1. La Teoria delle Stringhe è una teoria di Gravità Quantistica
2. La Teoria delle Stringhe potrebbe essere LA teoria di Gravità Quantistica
3. La Teoria delle Stringhe fornisce nuove prospettive sulle teorie di gauge
4. La teoria delle stringhe fornisce nuovi risultati in matematica

La Teoria delle Stringhe è un progetto ambizioso. Vorrebbe essere una teoria in grado di descrivere ogni fenomeno dell’universo, unificando le interazioni fondamentali della Natura, inclusa la gravità, in un unico quadro d’insieme basato su leggi quantistiche.

La premessa della Teoria delle Stringhe è che, a livello fondamentale, la materia non è costituita da particelle puntiformi ma piuttosto da minuscole corde, o appunto stringhe. Da queste premesse un po’ assurde di fatto emergono le leggi della fisica. La Relatività Generale, l’Elettromagnetismo e le Teorie Quantistiche dei Campi appaiono tutte in modo sorprendente. Tuttavia, compare anche un’enorme serie di complicazioni. La Teoria delle Stringhe dà origine a una miriade di altri ingredienti, tra cui dimensioni extra (cioè al di là delle classiche quattro dimensioni spaziotemporali).

Bisogna sempre tenere a mente che, in un certo senso, la Teoria delle Stringhe è speculativa. Infatti non ci sono prove sperimentali che la Teoria delle Stringhe sia la descrizione corretta del nostro mondo e le speranze che emergano presto prove concrete in questo senso sono scarse. Inoltre la Teoria delle Stringhe è ancora in fase di costruzione e alcuni aspetti anche fondamentali della teoria sono tutt’altro che chiari. Le questioni irrisolte abbondano e sembra probabile che la formulazione finale debba ancora essere scritta. Per questi motivi ci si potrebbe chiedere che senso abbia affrontare lo studio della Teoria delle Stringhe. Di seguito elencheremo alcuni motivi per i quali la Teoria delle Stringhe continua, nonostante il discorso precedente, ad assumere una certa rilevanza all’interno del mondo della fisica teorica.

La Teoria delle Stringhe è una teoria di Gravità Quantistica

La Teoria delle Stringhe è in grado di unificare la Relatività Generale di Einstein con la Meccanica Quantistica in un modo da mantenere una connessione esplicita e corretta con entrambe le teorie.

Tuttavia, il concetto di Teoria Quantistica della Gravità presenta molteplici enigmi, sia tecnici che concettuali. Ad esempio, come si presenta lo spazio-tempo a scale di distanza molto piccole? Come possiamo comprendere la fisica se la stessa struttura causale dello spaziotempo fluttua in accordo con la Meccanica Quantistica? Inoltre, il big bang rappresenta effettivamente l’inizio del tempo? Le singolarità che emergono nei buchi neri rappresentano la fine dei tempi (cioè la fine delle cosiddette linee di universo degli oggetti)? Qual è l’origine microscopica dell’entropia dei buchi neri e cosa ci rivela? Qual è la soluzione (se esiste) per il paradosso dell’informazione?

Di fatto, indipendentemente dal fatto che la Teoria delle Stringhe sia o meno la vera descrizione della realtà, offre un quadro teorico, uno schema concettuale in cui si può iniziare a definire questi problemi, visualizzarli ed esplorarli. Per quanto riguarda alcune delle domande precedentemente elencate, la Teoria delle Stringhe ha dato risposte molto convincenti. Per rispondere alle rimanenti domande la strada è ancora lunga.

La Teoria delle Stringhe potrebbe essere LA teoria di Gravità Quantistica

Apparentemente la Teoria delle Stringhe sembra veramente un ottimo candidato per descrivere il mondo reale. A basse energie dà origine naturalmente alla Relatività Generale, alle teorie di gauge, ai campi scalari e ai cosiddetti fermioni chirali. In altre parole, contiene tutti gli ingredienti che compongono il nostro universo.

Oltre a questo la teoria incorpora diverse idee che non hanno ancora prove sperimentali ma che sono considerate probabili candidati per la fisica oltre il modello standard. I primi esempi sono la supersimmetria e gli assioni.

Al di là di questa apparenza di perfetta teoria del tutto, però, i dettagli devono ancora essere descritti. La Teoria delle Stringhe non fornisce previsioni univoche per la fisica a basse energie, ma offre una gamma sconfinata di possibilità, per lo più dipendenti da ciò che è nascosto nelle dimensioni extra. Da un lato, questo problema è inerente a qualsiasi teoria della Gravità Quantistica, c’è però da sottolineare che il semplice fatto che sia un problema diffuso anche in altri schemi concettuali non è di grande conforto se stiamo cercando prove convincenti che la Teoria delle Stringhe descriva il mondo in cui viviamo.

Sebbene la Teoria delle Stringhe non possa attualmente offrire previsioni falsificabili, ha nondimeno ispirato proposte nuove e fantasiose per risolvere questioni aperte nella fisica delle particelle e nella cosmologia.

La Teoria delle Stringhe fornisce nuove prospettive sulle teorie di gauge

La Teoria delle Stringhe è nata dai tentativi di comprendere l’interazione nucleare forte. Essa fornisce strumenti con cui analizzare anche gli aspetti concreti della Teoria Quantistica dei Campi che sono molto lontani dalle idee ambiziose sulla gravità e sui buchi neri. Esistono quindi delle ragioni pedagogiche rivelanti per investire tempo (e denaro) nella Teoria delle Stringhe. In altre parole, le tecniche che si imparano studiando la Teoria delle Stringhe si applicano a innumerevoli sistemi fisici del mondo reale.

La Teoria delle Stringhe fornisce metodi nuovi e molto sorprendenti per comprendere aspetti delle teorie di gauge quantistiche. Di queste, la più sorprendente è la corrispondenza AdS/CFT, ipotizzata per la prima volta da Juan Maldacena, che fornisce una relazione tra teorie quantistiche di campo fortemente accoppiate e gravità in dimensioni superiori. Queste idee sono state applicate in aree che vanno dalla fisica nucleare alla fisica della materia condensata e hanno fornito intuizioni qualitative (e probabilmente quantitative) in fenomeni fortemente accoppiati.

La teoria delle stringhe fornisce nuovi risultati in matematica

Negli ultimi 250 anni, la stretta relazione tra matematica e fisica è stata quasi sempre monodirezionale: i fisici hanno preso in prestito molti concetti dai matematici ma, con poche notevoli eccezioni, hanno restituito poco in termini di nuovi strumenti. Negli ultimi tempi, questo è cambiato. Idee e tecniche della Teoria delle Stringhe e della Teoria Quantistica dei campi sono state impiegate per fornire nuove “dimostrazioni” e, cosa forse più importante, suggerire nuove direzioni e intuizioni in matematica. La più nota di queste è la simmetria speculare, una relazione tra le cosiddette varietà di Calabi-Yau topologicamente differenti.

Le quattro ragioni sopra descritte caratterizzano anche grossolanamente la comunità della Teoria delle Stringhe: ci sono “relativisti” e “fenomenologi” e “teorici del campo” e “matematici”. Naturalmente, i confini tra queste diverse sotto-discipline non sono fissi e una delle grandi attrattive della Teoria delle Stringhe è la sua capacità di riunire persone che lavorano in aree diverse – dalla cosmologia alla materia condensata alla matematica pura – e fornire un quadro in cui possono comunicare proficuamente. È questa “fertilizzazione incrociata” tra i campi la più grande forza della Teoria delle Stringhe.

Fonti:

• David Tong: “String Theory” (lecture notes);
• Joseph Polchinski: “String Theory, Vol. 1” – Cambridge University Press (2005);
• Joseph Polchinski: “String Theory, Vol. 2” – Cambridge University Press (2005);