che consente di collegare la probabilità di reazione (nota come sezione d’urto) a processi elementari in cui le particelle reagenti generano altre particelle in stati intermedi. Alla somma dei diagrammi relativi a un certo processo la teoria associa un'ampiezza di probabilità, cioè un numero complesso il cui modulo al quadrato determina essenzialmente le sezioni d'urto. Con il proliferare delle particelle soggette alle interazioni forti, l’applicazione di questi metodi risulta limitata, per l’estrema intensità delle forze nucleari. Negli anni Sessanta si è cercato di caratterizzare le sezioni d’urto e le corrispondenti ampiezze di probabilità. La Teoria delle Stringhe è nata proprio perché sembrava impossibile ricorrere alla teoria quantistica dei campi e ai corrispondenti diagrammi di Feynman per le interazioni forti.
La Teoria delle Stringhe nasce nel 1968 da un un'intuizione del fisico italiano Gabriele Veneziano, ma solo nel 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen e Leonard Susskind la introdussero per la prima volta.Nel 1974 John Schwarz e Joël Sherk ottennero dai modi di vibrazione delle stringhe una particella con spin pari a 2: il gravitone! Nel 1984 Michael Green e John Schwarz spiegarono tutti i fenomeni di interazione e fecero incuriosire tutti i fisici del tempo, tanto che la teoria iniziò ad essere conosciuta e diffusa a livello mondiale. In inglese string significa corda, infatti è nota anche come “teoria delle corde”.
Non bisogna però fare confusione con la parola stringa, perché esiste in due diversi contesti. Nella Teoria delle Stringhe si ipotizza che tutte le particelle elementari (tutto l’Universo, anche noi) siano modi vibrazionali di stringhe microscopiche, talmente piccole che non possano essere distinte dalle particelle elementari che conosciamo. Le stringhe dovrebbero essere piccole cordicelle vibranti (chiuse o aperte) i cui modi di vibrazioni sarebbero in grado di creare tutte le particelle bosoniche e fermioniche conosciute. Esse sarebbero i costituenti ultimi della materia e avrebbero dimensioni addirittura un milione di volte più piccole dei quark: la dimensione di una stringa è infinitesimale, miliardi di miliardi di volte più piccola di un nucleo atomico (circa 10-35 metri) e questo precluderebbe ogni possibilità di osservarle.La vibrazione delle stringhe dà origine sia alla materia sia all’energia. Con la Teoria delle Stringhe le particelle subatomiche sono come note musicali e la Natura diventa una grande partitura.
La Teoria delle Stringhe ha una solida ed elegante base matematica, il problema attuale sta nel trovare le possibili verifiche a livello sperimentale. La Teoria delle Stringhe originaria, detta teoria bosonica, prendeva in considerazione i bosoni, la sua variante supersimmetrica è in grado di includere anche i fermioni, per questo si parla oggi di Teoria delle Superstringhe.ella teoria delle stringhe, il concetto di supersimmetria è essenziale per includere i fermioni. Secondo il concetto di supersimmetria, tutti i fermioni devono avere un bosone superpartner. Quindi la supersimmetria è un intermediario concettuale che mette in relazione bosoni (portatori di forza) e fermioni (particelle di materia). Le teorie delle stringhe che usano il concetto di supersimmetria sono indicate come teorie delle superstringhe. Normalmente, le teorie di stringhe richiedono più di quattro dimensioni. Nella teoria delle superstringhe, lo spazio-tempo è considerato a dieci dimensioni. Nella teoria M, si crede che lo spazio-tempo sia 11-dimensionale. ella teoria delle stringhe, il concetto di supersimmetria è essenziale per includere i fermioni. Secondo il concetto di supersimmetria, tutti i fermioni devono avere un bosone superpartner. Quindi la supersimmetria è un intermediario concettuale che mette in relazione bosoni (portatori di forza) e fermioni (particelle di materia). In fisica i fermioni, così chiamati in onore di Enrico Fermi, sono le particelle che seguono la statistica di Fermi-Dirac e di conseguenza, secondo il teorema spin-statistica, hanno spin semintero (1/2, 3/2, 5/2...). Insieme ai bosoni, sono una delle due famiglie fondamentali in cui si dividono le particelle.Le teorie delle stringhe che usano il concetto di supersimmetria sono indicate come teorie delle superstringhe. Normalmente, le teorie di stringhe richiedono più di quattro dimensioni. Nella teoria delle superstringhe, lo spazio-tempo è considerato a dieci dimensioni. Nella teoria M, si crede che lo spazio-tempo sia 11-dimensionale. Queste stringhe sono diverse dalle stringhe cosmiche. I fisici spesso chiamano stringhe fondamentali le stringhe microscopiche che costituiscono l’Universo e superstringhe cosmiche le stringhe cosmiche che derivano dalla teoria delle stringhe. Le stringhe cosmiche sono delle configurazioni di energia che, secondo alcune teorie di fisica delle alte energie, si sono formate in un passato remoto. Sono di struttura filamentosa e possono essere molto grandi, delle dimensioni di una galassia o addirittura lunghe quanto l’Universo. Le stringhe sarebbero sparse ovunque nell’Universo. Alcune teorie di fisica moderna dicono che in passato molto remoto, pochi istanti dopo il Big Bang, si sarebbero formate le stringhe cosmiche che, a causa della continua espansione dell’Universo, sarebbero diventate sempre più grandi. Fino a qualche tempo fa si pensava che le superstringhe cosmiche fossero instabili e decadessero in tempi brevissimi nelle stringhe fondamentali. Recentemente, però si è notato che non è sempre vero, poiché è possibile avere delle configurazioni di superstringhe cosmiche stabili, che potrebbero essere sia aperte sia chiuse, e potrebbero formare un’intera rete di stringhe che è presente in tutto l’Universo.
La Teoria delle Stringhe porta anche all'esistenza di nuove dimensioni (oltre le 3 spaziali + 1 temporale a cui siamo abituati): ben 26 nella teoria bosonica originaria e 10 nelle versioni con le superstringhe. Il termine di teoria delle superstringhe è in realtà una contrazione del termine più corretto di "teoria supersimmetrica delle stringhe" perché diversamente dalla teoria bosonica delle stringhe, è la versione della teoria delle stringhe che include i fermioni e la supersimmetria. Non ci sono fino a questo momento predizioni quantitative sperimentali che possano essere verificate o falsificate. Al momento il problema più importante della fisica teorica consiste nell’armonizzare la relatività generale, che descrive la gravità e viene applicata al macrocosmo, con la meccanica quantistica che descrive le altre forze fondamentali che descrivono il microcosmo. Lo sviluppo di una teoria quantistica dei campi riguardanti una forza fornisce invariabilmente probabilità infinite e quindi prive di utilità. I fisici teorici hanno sviluppato una tecnica matematica, detta rinormalizzazione, che elimina gli infiniti dell’elettromagnetismo, nella interazione nucleare forte e nell’interazione nucleare debole, ma non quelli della gravità. Quindi lo sviluppo di una teoria quantistica della gravità deve essere espressa in maniera differente rispetto alle teorie che riguardano le altre forze della natura. Ecco quindi che la simmetria che governa i fenomeni dell’inconscio si evolve in supersimmetria passando al campo della realtà fisica e quindi dando luogo non a semplici stringhe, ma a Superstringhe veri e non irrazionali costituenti fondamentali della realtà s lunghezza pari a quella di Planck 1.616x10 −35 m che vibrano a frequenze diverse. Il gravitone, la particella proposta quale mediatrice della gravità, per esempio, è descritta dalla teoria come una stringa che vibra con ampiezza d’onda uguale a zero. Questa particella nasce dalle oscillazioni nello spazio di una stringa chiusa; l’elisione di componenti energetiche sui vari piani di vibrazione rende possibile sia l’esistenza di particelle con massa nulla ad esempio fotoni, sia di particelle dotate di massa non nulla ed in cui alcune componenti energetiche non si elidono. Un’altra condizione prevista dalla teoria è che non vi siano differenze misurabilmente riscontrabili tra stringhe che si "accartocciano" intorno a dimensioni più piccole di loro stesse e quelle che si muovono lungo dimensioni più grandi ; cioè gli effetti in una dimensione di grandezza R sono uguali a quelli in una dimensione di grandezza 1/R. Le singolarità sono evitate in virtù del fatto che le conseguenze che si potrebbero osservare in un Big Crunch non raggiungono mai lo zero. Infatti, se l’universo dovesse iniziare un processo di Big Crunch, la teoria delle stringhe ci dice che non potrebbe mai diventare più piccolo delle dimensioni di una stringa e che a quel punto dovrebbe iniziare ad espandersi. Il nostro spazio fisico possiede solo 4 dimensioni apprezzabili alla nostra scala di grandezza e di ciò bisogna tenere conto in qualsiasi teoria fisica; tuttavia, nulla vieta che una teoria affermi che vi siano dimensioni spaziali aggiuntive. Nel caso della teoria delle stringhe, vi sono evidenze secondo cui lo spazio-tempo richiede 10, 11 o addirittura 26 dimensioni. Il conflitto tra i dati osservati e la proposta teorica è risolto postulando che le dimensioni aggiuntive siano "arrotolate su se stesse" o meglio compattificate. Il modello a 6 dimensioni di Calabi-Yau può giustificare le dimensioni addizionali richieste dalla teoria delle superstringhe. È difficile "visualizzare" queste dimensioni perché possiamo muoverci soltanto in uno spazio a tre dimensioni. Un metodo per superare questo limite è quello di non tentare di visualizzarle, bensì di pensarle come numeri addizionali nelle equazioni che descrivono il mondo. Ciò apre la questione se questi "numeri extra" possano essere osservati direttamente mediante esperimenti. Questo, a sua volta, pone la questione se i modelli che derivano da questi calcoli astratti possano essere considerati "scientifici", visto che finora non è stato possibile dimostrarli con esperimenti: con la fisica conosciuta gli apparati sperimentali dovrebbero essere grandi più o meno quanto la nostra galassia. La teoria delle superstinghe non è la prima teoria a più dimensioni proposta vedi la teoria di Kaluza-Klein. La moderna teoria delle stringhe si basa sulla matematica delle pieghe, dei nodi e della topologia sviluppatasi dopo Kaluza e Klein e che ha permesso negli ultimi tempi che le teorie fisiche fondate su dimensioni extra fossero molto più credibili di quanto non lo fossero ai tempi di Kaluza e Klein.Uno dei problemi con cui si dovevano confrontare i fisici favorevoli a questa teoria era l’esistenza di 5 differenti teorie delle superstringhe. Una soluzione a questo problema sembrò derivare dalla cosiddetta seconda rivoluzione delle superstringhe avvenuta negli anni novanta, la quale proponeva che le 5 teorie possano in realtà essere interpretate come 5 diversi aspetti di una teoria ancora più basilare: la M-teoria. Questa soluzione è però ancora allo stadio di congettura. Le caratteristiche principali delle cinque teorie compatibili delle superstringhe sono:· La teoria delle stringhe di Tipo I ha una supersimmetria in senso deca-dimensionale 16 supercariche. Questa teoria peculiare si basa su stringhe non orientate aperte e chiuse, mentre le altre sono basate su stringhe orientate chiuse.
· Le teorie delle stringhe di Tipo II hanno due supersimmetrie in senso deca-dimensionale 32 supercariche. Vi sono due tipi di stringhe tipo II, chiamate tipo IIA e tipo IIB, che differiscono tra di loro per il fatto che la teoria IIA è di tipo non-chirale parità conservate mentre la IIB è di tipo chirale parità violata.
· Le teorie delle stringhe eterotiche sono basate su un ibrido particolare di una superstringa di tipo I e una stringa bosonica. Vi sono due tipi di stringhe eterotiche che differiscono riguardo al gruppo di gauge deca-dimensionale: la stringa eterotica E 8 × E 8 e la stringa eterotica SO32. Il nome di stringa eterotica SO32 è lievemente impreciso riguardo ai gruppi di Lie SO32 perché la teoria dà origine ad un quoziente Spin32/Z 2 che non è equivalente a SO32.
Le teorie di gauge chirali possono essere inconsistenti a causa di anomalie che compaiono quando alcuni diagrammi di Feynman a un loop determinano una rottura della simmetria di gauge nei loro effetti quantistici
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