Teoria del tutto

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Una teoria del tutto (in inglese TOE: Theory Of Everything) è, in fisica, una teoria che ha l'ambizione di spiegare, da sola, tutti i fenomeni fisici conosciuti.

Questo termine è stato spesso usato in senso ironico perché numerosi fisici ritengono che una teoria del tutto sia una chimera irraggiungibile e perché decreterebbe la fine della ricerca in fisica teorica. In realtà essa è la logica conseguenza di un ragionamento che si fonda sul fatto, sperimentalmente comprovato, che l'universo è, allo stato attuale, in fase di espansione. Ciò implica che in passato esso era più piccolo di oggi. Andando a ritroso nel tempo l'universo risulterebbe sempre più piccolo fino ad arrivare ad una fase in cui le sue dimensioni erano inferiori alla cosiddetta lunghezza di Planck (1,616x10^-35 m) dove le leggi conosciute della fisica perdono di significato. Tutto ciò che oggi osserviamo ha dunque un antenato comune per cui deve esistere una teoria, una teoria del tutto appunto, in grado di spiegare l'intero universo.

Nel corso degli ultimi cento anni la fisica è stata completamente rivoluzionata e sono sorte due teorie tra loro apparentemente incompatibili: la meccanica quantistica e la relatività generale. La prima concerne il mondo dell'infinitamente piccolo cioè le particelle fondamentali quali l'elettrone, il fotone, i quark e le interazioni che le riguardano (interazione forte, interazione debole ed elettromagnetismo); l'altra il mondo dell'infinitamente grande cioè la cosmologia e la quarta forza fondamentale della natura: la gravità. Fondamentalmente la difficoltà principale risiede nel fatto che la meccanica quantistica è costituita da leggi che vengono applicate in uno spaziotempo a curvatura nulla (cosiddetto spazio-tempo di Minkowski) mentre la relatività generale comporta uno spazio-tempo a curvatura non-nulla. Negli ultimi anni di vita, quando viveva a Princeton nel New Jersey, Einstein stesso tentò senza successo di conciliare le due teorie. Il compito appariva talmente arduo che molti fisici persero interesse in esso ed il tentativo di unificazione delle forze (o interazioni) fondamentali della natura in un unica teoria coerente perse di attrattiva e venne accantonato.

Alcuni teorici, tuttavia, perseverarono nel perseguimento della ricerca di una teoria onnicomprensiva ed intorno alla fine degli anni sessanta furono ottenuti alcuni primi successi incoraggianti con l'introduzione di un concetto nuovo e rivoluzionario in fisica: le particelle fondamentali, che erano sempre state considerate puntiformi e quindi a-dimensionali, potevano essere invece trattate come oggetti a una dimensione, cioè come stringhe. Lo sviluppo di questa idea portò progressivamente alla teoria delle stringhe.

Tale ambiziosa teoria non ha ancora avuto conferme sperimentali. Più che di una semplice teoria, si potrebbe parlare di circa 10³⁰⁰ possibili versioni, visto che la struttura matematica che la sorregge presenta molti gradi di libertà. Le teorie di stringa contemplano l'esistenza di un mondo caratterizzato da diverse dimensioni, in certi casi "appallottolate" in spazi di fatto inosservabili. Queste teorie purtroppo non risolvono ancora il problema della causalità, nella fattispecie dell'autoreazione particellare, né riescono a superare il concetto di "particella di scambio" e tantomeno il problema della massa mancante nell'universo.

In sostanza, ancora si è lontani da una vera "Teoria del Tutto", che sia totalmente locale e in accordo con il senso comune, come sognato da Albert Einstein. Né abbiamo a disposizione modelli eleganti, come teorizzato da Dirac.

La Fisica dei campi e delle particelle è pertanto una branca aperta e in buona parte misteriosa della ricerca scientifica. La sfida intellettuale di una vera unificazione è a tutt'oggi aperta.

Indice

1 La teoria in dettaglio
- 1.1 Limiti del Modello Standard
2 Concetti speculativi
3 Bibliografia
4 Voci correlate
5 Collegamenti esterni

[modifica] La teoria in dettaglio

Come già precedentemento detto, Albert Einstein fu il primo scienziato a tentare di trovare una teoria del tutto; per lui l'obiettivo principale era cercare di unificare la relatività generale con l'elettromagnetismo.

Attualmente si ritiene che una teoria del tutto debba riunire le 4 forze (o interazioni) fondamentali della natura: l'elettromagnetismo, la forza nucleare debole, la forza nucleare forte e la forza di gravità; tale teoria deve anche spiegare l'esistenza e le caratteristiche delle particelle fondamentali. Le prime due forze sono state effettivamente unificate in un'unica teoria coerente detta teoria elettrodebole, e si sono fatti progressi nell'unificazione con la forza nucleare forte (nella GUT: Grand Unified Theory), ma la gravità (che oggi non viene considerata più una vera e propria forza) sembra sfuggire a questi tentativi. Una teoria del tutto deve dunque conciliare la meccanica quantistica con la relatività generale.

L'unica seria candidata a divenire una TOE è la teoria delle superstringhe / teoria M; studi recenti sulla gravità quantistica a loop possono giocare un ruolo importante nella TOE ma non è questo il suo scopo principale. Queste teorie devono cercare di risolvere il problema legato alla rinormalizzazione aumentando certi limiti inferiori alla maggiore lunghezza possibile. Inoltre esse prevedono che l'universo abbia un numero maggiore di dimensioni rispetto a quelle conosciute (3 spaziali ed una temporale). Quest'idea deriva dal fatto che è stato osservato che nella teoria di Kaluza-Klein l'aggiunta di una quinta dimensione alla relatività generale conduceva alle equazioni di Maxwell sull'elettromagnetismo. Questo ha permesso di poter lavorare con più dimensioni nella speranza di ottenere equazioni che si accordino con le leggi conosciute della fisica. Il concetto di dimensioni extra potrebbe anche risolvere il problema della gerarchia che riguarda il perché la forza di gravità è molto più debole delle altre tre forze fondamentali. La risposta più probabile è che la forza di gravità fa sentire il proprio effetto anche nelle dimensioni extra mentre le altre forze rimangono confinate nel nostro spazio-tempo a 4 dimensioni.

Sul finire degli anni novanta è emerso che uno dei problemi con le varie TOE proposte è che esse non riescono a descrivere le caratteristiche di cui dovrebbe essere dotato l'universo. Per esempio numerose teorie della gravità quantistica possono prevedere universi con un numero arbitrario di dimensioni o di costanti cosmologiche. Un caso limite è che può esistere un numero immenso di universi, ma solo alcuni di essi possono essere abitabili e pertanto le costanti fondamentali dell'universo sono, in ultima analisi, il risultato del principio antropico piuttosto che una conseguenza di una TOE. Max Tegmark ha portato alla logica conclusione questo concetto nel suo Ultimate Ensemble in cui postula che "tutte le strutture che esistono matematicamente esistono anche fisicamente". In questa teoria alcune strutture matematiche sono complesse quanto basta per contenere strutture autocoscienti che percepiscono se stesse come fisicamente esistenti nel mondo reale (in pratica noi stessi).

Vi è anche un ampio dibattito filosofico nell'ambito della comunità scientifica che riguarda il fatto se una Teoria del Tutto possa essere considerata una legge fondamentale dell'universo oppure no. Uno dei punti di vista è quello fortemente riduzionista secondo cui la TOE è la legge fondamentale dell'universo e tutte le altre teorie sono una conseguenza della TOE. Un altro punto di vista è che vi sono leggi, che Steven Weinberg chiama Free Floating Laws, che governano i sistemi complessi e, pur essendo correlate con la TOE, non possono essere considerate meno fondamentali della TOE. Alcuni scienziati arguiscono che questa spiegazione violerebbe l'assunto del rasoio di Occam nel caso in cui venisse formulata una TOE conclusiva.

Altre possibilità che possono ridurre il valore della TOE includono la sensibilità dell'universo alle condizioni limite, o l'esistenza di caos matematico nelle sue soluzioni, rendendo le sue previsioni precise ma prive di utilità.

Infine alcuni sostengono che i Teoremi di incompletezza di Gödel rendano vana ogni speranza per i fisici, perché escludono la possibilità che una singola teoria riesca a spiegare tutto. In questo senso si nota infatti che la maggior parte degli scienziati ignora e continua ad ignorare questi Teoremi.

[modifica] Limiti del Modello Standard

Il Modello Standard è una delle teorie fisiche di maggior successo ma non è una Teoria del Tutto. Esso, infatti, non è in grado di spiegare l'origine dell'universo prima del Big Bang. Vi sono 18 (o 20) costanti e varie dozzine di particelle elementari nel Modello Standard. Perché così tante? Inoltre non spiega la cosiddetta massa mancante che rappresenta il 90% circa di tutta la massa che dovrebbe essere presente nell'universo. La presenza di materia oscura o di energia oscura, sebbene mai osservata direttamente, dovrebbe essere garantita se la teoria è corretta.

Per quale motivo tanta parte dell'universo è invisibile? Qual è lo stato della materia all'interno di un buco nero? Lo spazio-tempo è curvo o piatto? Quante dimensioni spaziali e temporali esistono? Qual è l'origine della materia e dell'energia? Qual è il motivo della loro esistenza? Vi sono altre particelle fondamentali? Cosa accade al di sotto della scala di Planck? Cos'è un momento quantizzato? La velocità massima raggiungibile nell'universo è veramente la velocità della luce? Queste sono senz'altro le questioni più importanti alle quali non è stata ancora trovata una risposta definitiva. Una Teoria del Tutto deve rispondere a ciascuna di queste domande e trovare una soluzione a qualsiasi situazione possa verificarsi nell'universo.

[modifica] Concetti speculativi

I tentativi di trovare una Teoria del Tutto sono comuni anche tra persone al di fuori della comunità dei fisici teorici. Alcune sono proposte da semplici "dilettanti" e le loro teorie sono criticate per il fatto che non sono quantificabili e portano spesso a risultati contradditori. Per esempio, una TOE deve provvedere alla comprensione delle forze fondamentali, del tempo di vita delle particelle e delle sezioni trasverse. Deve spiegare anche tutti i fenomeni dell'universo. Diversamente dai fisici professionisti, che sono generalmente consapevoli che le loro teorie sono incomplete, non sperimentate e forse anche erronee e che sono preparati alle enormi difficoltà ed alle sfide che una TOE comporta, i dilettanti che cercano una TOE tendono a non sapere che i loro studi sono già stati effettuati, a non conoscere i sistemi per sperimentarli e che la maggior parte delle loro idee sono sbagliate.

[modifica] Burkhard Heim e la relatività generale quantizzata

La teoria proposta da Burkhard Heim sulla relatività generale quantizzata ha l'ambizione di essere una TOE ma la teoria, il cui sviluppo è iniziato negli anni cinquanta, è successivamente caduta nel dimenticatoio. Un segno della ripresa di interesse intorno ad essa è il lavoro di Droescher e Haeuser riguardo ad applicazioni spaziali pubblicato dalla AIAA nel 2005 e premiato come miglior lavoro dal Nuclear and Future Flight Propulsion Technical Committee. I sostenitori della teoria fanno notare che la teoria di Heim a 6 dimensioni predice la massa di alcune particelle fondamentali con notevole accuratezza, più di quanto non faccia qualsiasi altro tipo di teoria.

[modifica] Eino Kaila

Eilo Kaila, prolifico filosofo finlandese, ha cercato di costruire negli anni cinquanta una teoria del tutto basata sulle implicazioni filosofiche della meccanica quantistica. Questo tentativo non ha avuto molta risonanza al di fuori della Finlandia ed è stata pubblicata soltanto la prima parte di ciò che doveva essere uno studio esteso avente per oggetto la TOE. "Terminalkausalität als die Grundlage eines unitarischen Naturbegriffs" ("Causalità terminale come fondamento di una nozione unitaria della natura"), pubblicata nel 1956, ha formulato un nuovo tipo di causalità ed era destinata ad essere seguita da studi simili in campo psicologico e biologico.

[modifica] Il Cubo Temporale

Il concetto di Cubo Spaziale di Gene Ray è un esempio ben conosciuto proposto da uno studioso amatoriale della TOE ma alcuni ritengono che ciò sia dovuto ad un indubbio fascino speculativo piuttosto che ai suoi meriti scientifici. Il Signor Ray pretende di spiegare tutti i fenomeni conosciuti dell'universo partendo dal postulato che "il tempo è cubico e non lineare". La teoria sostiene che noi viviamo in realtà 4 giorni per ogni giorno che noi percepiamo a causa di una cospirazione scientifica a livello mondiale.

[modifica] La Teoria del Tutto e la religione

Alcune persone pensano che la scoperta di una Teoria del Tutto proverebbe (o non proverebbe) l'esistenza di un Dio, ma è logicamente dimostrato che ciò è indecidibile, ovvero non può essere né provato, né confutato. Molte persone religiose ritengono che una TOE non verrà mai trovata, ma l'ambito d'interesse della religione è il trascendente, che non può influire sulle scienze. Altre ritengono che una TOE provi in via definitiva il potere dell'intelletto divino di creare un universo così elegante o che essa porti ad un nuovo modo di concepire Dio. È anche valida l'ipotesi che nuove conoscenze sulla creazione possano offrire spiegazioni più ampie e dettagliate su di essa, senza cambiare i termini del rapporto tra creature e Creatore.

[modifica] Bibliografia

The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe è un libro non autorizzato del 2002 derivato da lezioni di Stephen Hawking (ISBN 1893224791)