Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Nel 1942 Albert Einstein scriveva: «Sono diventato un vecchio solitario, esibito come un fenomeno nelle occasioni speciali». Fu lontano dagli ambienti scientifici che Einstein passò gli ultimi 30 anni della sua vita, ossessionato dalla ricerca di una teoria capace di spiegare l’universo intero: dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande. La necessità di una Teoria del Tutto nasceva dall’insanabile conflitto fra le leggi della meccanica quantistica e le equazioni della relatività generale. Per più di 50 anni si era vissuti fingendo di non vedere che ciò che era vero su scala astronomica (dove valevano le leggi di Einstein) smetteva di avere senso quando si indagava l’universo al microscopio: per evitare il problema bastava studiare le stelle senza guardare gli atomi e viceversa. Ma quando ci si trovò a dover spiegare situazioni estreme, come la nascita dell’universo, quella che era sembrata un’aspirazione filosofica divenne un’esigenza concreta. Studiare la genesi del cosmo tenendo conto delle fluttuazioni quantistiche (la materia, addirittura il vuoto, brulicano di vita se viste in profondità) è possibile solo fino a un certo punto del mondo subatomico: per la precisione, fino a 10-33 cm, ovvero un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro, la lunghezza di Planck. Poi tutti i concetti basilari perdono di validità: quello che possiamo dire è solo ciò che «probabilmente potrà accadere». Oggi, dopo quasi vent’anni di ricerche, sono in molti a proporre la Teoria delle Stringhe come miglior candidata a diventare la Teoria del Tutto. Se potessimo analizzare le particelle più elementari dell’universo - ma la tecnologia ancora non ce lo permette - troveremmo che non sono puntiformi come finora si credeva: ogni particella contiene un filamento unidimensionale che vibra come un elastico infinitamente sottile (da qui il nome di stringa). Insomma, l’ingrediente fondamentale della materia non sono gli atomi o altre misteriose particelle subatomiche, ma stringhe fluttuanti che, combinate, formano tutti gli oggetti di cui abbiamo esperienza. Tutte le diverse proprietà della materia non sono altro che il riflesso dei modi in cui una stringa vibra (come i diversi suoni emessi da una corda di violino), la massa stessa degli elementi dipende dall’energia di tali vibrazioni. Brian Green, docente di fisica alla Columbia University, descrive l’universo come «la musica suonata dalle stringhe fondamentali»; Edward Witten, uno dei padri della nuova teoria, la definisce «un pezzo di fisica del XXI secolo che per caso si è trovato nel XX». Tra il 1984 e il 1986 vennero pubblicati più di mille articoli sulle stringhe, furono anni di entusiastiche ricerche e desolanti fallimenti. Negli anni ’90, quelli della Seconda Rivoluzione delle Superstringhe, Witten comprese che alla teoria occorrevano altri ingredienti: non solo stringhe, ma membrane (brane) bidimensionali, tridimensionali e altre ancora. La teoria delle stringhe, più di tante altre, fa vacillare un principio finora considerato irrinunciabile: il numero delle dimensioni dell’universo. Tutti sappiamo che per individuare un evento dal punto di vista fisico basta dire dove e quando è successo: abbiamo bisogno di quattro numeri, tre per le coordinate spaziali (latitudine, longitudine, altezza), una a determinare il tempo. Perciò siamo soliti dire che viviamo in un universo a quattro dimensioni. LA QUINTA DIMENSIONE Nel 1919 il polacco Theodor Kaluza ipotizzò per primo che forse le dimensioni sono più di quattro. Pensiamo a un corda tesa con una formica che vi cammina sopra: se la guardiamo da lontano, vediamo che l’animaletto si muove lungo un’unica dimensione verso una delle due estremità; ma se avessimo un binocolo potentissimo riusciremmo a osservare che in realtà si sposta anche lungo lo spessore circolare della corda. Questo per dire che le dimensioni spaziali sono di due tipi: grandi, evidenti, estese; piccole, arrotolate, difficili da scorgere (compattificate). Cosa vieta di immaginare che anche nell’universo esistano altre dimensioni compattificate oltre a quelle sperimentabili? Kaluza, con il collega Oskar Klein, aggiunse solo una dimensione spaziale, «piccola e arrotolata», alle tre già note: l’esistenza di un’ulteriore dimensione temporale risultava logicamente impossibile. La dimensione aggiuntiva fu trascurata per almeno 50 anni, forse perché Kaluza fu troppo cauto: non andava aggiunta una sola dimensione, ma molte di più. La Teoria delle Superstringhe elaborata nell’84, infatti, arriva a ipotizzare che oltre alle tre dimensioni ne esistano almeno altre sei. Insomma, affinché tutto torni dal punto di vista matematico, le stringhe devono vibrare in sei extra-dimensioni arrotolate: il nostro è un universo, tempo compreso, a dieci dimensioni. Di recente Ed Witten è arrivato a contarne 11: dieci spaziali più una temporale. Delle 10 dimensioni spaziali, le 7 di cui non abbiamo esperienza sono state descritte con complicate equazioni matematiche. Nessuno sa ancora spiegare perché di queste dieci dimensioni solo tre siano estese (quelle che conosciamo). Qualcosa in più si sa sulla loro forma. Philip Candelas dell’Università del Texas e Gary Horowitz dell’Università della California hanno scoperto che lo spazio di Calabi-Yau, teorizzato da due ricercatori come uno dei modelli teorici di spazio a più dimensioni, soddisfa tutti i vincoli necessari: con l’inevitabile limite che stiamo disegnando un oggetto a 7 dimensioni su un foglio di carta che ne ha due. Ma allora dobbiamo immaginare che in ogni punto dello spazio esistano sei dimensioni strettamente avvolte a formare questi strani oggetti. Quindi, se spostiamo una mano in aria, non ci muoviamo solo lungo le tre dimensioni estese, ma anche in quelle invisibili. Con un semplice gesto abbiamo viaggiato attraverso le extra dimensioni arrotolate in uno spazio di Calabi-Yau. Ma siccome sono microscopiche (la loro estensione è vicina alla lunghezza di Planck) non possiamo percepirle. La maggior parte dei fisici ha passato gli ultimi dieci anni a studiare la struttura dell’universo alla luce delle nuove scoperte. Si è arrivati a formulare cinque varianti della teoria delle stringhe, «cinque finestre diverse sul medesimo paesaggio». Dopo discussioni e sperimentazioni, si è accettato di unificarle in un’unica teoria, la M-Teoria: M sta per Mistero, Madre, o Membrane. L’universo allora è una struttura a 11 dimensioni (di cui sette arrotolate) con stringhe e membrane oscillanti. Ma non è tanto la descrizione della realtà attuale a stimolare gli scienziati, quanto la spiegazione della nascita dell’universo, avvenuta in condizioni estreme di energia, temperatura e densità. A 15 anni dalla scoperta della relatività generale, Aleksandr Fridman, per spiegare l’origine dell’universo, aveva proposto il Big Bang costruendo il Modello Standard. Circa 15 miliardi di anni fa tutto lo spazio e la materia, compressi in un punto con densità e temperatura enormi (miliardi di volte la temperatura interna del Sole), cominciarono a espandersi in seguito a un’esplosione. Dopo poche frazioni di secondo, il plasma cosmico, raffreddandosi, cominciò a formare grumi, gorghi e addensamenti e l’universo divenne trasparente: nacquero i primi atomi elettricamente neutri, e visto che i fotoni reagiscono solo con gli atomi carichi tutto doveva apparire come una coltre nebbiosa. Solo a un miliardo di anni dal Big Bang si formarono le prime galassie, i pianeti e le stelle. Questo modello fu per decenni l’unico accettato. Nel 1979, Alan Guth propose il modello inflazionario: dopo il Big Bang, l’universo attraversò una breve fase di espansione rapidissima per poi continuare più lentamente. IL GRANELLINO DI PLANCK Con la Teoria delle stringhe, la nascita dell’universo è raccontata diversamente. In principio, tutte e 11 le dimensioni sono arrotolate in un granellino esteso quanto la lunghezza di Planck (e non nel punto unico del Modello Standard): la temperatura e l’energia, pur elevate, non sono infinite e tutte le dimensioni sono simmetriche. Dopo il Big Bang, in una frazione minuscola di secondo, tre dimensioni cominciano a srotolarsi. Più le tre si espandono, minore è la probabilità che se ne espandano altre: le tre dimensioni evolvono a formare una membrana (brane) su cui si genera l’universo osservabile. Questo nuovo modello, chiamato ekpyrotico (termine usato dai filosofi stoici per esprimere la distruzione e creazione ciclica attraverso il fuoco) ipotizza il seguente scenario: la collisione (Big Clap) di due brane che si sono poi unite ha dato origine al nostro universo. Una variante di questo modello ipotizza che dopo la collisione le due brane non si siano unite, ma abbiano rimbalzato l’una contro l’altra: su una si è sviluppato l’universo, l’altra è rimasta separata. Da qui l’ipotesi che un giorno, in un ciclo di nuove collisioni e rimbalzi, si possano creare nuovi universi. Giusy Cinardi

GIUSY CINARDI