Si fonda sul principio secondo cui la materia, l'energia e, sotto certe ipotesi, lo spazio e il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche fondamentali che, a seconda del numero di dimensioni in cui si sviluppano, vengono chiamate stringhe oppure p-brane.
Interazioni nel modo subatomico: linee d'universo di particelle puntiformi nel Modello Standard (a sinistra) e un foglio d'universo composto da stringhe chiuse nella teoria delle stringhe (a destra)
Uno studio più approfondito della teoria delle stringhe ha rivelato che descrive oggetti che possono avere dimensioni nulle (e quindi essere punti), una dimensione (stringhe), due dimensioni (membrane) o possedere un numero D di dimensioni maggiore di due (D-brane).
Il termine "teoria delle stringhe" si riferisce propriamente sia alla teoria bosonica a 26 dimensioni che alla teoria supersimmetrica a 10 dimensioni (teoria delle superstringhe). Tuttavia nell'uso comune fa riferimento alla variante supersimmetrica, mentre l'altra teoria prende il nome di teoria di stringa bosonica.
L'interesse della teoria risiede nel fatto che si spera possa essere una teoria del tutto, ossia che inglobi tutte le forze fondamentali. Potrebbe cioè descrivere in modo naturale la gravità quantistica insieme alle altre interazioni fondamentali già contemplate dal Modello standard. Sebbene includa nelle versioni più evolute anche i fermioni, i "mattoni" costituenti la materia, non è ancora chiaro se possa descrivere un universo con le caratteristiche di forze e materia come quello osservato.
A un livello più concreto la teoria delle stringhe ha originato progressi nella matematica dei nodi, negli spazi di Calabi-Yau e in molti altri campi. La teoria delle stringhe ha anche gettato maggior luce sulle teorie di gauge supersimmetrico, un argomento che include possibili estensioni del Modello standard.
Storia
Nel 1970 tentarono una spiegazione di tale fatto Nambu, Nielsen e Susskind, rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe vibranti ad una sola dimensione; era però una descrizione che effettuava predizioni che contraddicevano le esperienze. La comunità scientifica perse quindi interesse per la teoria e il Modello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase il contesto teorico dominante.
Poi, nel 1974, Schwarz e Scherk, e indipendentemente Yoneya, studiarono i modelli con caratteristiche da messaggero della vibrazione di stringa e trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con le particelle mediatrici della forza gravitazionale — i gravitoni. Schwarz e Scherk argomentarono che la teoria delle stringhe non aveva avuto successo perché i fisici ne avevano frainteso gli scopi.
Questo condusse allo sviluppo della teoria di stringa bosonica, che è ancora la versione solitamente insegnata. Con lo sviluppo della cromodinamica quantistica, il bisogno originario di una teoria degli adroni venne diretto verso una teoria dei quark.
La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di azione di Polyakov, una quantità matematica che può essere usata per prevedere come le stringhe si muovano nello spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica all'azione di Polyakov — procedura nota come quantizzazione — si nota che ogni stringa può vibrare in molti modi diversi, e che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo diverso di particella. La massa di cui è dotata la particella, e i vari modi in cui può interagire, sono determinati dai modi in cui la stringa vibra — essenzialmente, dalla nota che la stringa vibrando produce. La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una particella, è denominata spettro energetico della teoria.
Questi primi modelli includevano sia stringhe aperte, con due punti terminali definiti, che stringhe chiuse, con gli estremi congiunti a formare un anello, un loop. I due tipi di stringa si comportano in maniera leggermente diversa, producendo due spettri. Non tutte le moderne teorie delle stringhe usano entrambi i tipi; alcune comprendono solo le tipologie chiuse, ultimamente infatti i fisici teorici hanno abbandonato l'idea di stringa aperta, impostando completamente i loro studi sulla tipologia di stringa ad anello.
Ad ogni modo la teoria bosonica presenta problemi. Fondamentalmente, la teoria ha una peculiare instabilità, portando al decadimento dello stesso spazio-tempo. In più, come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene solo bosoni, particelle come il fotone con spin intero. Sebbene i bosoni siano un ingrediente indispensabile nell'universo, non sono i suoi unici costituenti. Gli studi su come una teoria delle stringhe debba includere i fermioni nel suo spettro conducono alla supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono stati descritti parecchi tipi.
Tra il 1984 e il 1986 i fisici compresero che la teoria delle stringhe avrebbe potuto descrivere tutte le particelle elementari e le loro interazioni, e considerarono la teoria delle stringhe come l'idea più promettente per arrivare a unificare la fisica. Questa prima rivoluzione delle superstringhe era iniziata nel 1984 con la scoperta di un anomalo annullamento nella teoria delle stringhe di tipo I da parte di Green e Schwarz. L'anomalia venne eliminata grazie al meccanismo di Green-Schwarz. Altre inaspettate e rivoluzionarie teorie, come la stringa eterotica, vennero presentate nel 1985.
Negli anni novanta Witten e altri trovarono forti prove a dimostrazione che le differenti teorie delle superstringhe non sono che i diversi limiti di una sconosciuta teoria a undici dimensioni, chiamata M-teoria. Questi studi stimolarono la seconda rivoluzione delle superstringhe. Quando Witten la chiamò M-teoria, non specificò che cosa fosse la M, forse perché non si sentiva in diritto di denominare una teoria che non era in grado di descrivere interamente, e indovinare che cosa significhi la M è diventato un gioco tra i fisici teorici. La M talvolta viene fatta corrispondere a Mistero, Magia o Madre. Ipotesi più serie includono Matrice o Membrana. Glashow ha notato che la M può essere un rovesciamento di W, iniziale di Witten. Altri ipotizzano Mancante, Mostruoso o anche Murky (oscura). Secondo lo stesso Witten, come detto in PBS documentary, basato su The Elegant Universe di Greene, la M in M-teoria sta per «magia, mistero, o matrice, a piacere». Un'ultima spiegazione della M può essere data dal fatto che esse è l'undicesima lettera, come il numero di dimensioni. Negli ultimi anni grazie alla pubblicazione di articoli e libri da parte di fisici e matematici di tutto il mondo, la teoria delle stringhe ha acquisito maggiore notorietà, non limitando la conoscenza degli straordinari progressi della teoria ad una stretta cerchia di scienziati.
Alcuni recenti sviluppi portano alle D-brane, oggetti che i fisici cominciano a includere in alcune teorie che comprendono le stringhe aperte della teoria delle superstringhe.
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