Particelle subatomiche | Di cosa sono fatte queste particelle?

Solitamente tendiamo ad affermare che gli oggetti sono fatti di alcune sostanze chimiche, a loro volta formate da atomi specifici, fatti di particelle subatomiche. Ma di cosa sono composte queste particelle?

Molti teorici ritengono al riguardo che tali componenti ultimi siano una forma di energia creata dalle vibrazioni di bizzarre entità multidimensionali che vengono chiamate superstringhe.
Il concetto teorico delle superstringhe nella fisica moderna, è un concetto del tutto teorico, che tenta di fornire una spiegazione chiara ed accettabile a tutte le particelle e le forze fondamentali della natura, racchiudendoli in un'unica teoria, considerando queste entità come vibrazioni di sottilissime stringhe supersimmetriche.

Tale teoria è considerata da più parti una delle più promettenti teorie riguardo la gravità quantistica. Con il termine di teoria delle superstringhe, in realtà si vuole indicare una contrazione del termine più corretto di "teoria supersimmetrica delle stringhe" perché contrariamente a quanto affermato dalla teoria bosonica delle stringhe, questa è la versione della teoria delle stringhe che comprende i fermioni e la supersimmetria. Al momento non si hanno predizioni quantitative sperimentali che possano essere verificate o smentite.

Particelle subatomiche

Quindi non avendo una controprova, ad oggi il problema più importante della fisica teorica è quello di dovere armonizzare la relatività generale, che speiga la gravità e che possa essere applicata al macrocosmo, ovvero sia alle stelle, galassie, ammassi, con la meccanica quantistica che si occupa di spiegare le altre tre forze fondamentali che descrivono il microcosmo (elettroni, fotoni, quark).

Lo sviluppo di una teoria quantistica dei settori comprendenti una forza, fornisce invariabilmente probabilità infinite (e quindi prive di utilità). I fisici teorici a tal proposito hanno dato vita ad una tecnica matematica detta rinormalizzazione che cancella questi "infiniti" che si trovano nell'elettromagnetismo, nella interazione nucleare forte e nell'interazione nucleare debole, ma non quelli che si trovano nella gravità (senza l'introduzione di un numero infinito di termini alla definizione Lagrangiana della teoria, rischiando la località, o altrimenti un numero finito di termini che non rispettano l'invarianza di Lorentz). Quindi lo sviluppo di una teoria quantistica della gravità deve essere espressa necessariamente in maniera diversa nei confronti delle teorie che fanno riferimento alle altre forze della natura.

Il concetto che sta alla base della teoria è quello che i costituenti fondamentali della realtà sono "stringhe" o "corde" di lunghezza pari a quella di Planck (1,616x10−35 m) che vibrano a frequenze differenti. Il gravitone, la particella che dovrebbe fare da 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) che 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 sono 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 contrazione tipo il Big Crunch, la teoria delle stringhe ci dice che l'universo non potrebbe mai diventare più piccolo delle dimensioni di una stringa e che a quel punto dovrebbe iniziare ad espandersi.

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E se fosse possibile viaggiare nel tempo?

Nel nostro universo c’è un limite invalicabile per il viaggio nel passato, chiamato causalità. Se vogliamo tornare indietro nel tempo, dobbiamo trovare un modo per impedire di violare la causalità

A chi di noi non piacerebbe fare un viaggetto nel tempo? Io fantasticavo su questo concetto quando ero una vispa bimbetta, sognando di poter passeggiare nel tempo, soprattutto nel passato, per incontrare alcuni personaggi di mio interesse (Alessandro Magno, Giulio Cesare, Tutankhamon...). Crescendo poi, il concetto di viaggio nel tempo è andato oltre la curiosità storica: si è concentrato sulla possibilità di poter tornare indietro nel tempo per evitare qualche errore o cambiare il corso della vita. Ma tutto questo sarebbe davvero possibile? Possiamo inviare messaggi temporali?Per quanto possano sembrarci strambe, queste domande sono al centro di molti dibattiti che coinvolgono gli scienziati.

Tempo

“Il tempo è una dimensione, ma è così inusuale in questo senso, che sarebbe possibile viaggiare solo nel futuro”, spiega l’astrofisico Charles Liu. “Nel nostro universo c’è un limite invalicabile per il viaggio nel passato, chiamato causalità. Se vogliamo tornare indietro nel tempo, dobbiamo trovare un modo per impedire di violare la causalità”. Il più grande problema teorico del viaggio nel tempo è il paradosso. Se qualcuno viaggiasse indietro nel tempo e facesse qualcosa per evitare la propria esistenza, allora come sarebbe possibile viaggiare nel tempo? L’esempio classico è quello del viaggiatore del tempo che uccide suo nonno prima che suo padre venga concepito. E’ senza dubbio un argomento controverso e, secondo molti scienziati, quello del viaggio nel tempo è uno di quei temi della fisica destinato a rimanere nell’ambito della teoria. Tuttavia, ci sarebbe una possibilità molto più realistica: piuttosto che spedire noi stessi indietro nel tempo o avanti nel futuro, potrebbe essere possibile inviare dei messaggi e instaurare una sorta di comunicazione temporale. Il dottor John Cramer, professore emerito di fisica presso l’Università di Washington suggerisce di approcciarsi al viaggio nel tempo compiendo piccoli passi. Secondo la sua teoria,  una prima possibilità sarebbe quella di cominciare a spedire messaggi nel passato o nel futuro. Nei suoi esperimenti, il dottor Cramer sta cercando di ricevere un messaggio spedito nel passato da se stesso nel futuro, così da poterlo ricevere pochi millisecondi prima di spedirlo! A questo punto io sono già confusa. Il fisico sta conducendo i suoi esperimenti nel seminterrato dell’Università con alcune apparecchiature a raggi laser che dovrebbero, prima o poi, provare ciò che Einstein aveva chiamato azione spettrale a distanza. L’obiettivo è quello di spaccare i fotoni attraverso una serie di cristalli sintetici e dimostrare che la non-località quantistica potrebbe essere utilizzata per comunicare. Il principio di località afferma che oggetti distanti non possono avere influenza istantanea l’uno sull’altro: un oggetto è influenzato direttamente solo dalle sue immediate vicinanze. Nella fisica quantistica, invece, tale principio sembra non essere più valido. Il fenomeno più vistoso di non-località quantistica è rappresentato dall’entanglement, che lega due particelle nate da uno stesso processo. L’entanglement fa si che ciò che accade a una particella abbia degli effetti istantanei anche sull’altra particella, indipendentemente dalla distanza che le separa. In parole povere, quello che sta cercando di fare il professore è di creare una coppia di fotoni nello stesso momento e verificare che la modifica di un fotone causa la modifica istantanea anche dell’altro, anche se ci dovessero essere due galassie di distanza tra loro. Questo significherebbe che la comunicazione subspaziale è in grado di viaggiare più veloce della luce anche su distanze astronomiche. “Si potrebbe ottenere la comunicazione in tempo reale con dispositivi presenti su altri pianeti”, spiega Cramer. “Potremmo mettere un casco di realtà virtuale sulla nostra testa e guidare il nostro rover tra le dune di Marte”. In altre parole, la tecnica darebbe alle agenzie spaziali di tutto il mondo la possibilità di comunicare con le proprie navicelle in tempo reale. Secondo la Teoria delle Stringhe, esisterebbe una particella priva di massa chiamata Tachione, che viaggia più veloce della velocità della luce. Queste particelle “strane” sono di solito un segno che la teoria ha un difetto intrinseco. Ma cosa succederebbe se i tachioni esistessero realmente? Potrebbero fornirci un modo per viaggiare nel tempo? In breve, la risposta è che non si sa. La presenza dei tachioni in una teoria manda in tilt i principi della fisica classica, ed è per questo che sono considerati dai fisici come un segno di instabilità fondamentale della teoria. Tuttavia, solo per il fatto di rovinare i costrutti matematici dei fisici, non vuol dire necessariamente che i tachioni non esistano. E’ possibile che i fisici non abbiano ancora sviluppato gli strumenti matematici adatti per affrontarli in modo che abbiano un senso all’interno della teoria. Se i tachioni esistono, sarebbe possibile, almeno in teoria, spedire messaggi a velocità superiori a quella delle luce. Inoltre, sempre in linea di principio, tali particelle potrebbero effettivamente viaggiare indietro nel tempo ed essere rilevate. “Se è possibile comunicare in modalità non-locale, è possibile comunicare anche indietro nel tempo”, dice Cramer. “Certo, spaventano un pò le implicazioni di una possibilità così bizzarra”. Purtroppo, il dottor Cramer è alle prese non solo con le difficoltà tecniche che richiede l’esperimento, ma anche con problemi finanziari. Sembra essere particolarmente difficile ottenere finanziamenti per una ricerca così esotica. “Servono apparecchiature in grado di rilevare in modo efficiente i fotoni entangled prima di poter effettuare qualsiasi misura reale che non siamo stati ancora in grado di fare”, conclude Cramer.

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