L' Universo Elegante
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
B. Greene L’UNIVERSO ELEGANTE Teoria delle stringhe Prefazione Parte prima I limiti della conoscenza I. Legati da una stringa Parte seconda Spazio, tempo e quanti: il dilemma II. Spazio e tempo nell'occhio di chi guarda III. Curve e pieghe IV. Stranezze microscopiche V. Ci vuole una teoria nuova: relatività generale contro meccanica quantistica Parte terza La sinfonia del cosmo VI.Nient'altro che musica: le basi della teoria delle superstringhe VII. Il « super » delle superstringhe VIII. Dimensioni che l'occhio non vede IX. Tracce fresche: le prove sperimentali Parte quarta La teoria delle stringhe e la costruzione dello spaziotempo X. La geometria quantica XI. Lo spazio si strappa XII. Oltre le stringhe: alla ricerca della M-teoria XIII. Buchi neri: una nuova prospettiva XIV. Riflessioni sulla cosmologia Parte quinta L'unificazione nel ventunesimo secolo XV. Il futuro Glossario dei termini scientifici Riferimenti bibliografici e suggerimenti per ulteriori letture Indice analitico Capitolo Primo Legati da una stringa Parlare di una congiura del silenzio sarebbe certo eccessivo; tuttavia per piú di cinquant'anni - anche nel bel mezzo delle piú grandi realizzazioni scientifiche della storia - i fisici sapevano che una nuvola nera si stava addensando all'orizzonte della loro scienza, e non ne volevano parlare. Il problema è presto detto. I pilastri su cui si basano le fondamenta della fisica moderna sono due: la relatività generale di Einstein, che fornisce un quadro teorico di riferimento dell'universo a grande scala (stelle, galassie, ammassi, fino alle immense estensioni dell'intero universo); e la meccanica quantistica, che ci permette di comprendere l'universo alle scale piú piccole (dalle molecole agli atomi, fino alle particelle subatomiche come gli elettroni e i quark). In anni e anni di ricerche, praticamente tutte le previsioni di queste due teorie sono state confermate sperimentalmente, con un grado di precisione impensabile. Ma le stesse teorie portano inesorabilmente a una conclusione preoccupante: nel modo in cui sono oggi formulate, la relatività generale e la meccanica quantistica non possono essere giuste entrambe. Le due teorie responsabili del progresso straordinario della fisica nell'ultimo secolo, le teorie che spiegano l'espansione dei cieli e la struttura della materia, sono incompatibili tra loro. Se questa notizia vi giunge nuova, forse vi chiederete perché non viene divulgata. La risposta è facile. 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 rivolgiamo di volta in volta alla relatività generale oppure alla meccanica quantistica, e che possiamo dare uno sguardo furtivo all'altra teoria, ignorando le sue vibranti proteste. Per cinquant'anni si è lavorato così, quasi in uno stato di beata ignoranza. Ma nell'universo esistono 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 bruscolino microscopico, al cui confronto un granello di sabbia è un colosso. Qui siamo in presenza di oggetti minuscoli e incredibilmente pesanti, e quindi abbiamo bisogno sia della relatività generale sia della meccanica quantistica. Per ragioni che saranno chiare man mano che procederete nella lettura, le equazioni delle due teorie, se combinate, iniziano a tossicchiare e a fare fumo come una vecchia carretta. Detto in modo meno colorito, l'infelice matrimonio delle due teorie fornisce risposte prive di senso a domande scientifiche perfettamente sensate. Anche se avete intenzione di lasciare l'interno dei buchi neri e i primordi dell'universo avvolti nel mistero, non potete non sentire che il conflitto tra relatività generale e meccanica quantistica grida vendetta e che abbiamo bisogno di 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. E' una teoria giovane, paragonata ai venerabili monumenti della meccanica quantistica e della relatività generale. Nell'ultimo decennio è stata oggetto di intense ricerche da parte di fisici e matematici in tutto il mondo e sembra che questo nuovo modo di descrivere i costituenti fondamentali della materia risolva il conflitto tra le due grandi teorie. Anzi, c'è di piú: nella teoria delle superstringhe, meccanica quantistica e relatività generale hanno bisogno l'una dell'altra per dare un senso al tutto: il loro matrimonio non è solo felice, ma inevitabile. E le buone notizie non sono finite. La teoria delle superstringhe - o delle stringhe, per brevità - fa compiere un passo da gigante all'unificazione. Einstein passò trent'anni a cercare una teoria unificata della fisica, una teoria che avrebbe dovuto intessere la trama delle forze e l'ordito dei costituenti elementari in un unico arazzo. Invano. Ora, all'alba del nuovo millennio, i sostenitori delle stringhe affermano di aver trovato i fili di questo evanescente tessuto. La nuova teoria è potenzialmente in grado di mostrare che tutti i meravigliosi accidenti dell'universo - dalla danza frenetica dei quark al maestoso valzer delle stelle binarie, dal fuoco del big bang al lento incedere delle galassie - sono riflessi di un unico, grandioso principio fisico, di una sola equazione fondamentale. Queste caratteristiche della teoria delle stringhe richiedono un cambiamento drastico di prospettiva sulle nostre idee riguardo allo spazio, al tempo e alla materia. Ci vorrà del tempo prima che si facciano strada nella percezione comune. Ma come sarà presto chiaro, vista in un contesto appropriato la teoria delle stringhe non è che un portato straordinario ma naturale delle scoperte rivoluzionarie della fisica di questo secolo. Come vedremo ora, il conflitto tra relatività generale e meccanica quantistica non è che il terzo di una serie di scontri radicali avvenuti nel Novecento, ognuno dei quali ha portato a una sorprendente revisione del nostro modo di vedere l'universo. 1. I tre conflitti Il primo conflitto fu sottolineato già alla fine dell'Ottocento e riguarda alcune proprietà sconcertanti della luce. In breve: secondo le leggi newtoniane del moto è possibile raggiungere la velocità di un raggio di luce, secondo le leggi dell'elettromagnetismo di Maxwell ciò è impossibile. Come vedremo nel capitolo II Einstein risolse la faccenda con la teoria della relatività ristretta (o speciale), provocando una vera rivoluzione nel nostro modo di intendere lo spazio e il tempo. Secondo la relatività ristretta, tempo e spazio non sono piú concetti universali, iscritti in eterno nella pietra dell'esperienza universale; invece, dopo il trattamento di Einstein, spazio e tempo sono diventati costruzioni elastiche, le cui forme dipendono dallo stato di moto di chi le esperisce. La relatività ristretta pose subito le basi per il secondo conflitto. Secondo la teoria, nessun oggetto - anzi, nessun effetto o perturbazione di ogni sorta - può viaggiare piú veloce della luce. Ma, come vedremo nel capitolo III, la teoria newtoniana della gravitazione, assai intuitiva e ben confermata sperimentalmente, parla di forze che si trasmettono istantaneamente attraverso vaste estensioni spaziali. Ancora una volta fu Einstein a risolvere il dilemma, nel 1915, con la nuova concezione della gravità contenuta nella relatività generale. Anche questa teoria capovolge le idee precedenti di spazio e tempo: non solo sono influenzati dallo stato di moto dell'osservatore, ma possono «piegarsi» e «curvarsi» in risposta alla presenza di massa ed energia. Queste distorsioni nella trama dello spazio-tempo, come vedremo, trasmettono la forza di gravità da un punto all'altro. In definitiva, spazio e tempo non possono piú essere immaginati come un palcoscenico inerte su cui si rappresentano gli eventi dell'universo: sono essi stessi attori della commedia. La storia si ripete: la scoperta della relatività generale risolse un conflitto ma ne portò avanti un altro. Nei primi trent'anni del Novecento, nacque la meccanica quantistica (di cui parleremo nel capitolo IV), come risposta a una serie di scottanti problemi creati dalla fisica ottocentesca applicata al mondo microscopico. E come abbiamo già detto, il terzo conflitto nasce proprio dall'incompatibilità tra quest'ultima teoria e la relatività generale. Come vedremo nel capitolo V, le dolci curvature dello spazio descritto dalla relatività generale fanno a pugni con il frenetico e turbinante mondo microscopico previsto dalla meccanica quantistica. Per un tentativo di soluzione, offerto dalla teoria delle stringhe, bisognerà aspettare la metà degli anni ottanta: è per questo che il terzo conflitto è giustamente detto il problema centrale della fisica moderna. Anche la teoria delle stringhe richiede un drastico cambiamento delle nostre concezioni di spazio e tempo. Ad esempio, quasi tutti danno per scontato che l'universo abbia tre dimensioni spaziali; ma questo non è vero secondo la teoria delle stringhe: ci sono molte piú dimensioni di quelle visibili, dimensioni strettamente arrotolate dentro la trama spaziale dell'universo. La ridefinizione di tempo e spazio è un tema talmente centrale che verrà usato come guida nel corso dell'intero libro: la teoria delle stringhe non è altro che la storia di questi due concetti dai tempi