Teoria delle stringhe

Background

Le introduzioni alla teoria delle stringhe destinate al grande pubblico devono prima di tutto spiegare la fisica. Alcune delle controversie sulla teoria delle stringhe derivano da malintesi sulla fisica. Un malinteso comune anche agli scienziati è la presunzione che una teoria si dimostri vera nella sua spiegazione del mondo naturale ovunque le sue previsioni abbiano successo. Un altro malinteso è che gli scienziati fisici precedenti, compresi i chimici, hanno già spiegato il mondo. Questo porta all'incomprensione che i teorici delle stringhe hanno cominciato a fare strane ipotesi dopo essere stati inspiegabilmente "liberati dalla verità".

Regno classico

Fisica newtoniana

La legge di Newton sulla gravitazione universale (UG), aggiunta alle tre leggi di moto galileiane e ad alcune altre presunzioni, fu pubblicata nel 1687. La teoria di Newton modellò con successo le interazioni tra oggetti di una dimensione che possiamo vedere, una gamma di fenomeni ora chiamati il regno classico. La legge di Coulomb modellò l'attrazione elettrica. La teoria del campo elettromagnetico di Maxwell unificò l'elettricità e il magnetismo, mentre l'ottica emerse da questo campo.

Lavelocitàdella luce è rimasta più o meno la stessa quando è stata misurata da un osservatore che viaggiava nel suo campo, tuttavia, anche se l'aggiunta di velocità ha previsto che il campo fosse più lento o più veloce rispetto all'osservatore che viaggiava con o contro di esso. Così, rispetto al campo elettromagnetico, l'osservatore continuava a perdere velocità. Tuttavia, questo non violava il Principio di relatività di Galileo che dice che le leggi della meccanica funzionano allo stesso modo per tutti gli oggetti che mostrano inerzia.

Per legge d'inerzia, quando non viene applicata alcuna forza ad un oggetto, l'oggetto mantiene la sua velocità, che è velocità e direzione. Un oggetto in movimento uniforme, che è velocità costante in direzione costante, o a riposo, che è velocità zero, sperimenta l'inerzia. Questo mostra l'invarianza galileiana - le sue interazioni meccaniche che procedono senza variazione - anche detta relatività galileiana, poiché non si può percepire se si è a riposo o in moto uniforme.

Teoria della relatività

Relatività speciale

Nel 1905, la teoria speciale della relatività di Einstein spiegò l'accuratezza sia del campo elettromagnetico di Maxwell che della relatività galileiana affermando che la velocità del campo è assoluta - una costante universale - in quanto sia lo spazio che il tempo sono fenomeni locali relativi all'energia dell'oggetto. Così, un oggetto in moto relativo si accorcia lungo la direzione della sua quantità di moto (contrazione di Lorentz), e il suo svolgersi degli eventi rallenta (dilatazione del tempo). Un passeggero sull'oggetto non può rilevare il cambiamento, poiché tutti i dispositivi di misura a bordo di quel veicolo hanno subito una contrazione della lunghezza e una dilatazione temporale. Solo un osservatore esterno che sperimenta il riposo relativo misura l'oggetto in moto relativo da accorciare lungo il suo percorso di viaggio e i suoi eventi rallentati. La relatività speciale ha lasciato la teoria di Newton - che dichiara lo spazio e il tempo come assoluti - incapace di spiegare la gravitazione.

Secondo il principio di equivalenza, Einstein ha dedotto che l'essere sotto gravitazione o l'accelerazione costante sono esperienze indistinguibili che potrebbero condividere un meccanismo fisico. Il meccanismo suggerito era la contrazione progressiva della lunghezza e la dilatazione temporale - conseguenza della densità di energia locale all'interno dello spazio 3D - che stabilisce una tensione progressiva all'interno di un oggetto rigido, alleviando la sua tensione muovendosi verso la posizione di maggiore densità di energia. La relatività speciale sarebbe un caso limitato di un campo gravitazionale. La relatività speciale si applicherebbe quando la densità di energia nello spazio 3D è uniforme, e quindi il campo gravitazionale è scalato uniformemente da un luogo all'altro, per cui un oggetto non subisce alcuna accelerazione e quindi nessuna gravitazione.

Relatività generale

Nel 1915, la teoria generale della relatività di Einstein ha recentemente spiegato la gravitazione con lo spaziotempo 4D modellato come un collettore lorentziano. Il tempo è una dimensione che si fonde con le tre dimensioni dello spazio, in quanto ogni evento nello spazio 2D 3D in orizzontale e 1D in verticale disegna un punto lungo l'asse del tempo 1D. Anche nella vita di tutti i giorni, uno dichiara o implica entrambi. Uno dice o almeno significa: "Incontriamoci all'edificio 123 Main Street che interseca Franklin Street in appartamento 3D il 10 ottobre 2012 alle 21:00". Omettendo o mancando la coordinata temporale, si arriva alla posizione corretta nello spazio quando l'evento ricercato è assente - è nel passato o nel futuro, forse alle 18:00 o alle 12:00.

Facendo convergere spazio e tempo e presumendo entrambi relativi alla densità di energia nelle vicinanze, e impostando l'unica costante o assoluta non come massa, ma come velocità della luce nel vuoto, la relatività generale ha rivelato l'equilibrio e la simmetria del mondo naturale precedentemente inimmaginabile. Ogni oggetto si muove sempre alla velocità della luce lungo una linea retta - il suo equivalente, su una superficie curva, chiamata geodetica o linea del mondo - l'unica via di minor resistenza come una caduta libera attraverso lo spaziotempo 4D la cui geometria "curva" in prossimità della massa/energia.

Un oggetto alla velocità della luce nel vuoto si muove alla massima velocità nello spazio 3D, ma non mostra alcuna evoluzione degli eventi - è congelato nel tempo mentre un oggetto immobile nello spazio 3D scorre completamente lungo il tempo 1D, sperimentando la massima velocità di svolgimento degli eventi. L'universo visualizzato è relativo a una data posizione, ma una volta dichiarata la massa/energia in quella vicinanza, le equazioni di Einstein prevedono ciò che si verifica - o si è verificato o si verificherà - in qualsiasi punto dell'universo. L'idea diffusa che la teoria di Einstein suggerisca che il relativo nella teoria di Einstein sia soggettivo o arbitrario è stata per qualche rammarico di Einstein, che in seguito ha pensato di doverla chiamare teoria generale.

Cosmologia

Le particelle messaggere del campo elettromagnetico, i fotoni, trasportano un'immagine senza tempo attraverso l'universo, mentre gli osservatori all'interno di questo campo hanno abbastanza flusso nel tempo per decodificare questa immagine e reagire muovendosi nello spazio 3D, ma non possono mai superare questa immagine senza tempo. Si pensa che lo stato dell'universo al di sotto dei 400.000 anni dopo il presunto big bang che ha dato inizio al nostro universo venga visualizzato come sfondo cosmico a microonde (CMB).

Nel 1915 si pensava che l'universo fosse interamente quello che oggi chiamiamo la galassia della Via Lattea e che fosse statico. Einstein azionò le sue equazioni del campo gravitazionale recentemente pubblicate e scoprì la conseguenza che l'universo si stava espandendo o restringendo. (La teoria è operabile in entrambe le direzioni e l'invarianza temporale.) Ha rivisto la teoria aggiungendo una costante cosmologica per bilanciare arbitrariamente l'universo. Verso il 1930, i dati telescopici di Edwin Hubble, interpretati attraverso la relatività generale, rivelarono che l'universo era in espansione.

Nel 1916, mentre si trovava su un campo di battaglia della Prima Guerra Mondiale, Karl Schwarzschild azionò le equazioni di Einstein, e la soluzione di Schwarzschild predisse i buchi neri. Decenni dopo, gli astrofisici identificarono un buco nero supermassiccio al centro di forse ogni galassia. I buchi neri sembrano guidare la formazione e la manutenzione delle galassie regolando la formazione e la distruzione delle stelle.

Negli anni '30 si è notato che, secondo la relatività generale, le galassie si disgregano se non sono circondate da materia invisibile che tiene insieme una galassia, e negli anni '70 la materia oscura ha cominciato ad essere accettata. Nel 1998 si è dedotto che l'espansione dell'universo, non rallentando, sta accelerando, indicando una vasta densità di energia - abbastanza per accelerare sia la materia visibile che la materia oscura - in tutto l'universo, un vasto campo di energia oscura. Apparentemente, meno del 5% della composizione dell'universo è noto, mentre l'altro 95% è costituito da materia oscura misteriosa e da energia oscura.

Il regno dei quanti

Strana meccanica

Negli anni '20, per sondare il funzionamento del campo elettromagnetico a minuscole scale di spazio e tempo, è stata sviluppata la meccanica quantistica (MQ). Eppure gli elettroni - le particelle di materia che interagiscono con i fotoni che sono i portatori di forza del campo elettromagnetico - sembravano sfidare completamente i principi della meccanica. Nessuno poteva prevedere la posizione di una particella quantistica da un momento all'altro.

Nell'esperimento della fenditura, un elettrone viaggerebbe attraverso un foro posto di fronte ad esso. Tuttavia, un singolo elettrone viaggerebbe simultaneamente attraverso più fori, indipendentemente dal numero di fori che gli sono stati posti davanti. Il singolo elettrone lascerebbe sulla scheda di rilevazione uno schema di interferenza come se la singola particella fosse un'onda che ha attraversato tutti i fori simultaneamente. Eppure questo si verificava solo quando non era osservato. Se l'evento previsto fosse stato illuminato dalla luce, l'interazione del fotone con il campo avrebbe portato l'elettrone in un'unica posizione.

In base al principio dell'incertezza, tuttavia, non è possibile determinare con certezza l'esatta posizione e la quantità di moto di una qualsiasi particella quantistica. L'interazione della particella con lo strumento di osservazione/misurazione deflette la particella in modo tale che una maggiore determinazione della sua posizione produce una minore determinazione della sua quantità di moto e viceversa.

Teoria dei campi quantizzata

Estendendo la meccanica quantistica in un campo, è emerso uno schema coerente. Da un luogo all'altro, la probabilità che la particella esistente in quel luogo aumenti e diminuisca come un'onda di probabilità - una densità di probabilità che aumenta e diminuisce. Quando non viene osservata, qualsiasi particella quantistica entra in sovrapposizione, in modo tale che anche una singola particella riempia l'intero campo, per quanto grande. Eppure la particella non è sicuramente da nessuna parte nel campo, ma vi è una probabilità definita in relazione al fatto che sia stata o meno nella posizione adiacente. La forma d'onda del campo elettromagnetico di Maxwell è stata generata da un accumulo di eventi probabilistici. Non le particelle, ma la forma matematica, era costante.

L'impostazione del campo a relatività speciale permetteva di prevedere il campo elettromagnetico completo. Nacque così la teoria quantistica relativistica dei campi quantistici (QFT). Del campo elettromagnetico, è l'elettrodinamica quantistica quantistica relativistica (QED). Dei campi deboli ed elettromagnetici insieme, è la teoria elettrodebole relativistica (EWT). Del campo forte, è la cromodinamica quantistica relativistica (QCD). Nel complesso, questo è diventato il Modello Standard della fisica delle particelle.

Divisione in fisica

Quando il Modello Standard è impostato sulla relatività generale per includere la massa, appaiono densità di probabilità dell'infinito. Si presume che ciò non sia corretto, poiché la probabilità normalmente varia da 0 a 1-0% a 100% di probabilità. Alcuni fisici teorici sospettano che il problema sia nel Modello Standard, che rappresenta ogni particella per un punto zero-dimensionale che in linea di principio può essere infinitamente piccolo. Tuttavia, nella fisica quantistica, la costante di Planck è l'unità di energia minima in cui un campo può essere diviso, forse un indizio della dimensione più piccola che una particella può essere. Quindi c'è una ricerca per quantizzare la gravità - per sviluppare una teoria della gravità quantistica.

Concetto

Quadro di riferimento

Congetture di stringhe che su scala microscopica, lo spaziotempo 4D di Einstein è un campo di collettori di Calabi-Yau, ognuno dei quali contiene 6 dimensioni spaziali arricciate, quindi non estese nelle 3 dimensioni spaziali presentate al regno classico. Nella teoria delle stringhe, ogni particella quantistica è sostituita da una stringa 1D di energia vibrante la cui lunghezza è la lunghezza di Planck. Man mano che la stringa si muove, traccia la larghezza, e diventa così 2D, un foglio del mondo. Come una stringa vibra e si muove all'interno dello spazio 6D Calabi-Yau, la stringa diventa una particella quantistica. Con questo approccio, l'ipotetico gravitone, previsto per spiegare la relatività generale, emerge facilmente.

Teorie

La teoria delle stringhe è nata come teoria delle stringhe bosoniche, le cui 26 dimensioni agiscono come molte meno. Eppure questo ha modellato solo i bosoni, che sono particelle di energia, omettendo i fermioni, che sono particelle di materia. Quindi la teoria delle stringhe bosoniche non poteva spiegare la materia. Tuttavia, aggiungendo la supersimmetria alla teoria delle stringhe bosoniche, i fermioni sono stati raggiunti, e la teoria delle stringhe è diventata la teoria delle superstringhe, spiegando anche la materia.

(Nelle versioni della teoria dei campi quantistici che includono la supersimmetria (SUSY), ogni bosone ha un fermione corrispondente, e viceversa. Cioè, ogni particella di energia ha una particella di materia corrispondente, e ogni particella di materia ha una particella di energia corrispondente, ma il partner non osservabile è più massiccio e quindi super. Questi superpartner potrebbero sembrare una previsione stravagante, eppure molti teorici e sperimentatori preferiscono versioni supersimmetriche del Modello Standard, le cui equazioni devono altrimenti essere modificate in modo stravagante e talvolta arbitrario per mantenere il successo predittivo o la coerenza matematica, ma con i superpartner si allineano).

Sviluppi

Insindacabile - non scientifico?

L'affermazione della teoria delle stringhe secondo cui tutte le molecole sono stringhe di energia ha suscitato aspre critiche. Ci sono molte versioni della teoria delle stringhe, nessuna riesce a prevedere con successo i dati osservazionali spiegati dal Modello Standard. La teoria M è ormai nota per avere innumerevoli soluzioni, spesso predicendo cose strane e sconosciute. Alcuni sostengono che i teorici delle stringhe selezionano solo le predizioni desiderate.

L'affermazione secondo la quale la teoria delle stringhe non fa previsioni verificabili è falsa, come fa molti. Nessuna teoria - un modello predittivo e forse esplicativo di qualche dominio dei fenomeni naturali - è verificabile. Tutte le teorie fisiche convenzionali fino a quando il Modello Standard non ha fatto affermazioni su aspetti non osservabili del mondo naturale. Anche il Modello Standard ha varie interpretazioni del mondo naturale. Quando il Modello Standard viene utilizzato, spesso ne viene fatta una versione con supersimmetria, raddoppiando il numero di specie di particelle finora identificate dai fisici delle particelle.

Nessuno può letteralmente misurare lo spazio, eppure Newton ha postulato lo spazio e il tempo assoluti, e la teoria di Newton ha fatto previsioni esplicite, altamente testabili e di successo predittivo per 200 anni, ma la teoria è stata ancora falsificata come esplicativa della natura. I fisici accettano che non esiste una forza così attraente che attragga direttamente la materia alla materia, per non parlare del fatto che la forza attraversa l'universo all'istante. Tuttavia, la teoria di Newton è ancora paradigmatica della scienza.

Dimensioni nascoste?

L'idea della dimensionalità nascosta dello spazio può sembrare occulta. Alcuni teorici della gravità quantistica ad anello - un contendente alla teoria quantistica delle stringhe - considerano la gravità quantistica come fondamentalmente fuorviante, presumendo che lo spazio abbia una forma fino a quando le particelle non la modellano. Cioè, non dubitano che lo spazio assuma varie forme, considerano semplicemente le particelle come se determinassero la forma dello spazio, non il contrario. Il vortice spazio-temporale previsto dalla relatività generale è apparentemente confermato.

Se interpretato come naturalmente vero, il Modello Standard, che rappresenta una particella quantistica come punto 0D, indica già che lo spazio-tempo è un mare di forme roteanti, schiuma quantistica. I teorici delle stringhe tendono a credere che la natura sia più elegante, una credenza che il teorico del loop Lee Smolin definisce romantica, mentre usa la Sintesi Moderna della biologia come un espediente retorico. Gli esperimenti per individuare dimensioni spaziali aggiunte sono finora falliti, ma c'è ancora la possibilità che ne emergano i segni.

Tante soluzioni?

La teoria M ha molti miliardi di soluzioni. Leonard Susskind, un leader della teoria delle stringhe, interpreta la plasticità delle soluzioni della teoria delle stringhe come un supporto paradossale che risolve il mistero del perché questo universo esiste, come mostra la teoria M, ma una variante di uno schema generale che risulta sempre approssimativamente.

La relatività generale ha portato molte scoperte che nel 1915 erano tutt'altro che inimmaginabili se non nella finzione. Una soluzione delle equazioni di Einstein che cercava di spiegare la dinamica delle particelle quantistiche, il ponte di Einstein-Rosen prevede una scorciatoia che collega due punti lontani nello spazio-tempo. Comunemente chiamato un wormhole, il ponte di Einstein-Rosen è dubitato ma non smentito, dimostrando che non tutte le conseguenze di una teoria devono essere accurate o che la realtà è piuttosto bizzarra in modi non osservabili.

Molti mondi

Anche il Modello Standard della fisica delle particelle suggerisce possibilità bizzarre che i racconti populisti della scienza omettono o citano come curiosità inspiegabili. La teoria riceve convenzionalmente l'interpretazione di Copenhagen, secondo la quale il campo è solo possibilità, nessuna reale finché un osservatore o uno strumento non interagisce con il campo, la cui funzione d'onda poi collassa e lascia solo la sua funzione di particella, essendo reali solo le particelle. Tuttavia, il collasso della funzione d'onda è stato semplicemente ipotizzato - non è stato né confermato sperimentalmente né modellato matematicamente - e non è stata trovata alcuna variazione rispetto alla funzione d'onda nel regno quantistico o alla funzione delle particelle nel regno classico.

Nel 1957 Hugh Everett ha descritto la sua interpretazione dello "stato relativo". Everett sosteneva che la funzione d'onda non collassa, e poiché si presume che tutta la materia e le interazioni siano costruite a partire da particelle d'onda quantistiche, tutte le possibili variazioni del campo quantistico - indicate dalle equazioni matematiche - sono reali e si verificano simultaneamente, ma in un corso della storia diverso. Con questa interpretazione, qualsiasi cosa interagisca con il campo si unisce allo stato del campo che è relativo allo stato dell'osservatore - esso stesso una forma d'onda nel proprio campo quantico - mentre i due semplicemente interagiscono in una forma d'onda universale che non collassa mai. Ormai, l'interpretazione di molti fisici dell'apparente transizione dal mondo quantistico a quello classico non è il collasso della funzione d'onda, ma la decoerenza quantistica.

In decoerenza, un'interazione con il campo porta l'osservatore in una sola costellazione determinante del campo quantico, e quindi tutte le osservazioni si allineano con quel nuovo stato quantico combinato. La tesi di Everett ha ispirato l'interpretazione di Molti mondi, per cui all'interno del nostro universo sono previsti mondi paralleli virtualmente o potenzialmente infiniti che sono reali, ma ognuno a una distanza minima dagli altri mondi. Poiché la forma d'onda di ogni mondo è universale - non collassa - e le sue relazioni matematiche sono invarianti, i mondi paralleli semplicemente riempiono le lacune e non si toccano.

Molti universi

Einstein dubitava che i buchi neri, come previsto dalla soluzione di Schwarzschild, fossero reali. Alcuni ora ipotizzano che i buchi neri non esistano in quanto tali, ma siano energia oscura, o che il nostro universo sia sia un buco nero che energia oscura. La soluzione di Schwarzschild delle equazioni di Einstein può essere estesa al massimo per prevedere un buco nero che ha un lato opposto - un altro universo che emerge da un buco bianco. Forse il big bang del nostro universo è stato la metà di un grande rimbalzo, qualcosa è crollato fino a diventare un buco nero, e il nostro universo è uscito dall'altra parte come un buco bianco.

Le particelle sono stringhe?

I fisici dubitano ampiamente che le particelle quantistiche siano veramente punti 0D come rappresentato nel Modello Standard, che offre dispositivi formalistici-matematici i cui tratti predicono fenomeni di interesse su input di dati - non l'interpretazione dei meccanismi che determinano tali fenomeni. Tuttavia i teorici delle stringhe tendono a congetturare ottimisticamente che le stringhe siano al tempo stesso reali ed esplicative, non solo dispositivi predittivi. È ben oltre la capacità degli acceleratori di particelle odierni di spingere qualsiasi particella di sonda a livelli di energia abbastanza alti da superare l'energia di una particella quantistica e determinare se si tratta di una stringa. Eppure questa limitazione esiste anche per testare altre teorie sulla gravitàquantistica. Gli sviluppi suggeriscono altre strategie per "osservare" la struttura delle particelle quantistiche.

Paradossalmente, anche se i test hanno confermato che le particelle sono stringhe di energia, questo ancora non dimostrerebbe in modo conclusivo nemmeno che le particelle sono stringhe, poiché potrebbero esserci altre spiegazioni, forse una deformazione inaspettata dello spazio anche se la particella era un punto 0D di vera solidità. Anche quando le previsioni hanno successo, ci sono molte possibili spiegazioni - il problema della sottodeterminazione - e i filosofi della scienza così come alcuni scienziati non accettano nemmeno un successo predittivo impeccabile come verifica delle spiegazioni della teoria di successo, se queste vengono poste come una sorta di realismo scientifico, una vera descrizione del mondo naturale.

La materia è energia?

Parlare di fisici delle particelle che testano le particelle previste dai fisici teorici attraverso la collisione di particelle negli acceleratori suggerisce che le particelle quantistiche sono minuscole particelle newtoniane che gli sperimentatori aprono per rivelare la loro struttura. Invece, quando due particelle, ciascuna di una certa massa misurata in termini di energia come elettronvolt, sono in collisione, possono combinarsi in una particella di quella massa/energia combinata, e la particella generata viene "osservata" per la corrispondenza con la previsione.

Non è controverso tra i fisici che tutte le particelle siano energia. I teorici del loop, a volte in rivalità con la teoria delle stringhe, sostengono che lo spazio-tempo stesso si converte in particelle. Il fatto che la materia sia una variante speciale dell'energia è una conseguenza della teoria speciale della relatività di Einstein, e quindi Einstein ha formalizzato l'equivalenza massa-energia, E=mc2. Quando fotoni sufficientemente energetici si scontrano, possono combinare e generare la creazione di materia-materia. Tutte le particelle hanno antiparticelle, e gli atomi della materia hanno antiatomi di antimateria, la cui unione annulla le particelle e la materia lasciando energia.

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Uno sviluppo ispiratore è la scoperta della simmetria a specchio, per cui gli spazi di Calabi-Yau tendono a venire in coppia in modo tale che soluzioni precedentemente difficili all'interno della modalità vibrazionale estrema di una stringa possono essere risolte attraverso la geometria dello spazio Calabi-Yau a specchio nella sua gamma opposta.

La teoria delle stringhe è solitamente risolta attraverso la teoria dei campi conformali, una teoria dei campi quantistici sullo spazio 2D. È confermato che le molecole possono collassare in 2D. E l'elettrone, a lungo ritenuto una particella elementare, si scinde apparentemente in tre entità che trasportano separatamente i tre gradi di libertà dell'elettrone quando le molecole che contengono gli elettroni sono incanalate attraverso un percorso 1D.