBN 978-0-375-41288-2.
- Miemico, A.; Schnakenburg, I. (2006). "Nozioni di base di M-teoria". Fortschritte der Physik . 54 (1): 5-72. arXiv : hep-th/0509137 . Bibcode : 2006ForPh..54....5M . doi : 10.1002/prop.200510256 . S2CID 98007313 .
- Musser, G. (2008). La guida completa dell'idiota alla teoria delle stringhe . Libri Alfa . ISBN 978-1-59257-702-6.
- Smolin, L. (2006). Il problema con la fisica . Houghton Mifflin . ISBN 978-0-618-55105-7.
- Woit, P. (2006). Nemmeno sbagliato: il fallimento della teoria delle stringhe e la continua sfida per unificare le leggi della fisica . Libri di base . ISBN 978-0-465-09275-8.
link esterno
- The Elegant Universe – Una miniserie di tre ore con Brian Greene di NOVA (date di trasmissione PBS originali: 28 ottobre e 4 novembre 2003). Varie immagini, testi, video e animazioni che spiegano la teoria delle stringhe e la teoria M.
- Superstringtheory.com - Il "Sito Web ufficiale sulla teoria delle stringhe", creato da Patricia Schwarz. Ottimi riferimenti sulla teoria delle stringhe e sulla teoria M per il profano e l'esperto.