Nella fisica fondamentale , la teoria delle stringhe è un quadro teorico all'interno del quale le particelle puntiformi della fisica delle particelle sono rappresentate da oggetti unidimensionali chiamati stringhe . La teoria descrive come queste stringhe si propagano nello spazio e interagiscono tra loro. Su scale di distanza maggiori della scala della corda, la corda sembra una particella ordinaria, con la sua massa , carica e altre proprietà determinate dallo stato vibrazionale della corda. Nella teoria delle stringhe, uno di questi stati vibratori corrisponde al gravitone, una particella descritta dalla meccanica quantistica che trasporta l'interazione gravitazionale . Quindi, la teoria delle stringhe è una teoria della gravità quantistica .
Poiché la teoria delle stringhe fornisce potenzialmente una descrizione unificata della gravità e della fisica delle particelle, è candidata per una teoria del tutto , un modello matematico autonomo che descrive tutte le forze e le forme della materia . Nonostante molto lavoro su questi temi, non è chiaro fino a che punto la teoria delle stringhe descriva il mondo reale, o quanta libertà lascia il quadro teorico nella scelta dei suoi dettagli.
La teoria delle stringhe è stata applicata a vari problemi di
Ha, d'altra parte, stimolato una serie di importanti sviluppi nella matematica pura . In particolare, ha permesso di concettualizzare la simmetria speculare in geometria .
La fisica teorica oggi si basa su due teorie principali riguardanti la fisica delle particelle:
La relatività generale è supportata principalmente da osservazioni astronomiche (alla scala del sistema solare come l' avanzamento del perielio di Mercurio e alla scala astronomica come le lenti gravitazionali e la dinamica delle stelle binarie), ma anche da applicazioni concrete come il GPS .
La meccanica quantistica è supportata da tutte le osservazioni a scale inferiori (dai picometri a miliardi di chilometri).
Ognuna di queste due teorie ha portato a successi impressionanti (in termini di esperimenti precisi e affidabili, cfr. Meccanica Classica e Meccanica Quantistica ) nel proprio campo, ma la profonda differenza di cui sopra è all'origine delle incongruenze. Alcuni fisici hanno quindi adottato un atteggiamento pragmatico: utilizziamo ogni strumento nel suo campo di validità senza porre problemi che possono essere insolubili (cfr Copenhagen School , a differenza di altri che suggeriscono un punto di vista più realistico in accordo con le due teorie, cfr . De Broglie-Bohm teoria ).
Resta che alcuni fenomeni richiederebbero l'uso delle due teorie. Quindi, un buco nero ha un campo gravitazionale tale da attrarre tutto ciò che passa alla sua portata, inclusa la luce, il che implica la relatività generale. Per tentare di descrivere la “natura” della “materia” di cui è composta, che implica la formulazione di una teoria di campo matematicamente coerente, è necessario fare appello alla meccanica quantistica. I primi momenti del Big Bang porrebbero, ritenendo valida la teoria, un problema simile, almeno a prima vista. Le teorie delle stringhe tentano di descrivere tali fenomeni. The Elegant Universe di Brian Greene ne offre una panoramica per l'uso da parte di non specialisti.
Oltre alle controversie fondamentali di seguito menzionate, le teorie delle stringhe presentano un inconveniente pratico, la loro estrema complessità che, ad oggi, non consente di raggiungere risultati utilizzabili senza approssimazioni approssimative. Ad oggi si tratta soprattutto di una teoria matematica con finalità fisiche, la cui validità resta da dimostrare con l'esperienza.
La teoria si basa su due presupposti:
Da questi presupposti, la teoria delle stringhe prevede che:
Negli anni '60 , il comportamento degli adroni è ancora un mistero per la comunità scientifica. I vari studi effettuati all'interno degli acceleratori di particelle contraddicono tutte le ipotesi formulate. Nel 1968, il fisico Gabriele Veneziano usa la funzione beta di Eulero per spiegare la relazione tra lo spin degli elettroni e l'energia. Questo lavoro viene seguito e migliorato negli anni successivi ma sempre senza sfociare in una spiegazione convincente. Nel 1973 apparve una nuova teoria, la cromodinamica quantistica (abbreviata QCD per Quantum ChromoDynamics ), i cui risultati furono così convincenti che fu integrata nel modello standard e portò ai suoi autori il Premio Nobel nel 2004. Sebbene non fornisca tutto le risposte alle domande dei fisici, la QCD è considerata ancora oggi valida, ma non invalida la teoria delle stringhe la cui ricerca continua.
Nel 1984, con una notevole impresa tecnica, Michael B. Green e John H. Schwarz hanno dimostrato l'assenza di anomalie di gauge o gravitazionali nella teoria delle stringhe di tipo I, che è una teoria chirale così come il modello standard . Questo lavoro offre per la prima volta la prospettiva di ottenere una fenomenologia realistica dagli archi.
A metà degli anni '90 sono stati scoperti un gran numero di "ponti" o dualità tra le diverse teorie delle stringhe. Nel 1995 , il fisico Edward Witten ha suggerito che queste dualità riflettono un più fondamentale teoria , chiamata teoria M . Riunirebbe le diverse teorie delle stringhe in uno spazio continuo, ciascuna ottenuta da certi limiti di parametri, che andrebbe a comporre lo spazio dei moduli . Questo periodo di intensa attività nel settore le è valso l'appellativo di "rivoluzione della seconda corda".
La teoria delle stringhe bosoniche a 26 dimensioni è la teoria delle stringhe originale e più semplice. La formulazione della teoria sul foglio dell'universo contiene solo bosoni , da cui il nome. Contiene un tachione (un tipo di ipotetica particella la cui energia è una quantità reale e la massa (a riposo) una pura immaginaria ), che è indice che la teoria è instabile, e quindi inadatta a descrivere la realtà.
Tuttavia, è pedagogicamente utile familiarizzare con i concetti fondamentali che si trovano in modelli più realistici. In particolare a livello di massa zero, rivela il gravitone . Ammette corde aperte o chiuse.
Ci sono in realtà cinque teorie sulle superstringhe. Hanno in comune un universo a 10 dimensioni (nove di spazio e uno di tempo) che non ha tachioni e suppongono l'esistenza di una supersimmetria sul foglio dell'universo delle stringhe, con conseguente esistenza di supersimmetrie nello spazio di destinazione :
Le teorie delle superstringhe si distinguono dalle prime per l'esistenza di un'ulteriore simmetria, la supersimmetria , che si è rivelata necessaria quando si desidera incorporare i fermioni (materia) nella teoria delle stringhe bosoniche.
Altri oggetti estesi compaiono nelle teorie delle stringhe, Dp-branes , essendo p un numero intero che indica il numero di dimensioni spaziali dell'oggetto in questione. Sono descritti come i sottospazi su cui vivono le estremità delle stringhe aperte. Lo studio degli spettacoli spettro che D1, D3, D5 e D7 brane possono essere incorporati in uno spazio bersaglio descritto dalla teoria II B mentre in uno spazio dove Tipo II A stringhe vivono, brane di tipo II possono essere introdotte A. D0, D2 , D4, D6 e D8. Il Re1 ha lo stesso numero di dimensioni di un accordo fondamentale (di solito indicato F1). Pur essendo due oggetti distinti, una simmetria non perturbativa della teoria II B, chiamata S-dualità , che ha subito un gran numero di verifiche indirette, ha la proprietà di scambiare la brana D1 con F1.
Nel 1995, alla conferenza Strings '95 . Edward Witten sintetizza un gran numero di indizi che indicano l'esistenza di una teoria a 11 dimensioni alla base delle cinque versioni della teoria delle superstringhe e della supergravità a 11 dimensioni , che può essere intesa come casi limite, chiamata teoria M. Questo la visione unificata delle cinque teorie delle stringhe si basa essenzialmente sulla loro interconnessione tramite numerose dualità di stringhe . Il massimo della supergravità può essere inteso come una teoria efficace della bassa energia.
Riguardo alla scelta del nome, Edward Witten in seguito disse: “La M sta per 'magico', 'mistero' o 'matrice', a seconda dei gusti. "
Possiamo consultare la pagina della teoria delle stringhe nello spazio dei twistor (en) ei pochi elementi presentati nella discussione dell'amplituedron . La teoria delle stringhe ambitwistorica è presentata alla pagina “ Teoria Twistor ”.
Una brana , o più esattamente una p-brana, è un oggetto esteso nella teoria delle stringhe. La p è il numero di dimensioni spaziali in cui si estende la brana. A questo numero deve essere aggiunta una dimensione temporale per ottenere il numero totale di dimensioni. Ad esempio, una brana è una brana con una sola dimensione spaziale ma due dimensioni in totale. Corrispondono quindi alle superfici dell'universo . Una 2-brana è una brana con una dimensione temporale e due dimensioni spaziali.
Diversi modelli cosmologici sono emersi dall'introduzione delle brane nella teoria delle stringhe. L'idea generale della cosmologia branar è che il nostro universo sarebbe confinato a un 4-brane. Ciò significa che le particelle di materia ( quark , elettroni , ecc . ) e le interazioni fondamentali diverse dalla gravità (portate da particelle come il fotone , il gluone , ecc . ) possono solo spostarsi lì. "all'interno della brana mentre la gravitazione ha la possibilità di muoversi anche nello spazio-tempo completo ( in inglese diciamo anche il bulk ) di cui la brana rappresenta solo un sottospazio.
Sempre nell'ambito del modello del Big Bang , è stata recentemente introdotta un'idea come alternativa all'inflazione cosmica per descrivere i primissimi momenti della storia dell'Universo , il modello ekpyrotic . In questo modello, l'espansione iniziale è dovuta alla collisione di una brana e di un'antibrana, che libera l'energia necessaria per l'espansione dell'Universo. Questo modello prevede la possibilità di altre collisioni che porterebbero ad altri Big Bang . Tuttavia, non suscita unanimità all'interno della comunità dei cosmologi e l'inflazione cosmica rimane il meccanismo principalmente considerato per descrivere i primi momenti.
Secondo la teoria delle stringhe, il nostro mondo, il cui spazio sembra tridimensionale, non sarebbe composto da 4 dimensioni dello spazio-tempo (3 di spazio e 1 di tempo), ma da 10, 11 o addirittura 26 dimensioni. Senza queste dimensioni aggiuntive, la teoria crolla. Infatti, la coerenza fisica ( funzione d'onda che fornisce probabilità non negative) richiede la presenza di dimensioni aggiuntive. Il motivo per cui rimangono invisibili, è che verrebbero arrotolati dal processo di riduzione dimensionale su scala microscopica (miliardi di volte più piccoli di un atomo), che non ci permetterebbe di rilevarli.
Infatti, se immaginiamo un cavo visto da lontano, rappresenta solo una linea retta senza spessore, un oggetto unidimensionale. Se ci avviciniamo abbastanza, ci rendiamo conto che esiste davvero una seconda dimensione: quella che si avvolge intorno al cavo. Secondo la teoria delle stringhe, il tessuto spaziale potrebbe avere dimensioni molto grandi come le nostre solite tre dimensioni ma anche piccole dimensioni arrotolate su se stesse.
Gli spazi di Calabi-Yau sono varietà che svolgono il ruolo di dimensioni a spirale. È una forma estremamente complessa composta da sola di 6 dimensioni. Grazie a loro, ci ritroviamo con dieci dimensioni: le nostre solite quattro dimensioni (tre dello spazio e una del tempo) + le sei degli spazi di Calabi-Yau .
La supersimmetria è la simmetria nella fisica delle particelle . Stabilisce un legame molto forte tra le particelle con spin completo e quelle con spin mezzo pieno. In questo contesto, i fermioni sono associati ad un altro tipo di particella: il superpartner . I superpartner sono grandi particelle identiche al loro partner in tutto e per tutto , tranne che a livello di spin : quello del superpartner differisce di mezza unità.
La supergravità è una teoria che combina la supersimmetria con la relatività generale . Il suo funzionamento si basa quindi su 11 dimensioni.
Il primo uso della supersimmetria per comprendere la teoria di gauge fortemente correlata ( N = 2) è stato descritto da Seiberg e Witten nel 1994.
La teoria delle stringhe non è ancora una teoria consolidata, ma suscita ancora molte speranze. Alcuni punti importanti sembrano essere problematici e sono ancora molto controversi. Nessuna di queste controversie invalida definitivamente la teoria, ma mostrano che questa teoria ha ancora bisogno di evolversi, di perfezionarsi e di correggere le sue debolezze.
Ci sono una moltitudine di soluzioni alle equazioni della teoria delle stringhe, che pone un problema di selezione del nostro Universo e, d'altra parte, anche se si potrebbero ottenere molti modelli vicini, nessuno di loro ci permette di rendere conto con precisione del modello standard della fisica delle particelle.
Tuttavia, questo gran numero di soluzioni alle equazioni della teoria delle stringhe (alcuni fisici come Aurélien Barrau parlano di soluzioni 10⁵⁰⁰ o anche di più) è considerato da Leonard Susskind , uno dei fondatori della teoria delle stringhe, (nel suo libro Le cosmic landscape ) come aprendo la strada a una spiegazione razionale del fatto che l'universo sembra essere stato appositamente progettato affinché noi possiamo esistere (soprattutto regolando il valore di certe costanti fisiche con un grado di precisione altamente improbabile, fino al 120 ° decimale ...). Infatti questo gran numero di soluzioni può far immaginare che non vi sia un solo universo, ma una moltitudine, corrispondente a queste soluzioni tutte realizzate. La maggior parte non sarebbe compatibile con la vita, e nemmeno con la presenza di stelle o atomi, nessuna chimica possibile, ma ci troveremmo in una bolla infinitesimale di questi "megavers" con le particolari condizioni che permettono la comparsa di atomi. , stelle e vita . Queste condizioni sono altamente improbabili, ma se il numero delle possibilità tende all'infinito, queste condizioni devono necessariamente incontrarsi da qualche parte. Questa ipotesi suscita un acceso dibattito nella comunità scientifica .
Sebbene diverse formulazioni indipendenti ( vedi sotto) sono stati sviluppati nel 1980, i stringa dualita risultati ottenuti nel 1990 hanno permesso di considerare che tutte le teorie già costruiti stessi sono solo diversi limiti. Una teoria singolo più fondamentale, chiamato M-teoria , la formulazione microscopica è sconosciuta ma la teoria effettiva della bassa energia è la massima supergravità in undici dimensioni, una in più rispetto alla dimensione critica delle teorie delle superstringhe .
Uno dei principali fatti sperimentali osservati negli ultimi anni è che l'Universo si sta espandendo rapidamente . Un'energia oscura , di natura sconosciuta, è stata postulata per spiegare questa accelerazione. Questa energia oscura può anche essere vista come una costante cosmologica positiva. La teoria delle stringhe non prevedeva l'accelerazione dell'espansione dell'Universo perché questa teoria porta naturalmente ad universi con costante cosmologica negativa o nulla. Rendere la teoria delle stringhe compatibile con una costante positiva si è rivelato molto difficile ed è stato fatto solo nel 2003 da un gruppo della Stanford University. Ma una conseguenza di questo lavoro è che ci sono circa 10⁵⁰⁰ teorie di possibili stringhe, che danno un "paesaggio" (" paesaggio ") teorie piuttosto che una singola teoria. L'esistenza di questo enorme numero di teorie diverse - che hanno tutte la stessa validità teorica - porta direttamente all'ipotesi di un multiverso , addirittura al principio antropico , che infastidisce o incuriosisce molti fisici.
Joseph Polchinski osserva, tuttavia, che Steven Weinberg ha predetto negli anni '80 una costante cosmologica diversa da zero ipotizzando un multiverso , che è proprio una possibile conseguenza della teoria delle stringhe.
Secondo Peter Woit , una teoria delle stringhe “non può nemmeno essere sbagliata”. Il Paesaggio delle teorie permette infatti di regolare le costanti libere della teoria delle stringhe in modo da accogliere praticamente qualsiasi osservazione, conosciuta o futura. Ad esempio, se LHC non rileva le particelle superpartner , sarà possibile modificare la teoria per rendere queste particelle più pesanti per spiegare la loro mancata rilevazione. Questa flessibilità rende anche molto difficile fare previsioni di fenomeni fisici che possano testare e convalidare la teoria delle stringhe. Inoltre, non è noto se sarà possibile eseguire esperimenti sulle dimensioni aggiuntive dell'Universo.
Nonostante la versatilità e persino la versatilità della teoria delle stringhe, potrebbe essere confutabile tramite la firma gravitazionale delle stringhe, che l' Osservatorio delle onde gravitazionali mediante interferometria laser sarà presto in grado di testare.
La teoria delle stringhe è attualmente descritta come una teoria semi-classica . Vale a dire che considerando un ambiente fisso (geometria di fondo più possibile materia), la formulazione come modello sigma permette di trovare e studiare le eccitazioni delle corde solo in prossimità di questa geometria. Un analogo in meccanica quantistica di questa situazione è lo studio dell'atomo di idrogeno immerso in un campo elettrico di fondo (che rende possibile, ad esempio, studiare l' emissione spontanea ma non stimolata ).
Tuttavia, è necessario notare una serie di punti:
I primi due punti mostrano che la teoria è perfettamente compatibile con la relatività generale. Il secondo punto è analogo nel caso dell'atomo di idrogeno con la necessità che il campo di fondo soddisfi le equazioni di Maxwell. Per liberarsi da questi vincoli sull'ambiente, e per analogia con la seconda quantizzazione nel caso di particelle che risulta nella teoria quantistica di campo , è quindi desiderabile avere una teoria di campo di stringa che corrisponda alla quantizzazione di queste funzioni d'onda di stringa . Questa formulazione esiste ma le complicazioni tecniche dovute alla natura estesa delle stringhe rendono matematicamente difficile la ricerca di soluzioni esatte alle sue equazioni, e quindi il suo impatto sugli sviluppi della teoria delle stringhe è ancora limitato rispetto all'impatto della teoria quantistica dei campi nelle particelle fisica.
Infine, notiamo che la gravità quantistica in loop che è un altro candidato per una descrizione quantistica della gravità (ma che non consente comunque l'incorporazione di campi di materia) la formulazione della teoria è esplicitamente indipendente dalla geometria di base ma non è ancora stabilito che rispetta l' invarianza di Lorentz .
La teoria delle stringhe viene spesso presentata come la soluzione del problema delle " quantità infinite ", che compaiono nella teoria quantistica dei campi o nella relatività generale . Questo sarebbe un grande successo per la teoria delle stringhe se fosse fornita la dimostrazione matematica; l'accuratezza della sua dimostrazione è quindi una questione importante. Una prima prova è stata pubblicata nel 1992 da Stanley Mandelstam che certi tipi di divergenza non compaiono nelle equazioni della teoria delle stringhe. Tuttavia, come lo stesso Mandelstam concede in una lettera a Carlo Rovelli , non è escluso che possano apparire altri tipi di infiniti.
Nel 2001 , Eric d'Hoker e Duong H. Phong hanno dimostrato che qualsiasi forma di infinito era impossibile fino all'ordine 2 di approssimazione.
Nel 2004 , Nathan Berkovits riuscita a dimostrare che qualsiasi forma di infinito è impossibile, e che con qualsiasi ordine di approssimazione, ma riformulando la teoria delle stringhe, in particolare con l'aggiunta di un certo numero di presupposti supplementari .
Nonostante la mancanza di prove formali, pochi teorici mettono in dubbio la finitezza della teoria delle stringhe. Ma alcuni, come Lee Smolin, credono che la difficoltà nell'arrivare a prove definitive testimoni un problema fondamentale a questo livello.
La creazione di un micro buco nero in un collisore di particelle, se eseguita, fornirebbe molte strade per convalidare o invalidare la teoria.