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La teoria del tutto

I fisici sono spesso spinti dalla convinzione che la natura sia regolata da un sistema di leggi completo e coerente, in grado di spiegare tutti i fenomeni naturali: è la cosiddetta Teoria del tutto. Ma esiste davvero? Ne discutiamo oggi.
Nel frattempo SpaceX ce l’ha fatta: è riuscita a far atterrare verticalmente il Falcon 9 su una chiatta nell’oceano. Robe da matti.
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Di cosa parliamo oggi
– la gravità fa di testa sua
– la Teoria del tutto
– pillole della settimana

La gravità fa di testa sua
Le due grandi teorie fisiche utilizzate oggi per studiare la natura – la Meccanica quantistica e la Teoria della Relatività – non vanno molto d’accordo. Una spiega molto bene i fenomeni microscopici, il comportamento delle particelle, i legami chimici e la struttura della materia. L’altra descrive la dinamica e la meccanica dei corpi, anche per grandi masse e grandi velocità: ci permette di mandare satelliti in orbita, studiare l’universo e regolare orologi e gps. Dove però funziona una teoria, l’altra fallisce.
Negli anni è stata sviluppata una teoria, chiamata Teoria quantistica dei campi (Quantum field theory), che è riuscita a unificare la Meccanica quantistica con la Teoria della Relatività Speciale. Un’unificazione è sempre un grande risultato: avere una sola teoria per spiegare alcuni fenomeni naturali, anziché dover ricorrere a più modelli, semplifica i problemi concettuali ed evita di farsi domande come “perché dovremmo usare questo modello anziché l’altro?”. La Teoria quantistica dei campi ha ottenuto ottimi risultati ed è la teoria su cui si basano gli esperimenti del CERN, dove è usata per studiare i comportamenti quantistici delle particelle elementari a velocità relativistiche – ossia a velocità prossime a quelle della luce. L’unificazione però funziona con la Relatività Speciale, quella parte della Relatività che non si occupa della gravità. Al CERN infatti non si tiene conto dell’effetto della gravità della Terra, o del Sole o della Luna: sono forze troppo piccole per disturbare gli esperimenti.
Non abbiamo però una teoria che unifichi la Meccanica quantistica con la Teoria della Relatività Generale, ossia non abbiamo una teoria che descriva i comportamenti quantistici della natura in presenza di gravità. È chiaro che se vogliamo studiare l’universo non possiamo dimenticarci completamente della gravità. Ci piacerebbe inoltre sapere se la gravità stessa abbia un comportamento quantistico come le altre tre forze della natura. I fisici credono di sì.

Una legge per domarli
Una teoria in grado di unificare la Relatività e la Meccanica quantistica sarebbe quella che i fisici chiamano una Teoria del tutto, perché sarebbe potenzialmente in grado di spiegare tutti i fenomeni fisici, collegandoli insieme in maniera organica e coerente. Pensateci, non sarebbe bello che tutti i fenomeni fisici fossero spiegabili da un’unica elegante formula? O che le quattro forze della natura fossero diverse manifestazioni di un’unica forza, di cui ancora non conosciamo le caratteristiche?
La credenza che l’universo sia regolato da un’unica legge elegante ha ben poco di scientifico. È una pretesa bella e buona, un atto di fede, quasi. Tuttavia questa convinzione è stato lo stimolo principale dei fisici da quando si scoprì che l’elettricità e il magnetismo non erano fenomeni distinti, ma manifestazioni dello stessa forza naturale – la forza elettromagnetica – ed erano spiegabili da quattro semplici ed eleganti formule – le equazioni di Maxwell.

Le teoria del tutto
Ma esiste una Teoria del tutto? No, non ancora. Ci sono però alcune teorie che si sono candidate ad esserlo. La candidata più famosa è la Teoria delle stringhe. La Teoria delle stringhe – ne parleremo con più calma, un giorno – riesce a descrivere il Modello standard delle particelle, includendo la Relatività Generale. Sostiene che l’universo abbia 10 o 11 dimensioni – anziché 4.- e che le particelle siano composte da strutture unidimensionali in vibrazione – le stringhe. Ogni stringa potrebbe vibrare in modi diversi, dando origine a diversi tipi di particelle.
Purtroppo però la Teoria delle stringhe, dopo più di cinquant’anni dalla sua prima formulazione, non ha portato grandi risultati e alcune delle sue importanti predizioni continuano a non essere confermate dagli esperimenti. Inoltre alcune suoi aspetti, come l’esistenza stessa delle stringhe, non sono verificabili né falsificabili, cioè non possono essere testati con degli esperimenti.
Esistono comunque altre teorie, oltre alla Teoria delle stringhe, che potrebbero candidarsi a Teoria del tutto. La più nota è la cosiddetta Gravità quantistica a loop (Loop Quantum Gravity). Una delle caratteristiche principali di questa teoria è che prevede che lo spazio sia discreto, anziché continuo. Ricordate il lenzuolo che descriveva lo spaziotempo di Einstein? Anziché essere una superficie continua potrebbe essere una specie di rete intrecciata di piccoli oggetti chiamati “loop”. È però una teoria piuttosto giovane, ancora in fase di sviluppo ed è presto per dare un giudizio.
Un giorno magari parleremo più in dettaglio di queste teorie, ricordandoci però che, a differenza della Meccanica quantistica e della Relatività, non sono confermate dagli esperimenti.

Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.

SpaceX, che gran cosa
Dopo vari tentativi SpaceX, la compagna spaziale di Elon Musk, è riuscita a far atterrare il suo lanciatore Falcon 9 su una chiatta nell’oceano. Il Falcon è stato utilizzato per portare in orbita la capsula Dragon CRS-8, con un carico destinato alla ISS e avrebbe avuto carburante sufficiente per tornare sulla terraferma, ma SpaceX ha preferito tentare nuovamente l’atterraggio su chiatta. Comunque sia, oggi dobbiamo solo goderci questo video: è fantascienza che diventa realtà.

BEAM
Il lancio del Falcon era molto atteso anche per il carico che portava con sé. La capsula Dragon CRS-8 conteneva infatti un nuovo modulo abitativo per la ISS, chiamato BEAM (Bigelow Expandable Activity Module). BEAM è un modulo gonfiabile e dunque più leggero e meno ingombrante di quelli rigidi. L’installazione del modulo BEAM – nel video qui sotto vedete una simulazione – sarà effettuata sabato 16 aprile 2016 e sarà visibile in streaming a questo link dalle ore 11.30.

Kepler
Kepler è un telescopio spaziale il cui scopo è la ricerca di pianeti simili alla Terra. Il 7 Aprile è stato scoperto che Kepler si trovava da circa 36 ore in modalità di emergenza, una modalità a bassa operatività, ma a grande consumo di carburante. Lunedì 11 la NASA ha però annunciato che Kepler è uscito dalla modalità di emergenza. Gli ingegneri stanno ora analizzando i dati del telescopio per capire cosa abbia causato il malfunzionamento.

Vele solari
Il fisico (e milionario) Yuri Milner ha presentato un progetto per raggiungere il sistema stellare Alpha Centauri in 20 anni. Il progetto, chiamato Breakthrough Starshot, prevede l’utilizzo di una piccola sonda lanciata al 20% della velocità della luce, utilizzando una vela solare. Non mi dilungo. Trovate un’ottima spiegazione qua.

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Per approfondire
– la Teoria delle strighe, spiegata in due minuti
– il modulo BEAM e la storia dei moduli gonfiabili
– il lancio di SpaceX, nel dettaglio