È l'idea più rivoluzionaria che è apparsa in fisica secondo la teoria della relatività e la teoria degli importi. Ma è sincero?

Articolo di Prof.Eduard Witten (1987)

Da Isaac Newton ad Albert Einstein e Niels Bohr, i sommi della fisica teorica hanno cercato di trovare collegamenti tra le forze fondamentali della natura. Oggi, Edward Witten è un importante promotore di una delle soluzioni più promettenti - e controverse - probabili di questo problema la teoria delle corde, una rappresentazione matematica di un universo costruito non da particelle simili alle palle da biliardo, ma di piccole stringhe circolari che vibrano in dieci dimensioni.

Se è corretto, questa teoria possiede il potenziale per fornire una singola spiegazione coerente per tutto nell'universo, dai meccanismi all'interno dell'atomo alla struttura del cosmo. Ma una vita umana può passare fino a quando gli scienziati inventeranno i mezzi per verificare questa teoria.

In questo articolo, K.C. Cole disegna un ritratto di un fisico estremamente straordinario che sta lavorando ai confini della matematica e della fisica. <<Este extreme de important să crezi în ceea ce faci<<,Spune Edward Witten. <<Totuși, e greu să-ți păstrezi credința când totul este atât de speculativ.

Uno degli insegnamenti che attiri non è per rinunciare alle buone idee, ma come puoi sapere che sono brave?-

K.C. Cole ha pubblicato numerosi articoli nelle riviste di Omni e delle riviste del New York Times ed è autore del volume intitolato "Sampatic Vibration: Reflection on Physics come gay of Life".

Di recente, ha condotto uno studio commissionato dall'Associazione dei centri di scienze e con l'attività di donne e membri delle categorie etniche di minoranza nel campo della scienza.

Misurando la stanza con passi grandi e sicuri, tiene la sua lezione come direttore, la RA-TA di Creta sul tabellone, squillando come un contrappunto della sua voce alta e che a volte è quasi impercettibile. Parla di «Bundle vettoriali», «moduli banali» e «spazi circolari liberi». Ad un certo punto si ferma e dice quanto segue: «Ho vissuto finora in un mondo di dimensioni finite. E ora ti invito ad avanzare in un mondo di dimensioni infinite ».

L'insegnante è Eduard Witten presso l'Institute of Advanced Study a Princeton (New Jersey).

All'età di 36 anni, Witten è tra i più importanti fisici contemporanei. Attualmente è a New York per tenere lezioni presso la facoltà di matematica della Colombia University sulle applicazioni della fisica in matematica "!" Matematica «Una disciplina che si occupa di relazioni astratte e immateriali» è sempre stata uno strumento utile in fisica "Una disciplina che si occupa delle forze concrete e degli oggetti del mondo reale." Witten ha capovolto tutto, cercando di dimostrare come la fisica può facilitare il nuovo discernimento.

"Non è desiderabile affrettare fare confronti con Einstein", afferma uno dei membri della facoltà di fisica della Princeton University ", ma quando si tratta di Witten" le sue braccia si aprono in un gesto di impotenza. «È con la testa e le spalle sopra tutti gli altri. Ha guidato interi gruppi di persone su nuove strade, ha creato campi completamente nuovi. Mostra prove eleganti e formidabili che inducono le persone a rimanere con la bocca, che suscitano sentimenti schiaccianti di ammirazione ».

Witten sembra essere permanentemente ovunque, pubblicando rapporti scientifici e tenendo lezioni su cosmologia, matematica e diversi aspetti della fisica. Ogni volta che parla, i fisici ascoltano la stretta attenzione.

Probabilmente la loro attenzione non è mai stata più grande di qualche anno fa, quando Witten ha cercato di affrontare seriamente una teoria bizzarra e lunga che cambia radicalmente la nostra concezione universale fisica. Sebbene sia difficile presentare un contributo che ha reso Witten una tale forza in fisica, la sua passione per questa controversa teoria lo rende il più promotore di un'idea che potrebbe essere il concetto più rivoluzionario in fisica negli ultimi 5 decenni, dice un rivoluzionario, dice Witten.

Se questa teoria è corretta (e Witten crede che la sua validità sarà probabilmente dimostrata alla fine), potrebbe fornire risposte completamente nuove alle domande fondamentali poste da filosofi, poeti e teologi dall'inizio della civiltà umana: perché l'universo è così com'è e qual è l'origine della materia?

«Teoria delle strisce» o "teoria delle stringhe", come viene solitamente chiamato (alcuni studiosi la chiamano "teoria di Sueprsting"), Elimina l'immagine ben nota di un universo costituito da particelle del tipo di palline di biliardo, respinta e attratta da forze ben note come gravità ed elettricità. La teoria delle quantità aveva già rivelato, nel terzo decennio del secolo in corso, che le palle da biliardo hanno alcune strane proprietà che le fanno sembrare ondate: sono più vibrazioni di quanto definite nello spazio. Ora, La teoria delle stringhe presuppone che questi punti siano in realtà piccoli cerchi o "stringhe" chiuse. Le corde vibrano invisibilmente in sottili risonanze. Secondo la teoria, queste vibrazioni costruiscono tutto ciò che esiste nell'universo - dalla luce alla liquirizia, dalla gravità all'oro.

Naturalmente, queste stringhe non sono visibili, né possono essere simili alle giarrettiere o con pezzi di corda. Poiché non possono essere rilevati con nessuno dei mezzi disponibili per la scienza oggi, sono curve matematiche. Parlare di stringhe, proprio come parlare di palle da biliardo o dove, è un modo semplice per cercare di capire l'ignoto in termini noti. La verità è che la fisica ha sempre dovuto ricorrere alle metafore. "Quando si tratta di atomi", ha detto il fisico danese Niels Bohr, il padre della teoria delle quantità, "il linguaggio può essere usato nella poesia. Il poeta è interessato alla creazione di immagini che alla descrizione delle realtà."

I fisici hanno defattito l'atomo e hanno scoperto, prima, elettroni, protoni e neutroni, e poi, elementi più esotici, come neutrine e così quark abili. Ho imparato come la forza nucleare, la gravità e la forza elettromagnetica si costruiscono da queste molecole e galassie. Ma, tra le altre cose, nessuno sa perché ci siano elettroni o perché le particelle sono influenzate dalla gravità. Secondo l'opinione dei suoi seguaci, la teoria delle stringhe ha il potenziale per fornire un'unica spiegazione coerente per assolutamente tutto, dai meccanismi interni dell'atomo di Oana alla struttura del cosmo.

Sfortunatamente, la teoria delle stringhe contiene ciò che alcuni scienziati considerano un grande difetto. La coerenza matematica che lo rende così convincente è rilevante solo se siamo disposti a sospendere la nostra concezione che il mondo fisico sia definito da quattro dimensioni ben note (altezza, lunghezza, larghezza e tempo) e supponiamo che l'esistenza di altre sei dimensioni nascoste - quindi, dieci dimensioni in totale.

Immagina una corda chiusa, una cerchia di una questione fondamentale di un tipo o di un altro.

Immagina quindi che il cerchio ruoti, colpisca e vibra solo nelle tre dimensioni spaziali ordinarie (più la dimensione temporale), ma anche in sei dimensioni che non possiamo percepire.

Il cerchio vibra in innumerevoli toni, come una stringa dimensionale di violino che emette versioni cosmiche da o Mi Bemol. Se la teoria delle stringhe è corretta, queste vibrazioni possono determinare tutte le possibili particelle e forze dell'universo.

Se chiedi loro di darti una spiegazione più chiara, Witten Smiles e scrollate le spalle. "Nessuno lo capisce molto meglio di come ti ho spiegato ora", dice.

Un sistema di dieci dimensioni non si preoccupa di Witten in nessun momento: "Queste dimensioni aggiunte non sono più strane di molte altre cose che i fisici pensano". Tuttavia, la nozione di universo dimensionale e l'assenza di dati sperimentali che potrebbero fornire prove in questo senso hanno reso molti fisici adottare una posizione molto scettica.

Ovviamente, la teoria delle stringhe ha molto da spiegare. Ad esempio, dovrà spiegare come viene fatto che le sei dimensioni aggiuntive rimangono invisibili. I seguaci di questa teoria immaginano che queste dimensioni sono strettamente "avvolte" a miliardi di volte più piccole di quelle di un nucleo atomo. Tuttavia, non sanno perché o quando le sei dimensioni sono state avvolte. Alcuni di questi studiosi pensano che sia semplicemente possibile che non abbiano ampliato miliardi di anni fa con il resto dell'universo fisico.

Tali dubbi non diminuiscono la convinzione di Witten. "È molto probabile che la corretta comprensione della teoria delle corde porti alla dissoluzione della continuità: lo spazio", afferma. "La teoria delle stringhe è in un miracolo."

Witten ha iniziato a ottenere offerte di posizioni della presidenza universitaria solo pochi anni dopo aver completato i suoi studi alla Princeton University, dove è stato impiegato come professore all'età di 28 anni. Si è distinto con molti premi assegnati da istituzioni di tutto il mondo, tra cui una "borsa di studio geniale" della Macarthur Foundation e recentemente, il premio premiato dalla National Science Foundation al più importante ricercatore.

In fisica, lo sforzo di trovare una spiegazione definitiva è sempre stato ovviamente innumerevoli volte, la fisica ha fatto un passo avanti con la scoperta che l'apparizione nell'aspetto era in realtà aspetti di un singolo fenomeno. La grande scoperta di Newton, per esempio, è stata che la stessa forza che ha fatto cadere la mela a terra ha fatto rimanere la luna sulla sua orbita terrestre e che la Terra sarebbe rimasta sulla sua orbita solare. Per molto tempo vi fu l'opinione che tra magnetismo, elettricità e luce non vi fosse alcun legame, fino al 19 ° secolo James Clark Maxwell e Michael Faraday scoprirono che tutti erano manifestazioni di elettromagnetismo. La teoria della relatività è passata dallo sforzo di Einstein per conciliare l'elettromagnetismo con la meccanica classica.

Ultimamente, i fisici sono ossessionati dal tentativo di unificare le forze fondamentali della natura: gravità, elettromagnetismo, forza "forte" (quella forza che garantisce la coesione di particelle nel nucleo di un atomo) e la forza "debole" (che determina, tra gli altri la radioattività, la disintegrazione spontanea del nucleo atomico).

L'elettromagnetismo, la forza forte e debole e tutte le particelle note come presenti nell'universo possono essere spiegati secondo la teoria delle quantità, qualcosa che Witten si qualifica come "magia". Questa teoria ha creato un intero campo di ricerche scientifiche in cui lo stesso Witten ha dato molti contributi importanti. Secondo la teoria delle quantità, tutto deriva dalle interazioni dei campi energetici. I campi vibrano ma non solo in alcuni schemi o risonanze che corrispondono a determinate quantità (da cui il termine "quantità") di energia. Queste risonanze sono le particelle e le forze conosciute dell'universo naturale, che usano acceleratori giganti per schiacciare gli atomi e trovare le particelle che li fanno a volte chiamare il loro lavoro di "caccia alla risonanza".

La teoria delle quantità è riuscita a chiarire molti fenomeni e ha portato alla comprensione dei processi subatomici, un fatto che si traduce nella produzione di molte meraviglie, dal laser ai semiconduttori. Tuttavia, la teoria delle quantità non può spiegare la gravità. I calcoli matematici che cercano di abbracciare la gravità in questo quadro teorico danno risultati inutilizzabili.

Tuttavia, la gravità era in interazione con tutti i tipi di energia presenti nell'universo e un raggio di luce ne è influenzato. Pertanto, la gravità deve rispettare le stesse leggi della natura. Ma quali sono queste leggi?

Einstein si impegna a lungo per stabilire una connessione tra gravità ed elettromagnetismo in modo che possa ancora spiegare l'intero sistema della natura all'interno di una singola "teoria unificata". Non è riuscito a farlo. Nel 1919, tuttavia, Einstein ricevette una lettera da un fisico di origine tedesca, un certo Theodor F.E. Kaluza, che credeva che l'elettromagnetismo potesse essere compreso che una manifestazione di gravità in una quinta dimensione. Kaluza non spiega perché la quinta dimensione non possa essere percepita. Nel 1926, tuttavia, un matematico svedese, Oskar Klein, presumeva che ciò fosse dovuto alla quinta dimensione esiste su una scala così piccola che influenza qualsiasi cosa, nemmeno la dimensione di una particella subatomica.

TLa stringa Eoria è una versione nuova e più complessa della teoria di Kaluza-Klein. Come la quinta dimensione postulata da Klein, le sei dimensioni aggiuntive postulate dalla teoria della corda hanno "contratto", in qualche modo fino all'invisibilità. La teoria delle stringhe sostiene che se accettiamo la nozione di queste sei dimensioni nascoste, le incoerenze matematiche che hanno impedito i precedenti tentativi di conciliare la teoria della quantità con la gravità scompaiono come miracolo.

Tuttavia, non possiamo essere sicuri che la teoria delle stringhe sia una rappresentazione veritiera della realtà. Ad eccezione della coerenza matematica, non ci sono prove sull'esistenza delle sei dimensioni aggiuntive. Witten osserva, tuttavia, che negli ultimi cento anni la coerenza matematica è stata "una delle più fiducia dei fisici".

In una certa misura, il mondo teorico è per definizione un mondo personale. Il lavoro non richiede tubi o laboratori, ciclisti o computer elettronici ad alta capacità, nient'altro che matita e carta, e talvolta nessuno dei due. Sebbene tra gli studenti di Witten ci fossero alcuni che svolgono studi di specializzazione, esita a impegnarsi nei suoi progetti in cui la speculazione scientifica svolge un ruolo importante, perché, afferma, non vuole mettere in pericolo il loro futuro professionale.

Ascoltando Witten mentre parla della sua carriera, potresti ottenere la convinzione che diventare un fisico sia quasi ordinario. Sebbene suo padre, Louis Witten, sia un fisico specializzato nello studio della gravità, afferma di non essere stato influenzato dalla sua famiglia a troppo. "Stavo per fare qualcos'altro", spiega.

Witten è cresciuto a Baltimora e si è laureato nei corsi universitari della Brandeis University nel Massachusetts con un diploma nella storia, sebbene ciò che lo interessava in larga misura era linguistico. Prima di iniziare i suoi studi di specializzazione universitaria a Princeton, Witten ha scritto articoli pubblicati in La nazione, La nuova Repubblica e altre riviste. Nel 1972, ha lavorato per sei mesi nella campagna del candidato alla presidenza George McGovern come assistente di uno dei suoi consiglieri per le questioni legislative. Witten ha detto oggi di non possedere le qualità richieste da una carriera in pubblicità o politica, in particolare dal "senso della realtà". Quando ha iniziato gli studi alla Princeton University, era molto vicino alla scelta della matematica prima di decidere a favore della fisica.

I colleghi di Witten sono molto più generosi con se stesso quando si tratta dei suoi meriti, in particolare il suo contributo all'attenzione della teoria delle corde di oggi.

I fisici non si sforzarono di elaborare questa teoria, né prestarono troppa attenzione alla teoria di Kaluza-Klein. Quello che è successo è stato che li hanno impediti al buio, quindi hanno cercato di dargli una forma precisa. "Non credo che nessun fisico sarebbe stato abbastanza perspicace da inventare intenzionalmente la teoria delle corde", afferma Witten. "Fortunatamente, è stata inventata per caso."

Nel 1968, un fisico italiano Gabriele Veneziano, stava studiando la forza forte (il legante che unisce le particelle del nucleo atomico) e semplicemente sopraffatto da ciò che Witten chiama "una formula che aveva alcune strane proprietà". Alcuni anni dopo, a causa della ricerca di Yoichiro Nambu dell'Università di Chicago e altri, i fisici "si resero conto che quella bizzarra formula stava definendo le vibrazioni di alcune corde".

Per diversi anni la teoria delle corde ha suscitato molto interesse. Nel mezzo dell'ultimo decennio, tuttavia, era stata in gran parte abbandonata, in parte perché altre strade di pensiero sembravano più promettenti e in parte a causa del Falţ che questa teoria riguardava l'idea inaccettabile di dimensioni aggiuntive.

"Quando si sono resi conto che era plausibile solo in un quadro decadimensionale", afferma Witten, "la maggior parte dei fisici ha lasciato il terreno". Il suo interesse per questa teoria era stato principalmente suscitato dalla ricerca condotta dai fisici John H. Schwarz da La California Institute of Technology e Michael B. Green da Queen Mary College da Londra. Witten ricorda che lo sforzo di informarsi di questa teoria gli è costato "alcuni mesi di strada difficile". "Era diverso da qualsiasi altra cosa, ha aggiunto", ha aggiunto. "Non c'è nessuno che ti dia incoraggiamento."

Sembra che l'interesse per la teoria delle stringhe sia stato rianimato da una serie di rapporti emessi da Schwarz e Green all'inizio del decennio in corso. Nel 1984 hanno pubblicato un rapporto importante secondo cui, secondo un premio Nobel, il fisico Steven Weinberg della Texas University ha dato una risposta a una domanda che era stata posta da Witten.

La domanda si riferiva alle anomalie nelle teorie che stavano cercando di unire la gravità con la teoria quantistica del campo. Nel caso di una teoria, le anomalie sono difettose che generano risultati assurdi che annientano la teoria, Witten come Luis Alvarez-Gaumé dell'Università di Havard ha scoperto una nuova classe di anomalie. Allo stesso tempo, una cosa ancora più importante ha mostrato (...)

La teoria delle stringhe presuppone che se potessimo vedere l'universo come un ensemble decadimensionale, apparirebbe una nuova simmetria e tutte le forze e le particelle ci sembrerebbero come le sfaccettature di un singolo coerente.

Uno strato che l'origine delle anomalie era topologica, in altre parole, era correlato a proprietà geometriche che non appaiono in presenza di quattro dimensioni, ma che appaiono in presenza di dieci dimensioni.

Witten considera la topologia, che studia le proprietà delle figure geometriche distorte o deformate in diverse dimensioni, come un "fondo mentale". Il pensiero che la topologia potrebbe essere sconosciuta agli specialisti provoca stupore. "È come quando dici che non so parlare in prosa", dice, prendendo in prestito una battuta di Moliere. Una tazza con un destino, ad esempio, è l'equivalente topologico di una ciambella. rispettivamente, ma non cambia quando si cambia la forma degli oggetti piegando. "Ammette, tuttavia, che i fisici non hanno preso la topologia in passato.

Witten attribuisce grande importanza alla topologia perché la domanda se il mondo reale può essere spiegato dalla teoria delle stringhe dipende non solo dall'esistenza di dimensioni aggiuntive, ma anche dalle forme che assumono nello spazio - se sono, diciamo, la forma dei tubi o le ciambelle o se sono sfere.

In Flatland ”, la famosa scrittura vittoriana scientifica-fantica, Edwin Abbott ha dimostrato eloquentemente che ciò che sembra confuso e oscuro in una dimensione può diventare chiaro in un'altra dimensione. Nel suo ipotetico mondo di triangoli e quadrati bidimensionali, una sfera tridimensionale era un oggetto incompletario. Un punto.

La teoria delle stringhe presuppone che se potessimo vedere l'universo nel decadimento, una nuova simmetria farebbe il suo aspetto e la moltitudine confusa di forze e particelle si rivelerebbe solo sfaccettature diverse dello stesso coerente.

Sfortunatamente, questa simmetria adesiva inerente allo spazio decadimensionale non è facile da tradurre in particelle e forze dimensionali. La sua percezione richiede strumenti matematici incredibilmente sottili, strumenti che probabilmente non sono stati ancora inventati.

Alcuni anni fa, Witten ebbe una conversazione collega e questa discussione lo colpì profondamente. "Hanno parlato di un fisico di grande talento che non era così produttivo come avrebbe potuto essere", spiega 'Witten. "E la sua opinione era che la ragione era che il fisico non ha mai lavorato sui tipi di problemi per i quali era davvero l'uomo giusto", Witten ha preso il consiglio coinvolto nel suo collega. Si considerano l'uomo giusto per "prendere un problema di fisica e trovare una soluzione basata su bizzarre operazioni matematiche". La "teoria delle stringhe" continua ", richiederà una grande quantità di nuova matematica - e l'applicazione della bizzarra matematica è la mia specialità." Negli ultimi pochi! anni.

Witten dichiarò che uno dei protagonisti di una nuova alleanza tra fisici e matematici, un'alleanza fatta dalla teoria delle corde. "Lo considero il protagonista numero uno", afferma I.M. Singer, professore di matematica al Massachusetts Institute of Technology "La sua intuizione è fantastica". Lo stesso Witten considera alcuni dei suoi contributi più importanti come contributi alla matematica che alla fisica.

La maggior parte dei grandi progressi compiuti dall'uomo nella comprensione dell'universo erano dovuti a stretti legami tra fisica e matematica. Newton ha dovuto inventare un nuovo tipo di matematica differenziata e completare completamente la sua teoria della gravità. La teoria del parente generale di Einstein si basava su una geometria dello spazio curvo inventato dal matematico tedesco F.B. Riemann a metà del XIX secolo. La teoria delle quantità richiedeva uno strumento chiamato "analisi funzionale".

Witten afferma che la teoria delle corde "ci porta ai confini della matematica". Ma questo non li intimidisce allo stesso modo. "Mi sono reso conto che potevo effettivamente girare tutto dall'altra parte." Aggiunge, e per ottenere con l'aiuto della fisica un sorprendente discernimento sulla matematica. "

Il nuovo matrimonio tra fisica e matematica ha reso per la prima volta il fisico per essere veramente difficile per Witten. Questo è uno dei motivi che lo hanno determinato ad accettare l'invito a lavorare presso il prestigioso istituto per lo studio avanzato, a due passi dalla Princeton University, dove non dovrebbe pagare gli obblighi di presidente. "Voglio lavorare più intensamente in meno cose", confessa. Tutte le "cose" Witten stanno attualmente lavorando sono aspetti della teoria delle stringhe.

Le conclusioni di Witten non possono essere controllate oggi in laboratorio e questo non sarà possibile nel prossimo futuro. In effetti, tutto ciò che fa è così distante dalla realtà osservabile che un'intera vita umana può passare o anche di più fino a quando il valore del suo discernimento teorico e le loro possibili applicazioni pratiche saranno conosciute. La fisica teorica è un lavoro rischioso. "È estremamente importante credere in ciò che fai", afferma Witten. "Tuttavia, è difficile mantenere la tua fede quando tutto è così speculativo."

"Uno degli insegnamenti che disegni", continua, "non è fare errori - ma non è troppo utile per te. Un altro insegnamento non è per rinunciare alle buone idee - ma come puoi sapere che sono bravi?"

Witten osserva che le stelle dei neutroni e le lenti gravitazionali - alte concentrazioni di materia presenti nello spazio cosmico e, se osservate dalla Terra, producono doppie immagini delle stelle - sono state considerate nozioni fantastiche, come pura speculazione, fino a quando non sono state veramente scoperte. "La storia della scienza è piena di previsioni secondo cui la validità di nuove idee non sarà mai dimostrata. La storia della fisica mostra che le buone idee alla fine si rivelano corrette."

Witten crede che la teoria delle stringhe sia una buona idea non essere corretta. Sembra difficile e complicato, solo perché non è ben compreso. La teoria delle stringhe è per ora, secondo l'opinione di Witten, "Un pezzo di fisica appartenente al 21 ° secolo e caduto accidentalmente nel 20 ° secolo." I fisici lavorano solo con solo con "Alcune briciole rispetto alla grande festa che ci aspetta."

Tuttavia, a volte Witten teme che le difficoltà saranno troppo alte. "Le possibilità che questa teoria ci porterà ovunque nei prossimi anni non sono troppo grandi.", ammette il, "Ma se non ci avessi provato, avrei la sensazione che l'intuizione mi avesse lasciato."

John Ellis Uno degli esperti della fisica teorica del Centro europeo per la ricerca nucleare a Ginevra, ha recentemente scritto quanto segue: . "La fenomenologia delle corde è ancora un argomento giovane. Ci sono numerose domande e problemi tecnici senza risposta, ed è facile ridicolizzare la passione totalitaria dei promotori di questa teoria. Tuttavia, se fosse citare ciò che è stato scritto su una copertura di caramelle che ho aperto qualche anno fa". Solo ".

O, nelle parole di Witten: "Se riusciamo a dimostrare la teoria delle stringhe, probabilmente avremo bisogno di fortuna. Ma in fisica ci sono molti modi per essere fortunati."