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L’obiettivo più complicato della fisica

Nel corso dei secoli, i fisici hanno fatto passi da gigante verso la comprensione della realtà collegando tutta una serie di fenomeni fisici che appaiono molto differenti. Ricordiamo che una storia della fisica di grande successo, avvenuta nel corso del 19° secolo, fu l’unificazione dell’elettricità e magnetismo in un’unica entità che ora chiamiamo interazione elettromagnetica. Poi, i fisici unificarono un’altra forza con l’elettromagnetismo, la forza debole, il che portò alla formulazione della teoria dell’interazione elettrodebole. Oggi, alcuni scienziati ritengono che il passo successivo, e di conseguenza quello più logico, sia la descrizione di tutte e quattro le forze fondamentali della natura nell’ambito di un singolo quadro matematico: stiamo parlando della famigerata teoria del tutto.

E’ noto che le quattro interazioni fondamentali, almeno così come noi le conosciamo, sono differenti sia in termini di intensità che di comportamento. Tuttavia, mentre madre natura ci ha aiutato, in qualche modo, a trovare delle correlazioni, la formulazione di una teoria del tutto rimane, forse, l’obiettivo più complicato della fisica. Non necessariamente ci dobbiamo aspettare che esista la teoria del tutto, anche se la storia della fisica ci ha insegnato che siamo stati in grado di arrivare a formulare diverse unificazioni. Certo, il compito diventa ancora più arduo se consideriamo il fatto che le forze fondamentali non operano sulla stessa scala. Ad esempio, la gravità tende ad essere una forza “delicata” e nessuno è in grado di descrivere il suo comportamento al livello quantistico. Fisici del calibro di Albert Einstein hanno pensato seriamente al problema dell’unificazione della gravità con la forza elettromagnetica. Dopo tutto, la relatività generale ci ha dimostrato che i campi elettrici e magnetici producono gravità e che la gravità può inoltre generare onde elettromagnetiche, sottoforma di luce. Ma mettere insieme gravità ed elettromagnetismo, una missione che i fisici chiamano teoria del campo unificato, si è dimostrata un’operazione di gran lunga più complicata rispetto al funzionamento stesso della teoria elettromagnetica. Ciò è stato, ed è ancora, in parte dovuto al fatto che non disponiamo ancora di una buona teoria quantistica della gravitazione ma anche perchè i fisici avevano la necessità di incorporare le interazioni forte e debole. Un’idea differente, però, chiamata teoria quantistica dei campi, combina la relatività speciale con la meccanica quantistica per spiegare il comportamento delle particelle elementari, ma fallisce inesorabilmente se si tiene conto della gravità. In questo caso il problema è in gran parte dovuto al fatto che qualsiasi cosa che ha energia, o massa come ci insegna la relatività, crea attrazione gravitazionale, inclusa la gravità stessa. Per semplificare, l’interazione gravitazionale tra due particelle possiede una certa quantità di energia che produce un’ulteriore interazione gravitazionale con la sua propria energia, e così via secondo un processo a spirale che procede verso energie più elevate. Tuttavia, secondo qualche scienziato, la teoria quantistica dei campi potrebbe non essere la soluzione ed essendo la gravità quantistica molto complicata la risposta potrebbe arrivare dalla ricerca di qualcosa di nuovo.

La più promettente tra le candidate teorie del tutto è al momento la teoria delle stringhe, dove gli oggetti fondamentali non sono più particelle bensì stringhe vibranti unidimensionali. Le stringhe furono proposte negli anni ’70 per spiegare l’interazione forte. La prima versione della teoria delle stringhe si dimostrò non necessaria anche se i fisici trovarono che essa poteva essere connessa in qualche modo con un’altra teoria, chiamata teoria di Kaluza-Klein, come possibile spiegazione della gravità quantistica. La teoria delle stringhe descrive la gravità quantistica in due dimensioni piuttosto che in quattro evitando in questo modo tutti i problemi dell’approccio della teoria quantistica dei campi, nonostante introduca altre complicazioni altresì note come (sei) dimensioni spaziali extra che sarebbero arrotolate su scale decisamente piccole per essere rivelate. Sfortunatamente, la teoria delle stringhe deve ancora riprodurre le predizioni ben verificate del modello standard. Un’altra idea ben nota è chiamata “gravitazione quantistica a loop”: qui lo spaziotempo su scale estremamente piccole è costituito da un insieme di minuscoli oggetti a forma di “cappio” che formano a loro volta una sorta di sistema caotico dinamico che produce la gravità così come noi la conosciamo. L’idea che lo spaziotempo sia costituito da oggetti molto piccoli, un po’ come la materia che è fatta di particelle, non è una cosa unica che appartiene alla teoria. Infatti, esistono molti altri nomi, quasi fantascientifici, come, ad esempio, twistors, causal set theory, quantum graphity e così via. La struttura a forma di granuli dello spaziotempo (post1; post2)  potrebbe persino spiegare come mai il nostro Universo abbia quattro anzichè un altro numero di dimensioni. Il problema con la gravità quantistica a loop è che essa non è in grado di replicare la gravità su larga scala, come la dimensione del Sistema Solare descritta nell’ambito della relatività generale. In altre parole, nessuna di queste teorie non ha ancora prodotto positivamente una teoria del tutto, anche perchè è molto complicato realizzare dei test sperimentali. Secondo qualche scienziato, la speranza è che qualche presunta teoria possa predire degli effetti cumulativi come il comportamento inatteso di un buco nero durante la collisione con un altro buco nero i cui segnali della fusione sono stati recentemente rivelati dall’esperimento LIGO (post1; post2). Oggi, molte teorie proposte inizialmente come teorie del tutto si sono spostate al di là dell’unificazione delle forze. Ad esempio, il grosso lavoro di ricerca nell’ambito della teoria delle stringhe è potenzialmente importante per comprendere la cosiddetta “zuppa primordiale di particelle”, meglio nota come plasma quark-gluoni, assieme ad un altro processo che riguarda il complesso comportamento degli elettroni nei materiali a basse temperature, come i superconduttori, qualcosa che pare sia stato rimosso dalla gravità quantistica.

Dunque, trovare la teoria del tutto non influenzerà certamente la nostra vita quotidiana nè il lavoro degli scienziati, anche se si tratta di un argomento di scienza. È il normale modo con cui procedono le cose: ad esempio, i chimici non utilizzano l’elettrodinamica quantistica, anche se questa teoria sta alla base del loro lavoro di ricerca. Ma arrivare a formulare una tale teoria potrebbe cambiare il modo con cui osserviamo l’Universo, almeno al livello più fondamentale. Forse, persino una teoria del tutto di grande successo potrebbe non essere la teoria finale. Insomma, se abbiamo imparato davvero qualcosa negli ultimi 150 anni di unificazione quello che è certo è il fatto che ogni passo verso la combinazione delle teorie ha permesso decisamente di svelare qualcosa di nuovo.