Ictp, dalla teoria delle stringhe la chiave per risolvere i grandi enigmi del XX secolo

TRIESTE. Una delle conquiste più importanti della scienza moderna è la consapevolezza che il mondo è costituito da atomi o particelle elementari. Ad esempio, l’elettricità è composta da elettroni e la luce è composta da fotoni. Pertanto, gli elettroni e i fotoni sono i quanti della materia.

Sulla base delle regole quantistiche che governano il moto di queste particelle elementari, possiamo comprendere tutto ciò che ci circonda. È un enorme successo della teoria quantistica della materia il fatto che, con poche equazioni che si possono scrivere su un pezzo di carta, possiamo comprendere in modo molto dettagliato le proprietà di atomi, nuclei, semiconduttori, laser o come funziona un telefono cellulare. È difficile esprimere a parole quanto profonda e completa sia la nostra comprensione della natura a distanze molto brevi.

C’è una cosa che non si adatta a questo schema ed è una forza a noi tutti familiare, ovvero, la forza di gravità. Per essa dobbiamo usare un’altra teoria, la relatività generale di Einstein, che è una generalizzazione della legge di gravità di Newton. La relatività generale è stata estremamente efficace nel descrivere la natura a distanze molto grandi come l’espansione dell’universo, i buchi neri, le pulsar o il comportamento del nostro sistema solare. Ma la relatività generale non rientra nel quadro della teoria quantistica. Questa incompatibilità tra le due teorie di maggior successo della fisica moderna, la meccanica quantistica e la relatività generale, è stata uno dei più grandi enigmi della fisica del ventesimo secolo.

La teoria delle stringhe offre una via d’uscita da questa impasse. Essa immagina che i costituenti fondamentali della materia siano stringhe elementari piuttosto che particelle elementari. Quindi, il mondo è composto da piccole stringhe o piccoli loop vibranti di energia. In questa visione tutto può essere compreso in termini di movimento di questi elementi fondamentali. Si tratta in fondo di un’idea molto semplice e quasi infantile, tuttavia con conseguenze molto profonde. In particolare, in questo quadro, si possono considerare tutte le particelle elementari come piccole vibrazioni della stessa corda. Un elettrone è così la corda che vibra in un modo e il fotone è la corda che vibra in un altro modo, un po’ come le note musicali di una corda di violino, dove una diversa nota musicale corrisponde a una diversa particella.

Una delle grandi sorprese della teoria delle stringhe è che una delle note musicali della corda ha le proprietà del gravitone, la particella che trasporta la forza di gravità. Pertanto, per la prima volta, è sembrato possibile trattare la gravità sullo stesso piano di tutte le altre forze e di tutte le altre particelle della materia, unificando così la relatività generale con la teoria quantistica. Questo è il motivo per cui la teoria delle stringhe è stata un campo di ricerca molto attivo negli ultimi cinquant’anni. È un’idea estremamente promettente che descrive, in un quadro unitario, le due più importanti teorie della natura. Ovviamente, se da una parte tutto questo è molto facile da dire qualitativamente, dall’altra entrare davvero nei dettagli ed estrarre tutte le informazioni necessarie è un compito molto impegnativo che richiede sia una matematica molto sofisticata che profonde idee fisiche.

Le quattro medaglie Dirac dell’ICTP di Trieste di quest’anno hanno dato contributi pionieristici nello sviluppo sia del formalismo della teoria delle stringhe sia nell’estrazione, da esso, di importanti conseguenze fisiche. Il loro lavoro affronta le seguenti domande: come possiamo comprendere le proprietà delle particelle elementari come elettroni e fotoni che emergono dalla teoria delle stringhe? Come possiamo costruire il cosiddetto modello standard della fisica delle particelle che descrive atomi e nuclei? Come possiamo comprendere le proprietà dei buchi neri nell’ambito della teoria delle stringhe? Oltre a rispondere a queste domande, il loro lavoro ha portato alla realizzazione e alla comprensione di due concetti fisici molto nuovi e profondi noti come dualità e olografia che stiamo ancora cercando di comprendere appieno.

*Direttore

ICTP di Trieste