Numero 12 - 2016

  • Numero 4 - 2011
  • Saggi

Interazioni Fondamentali, Gravità e Stringhe

di Gianfranco Pradisi

Dipartimento di Fisica Università di Roma Tor Vergata Via della Ricerca Scientifica 1, I-00133 Roma (Italy) gianfranco.pradisi@roma2.infn.it

Introduzione

Scopo della fisica è lo studio delle leggi fondamentali che regolano le interazioni tra i costituenti della materia nell’Universo. L’assunzione fondamentale, divenuta via via sempre più chiara nella misura in cui la confidenza degli scienziati verso la modellizzazione della Natura è progredita nel tempo, risiede appunto nella speranza che la realtà sia completamente “matematizzabile”. Per dirla con Galileo, in sintesi, che “il gran libro della Natura” sia scritto “in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto”. [1]

L’uomo ha sempre ambito a comprendere la struttura intima della materia alla ricerca della “teoria finale”, uno schema logico-matematico unico, che consenta in linea di principio di descrivere in poche equazioni (al limite una sola) le leggi della Natura. La spinta verso “La” teoria risente, probabilmente, da un lato dell’ambizione Prometeica di dominare fino in fondo gli eventi, dall’altro della spinta monoteistica derivante dal contesto storico, politico e culturale nel quale la scienza, come tale, nasce: l’Europa del ’600. Il gusto per il bello, infine, per l’estetica delle equazioni, contrariamente al senso comune, ha sempre giocato un ruolo importante. Sostiene P.A.M. Dirac, uno dei padri della Meccanica Quantistica, l’inventore dell’antimateria e degli spinori, che sia “più importante avere la bellezza nelle equazioni che non l’aderenza bieca ai dati sperimentali… può accadere che un’equazione bella sembri non rispettare i dati soltanto per via di alcuni dettagli non ancora compresi ma che presto verranno chiariti… se si lavora nella direzione della bellezza si va senza dubbio verso il progredire della conoscenza…” . [2]

Il cammino nella direzione della “teoria finale” deve passare attraverso la sintesi dei dati sperimentali raccolti ed accumulati dall’uomo nel corso della storia, in particolare dalla nascita dell’indagine scientifica. Oggi, si dispone essenzialmente di due descrizioni complementari. Una, nota come Modello Standard delle interazioni elettrodeboli e forti, si basa sulla Meccanica Quantistica ed è relativa al mondo microscopico della fisica delle particelle, l’ambito nel quale la conoscenza umana ha raggiunto in assoluto i livelli di precisione più elevati. Non esistono, in principio, esperimenti che siano in contraddizione con le predizioni del Modello Standard, almeno alle energie finora esplorate pari a circa 100 miliardi di elettronvolt. La seconda, nota come Modello Standard Cosmologico, è invece basata sulla Teoria della Relatività Generale di Einstein, ed è inerente alla struttura su larga scala dell’Universo, dominata dall’interazione gravitazionale. La complementarietà va intesa nel senso che nell’ambito in cui una di esse venga utilizzata, l’altra possa essere totalmente ignorata. Infatti, nello studio del mondo microscopico l’interazione gravitazionale tra particelle è talmente debole da risultare ininfluente. D’altra parte, nello studio delle strutture cosmiche le grandi masse rendono rilevante la sola interazione gravitazionale. Il progresso nella ricerca, tuttavia, ha condotto ad analizzare situazioni che necessitano di entrambe le descrizioni: nell’Universo primordiale, ad esempio, enormi quantità di materia dovevano essere concentrate in volumi estremamente piccoli, così come in prossimità di un buco nero l’interazione gravitazionale è forte al punto tale da determinare fluttuazioni quantistiche. Del resto, la “teoria finale”, per definizione, deve poter armonizzare tutte le eventuali diverse descrizioni.

Conciliare la Meccanica Quantistica con la Teoria della Relatività Generale o, come si suol dire, costruire una Teoria Quantistica della Gravità che compendi insieme le rimanenti interazioni è la sfida intellettuale attualmente più interessante e stimolante della fisica teorica. Le teorie convenzionali, basate essenzialmente sulla materia come costituita di “particelle”, non sono in grado di fornire soluzioni sensate. A parere di chi scrive, l’unica proposta disponibile al momento è la teoria delle (Super)Stringhe, ovvero una sua recente generalizzazione nota come teoria M, basate su revisioni dei costituenti elementari della materia ed anche, in modo inevitabile, del numero di dimensioni dell’Universo.

Scopo di questo Corso è tentare di fornire una panoramica, dettagliata ma non tecnica, dello stato dell’arte nella formulazione di una teoria unificata di tutte le forze e le “particelle”. Il 2008 sarà un anno fondamentale per la fisica delle alte energie, un anno nel quale entrerà in funzione, al CERN di Ginevra, il collisore LHC (“Large Hadron Collider”), che dovrebbe fornire risposte cruciali ai grandi interrogativi sulla fisica “oltre il Modello Standard”. Molte delle idee esposte nel Corso potrebbero finalmente trovare una verifica sperimentale negli anni a venire.

Il Corso è strutturato come segue. Il capitolo 2 è dedicato ad una rassegna relativa al Modello Standard ed ai problemi irrisolti che lo riguardano. Il Capitolo 3 contiene le idee della Teoria della Ralatività Generale ed una descrizione, seppur breve, del Modello Standard Cosmologico. Nel Capitolo 4 vengono discusse le proposte sul tappeto per quanto concerne la fisica “oltre il Modello Standard”. Il Capitolo 5 è infine dedicato alla descrizione delle teorie di (super)stringhe e dello schema di teoria M, unitamente ai possibili scenari che ne derivano. Se realizzati in Natura, alcuni di essi potrebbero dar luogo ad effetti visibili nell’ambito dell’esperimento LHC. Il Corso è corredato da Appendici tecniche. Per alcune, considerata la semplicità e la reperibilità degli argomenti, si è scelto di rimandare lo studente alla consultazione di appositi siti internet. Una breve guida bibliografica è riportata nel Cap. 6.

Le basi assiomatiche della fisica teorica
non possono essere dedotte dagli esperimenti,
ma devono essere liberamente inventate.

Albert Einstein

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  1. G. Galilei, “Il saggiatore”, Ed. Feltrinelli, 1992
  2. P.A.M. Dirac, “The Evolution of the Physicist’s Picture of Nature”, Scientific American 208 (1963), 45.