In fisica, la teoria delle stringhe (string theory, ) è una teoria di gravità quantistica nella quale le particelle puntiformi sono sostituite da oggetti uno-dimensionali chiamati stringhe, caratterizzati da determinati "modi di vibrazione". A scale di distanza maggiori della sua lunghezza, la stringa è assimilabile a una particella ordinaria, con massa, carica e le altre proprietà determinate dal suo modo di vibrazione. Uno di questi corrisponde al gravitone, l'ipotetica particella mediatrice della gravità. La teoria descrive come le stringhe si propagano nello spazio e nel tempo e come interagiscono tra loro.

È stata formulata per la prima volta sul finire degli anni 1960 per descrivere l'interazione forte, prima di venir abbandonata in favore della cromodinamica quantistica. Successivamente, ci si accorse che le caratteristiche che la rendevano inadatta in fisica nucleare ne facevano un'ottima candidata per una teoria quantistica della gravità. La prima versione, la teoria di stringa bosonica, incorporava solo i bosoni; successivamente furono descritti anche i fermioni tramite la teoria delle superstringhe, che postula una simmetria tra le due classi di particelle, la supersimmetria. Sono state formulate cinque teorie di superstringhe coerenti, prima che negli anni 1990 venisse ipotizzato che tutte fossero casi particolari di un'unica teoria 11-dimensionale nota come teoria M. Alla fine del 1997, si scoprì la corrispondenza AdS/CFT, una relazione tra la teoria delle stringhe con una particolare teoria quantistica dei campi.

La teoria delle stringhe è una branca della fisica teorica vasta e sfaccettata che aspira a rispondere a varie domande profonde sui fondamenti della fisica. Ha contribuito a vari progressi in fisica matematica, dove è stata applicata a diversi problemi legati ai buchi neri, alla cosmologia dell'universo primordiale, alla fisica nucleare e alla fisica della materia condensata; inoltre, ha stimolato una serie di sviluppi di alcune questioni di matematica pura. Poiché potenzialmente offre una descrizione della gravità unificata con la fisica delle particelle, è una candidata per la teoria del tutto, un modello matematico che possa descrivere tutte le interazioni fondamentali in un unico quadro teorico. Tuttavia, nonostante molta ricerca sia dedicata a questo aspetto, non è ancora chiaro fino a che punto la teoria delle stringhe possa descrivere la realtà nella sua interezza.

Uno dei problemi della teoria è che la formulazione completa non è sempre definita in modo soddisfacente in tutti gli scenari teorici possibili. Un altro è che si ritiene che descriva un enorme "paesaggio" (landscape) di possibili universi ( universi), il che rende complicati i tentativi di identificare la fisica delle particelle all'interno della teoria. Queste difficoltà hanno portato un numero crescente di membri della comunità scientifica a criticare questo approccio e ad avere dubbi sull'utilità di proseguire la ricerca in questo ambito.

Storia

La teoria delle stringhe nacque come teoria per spiegare il comportamento degli adroni. Durante gli esperimenti condotti con gli acceleratori di particelle, i fisici avevano osservato che lo spin di un adrone non è mai maggiore di un certo multiplo della radice della sua energia. Nessun semplice modello adronico, ad esempio quello che li considera composti da una serie di particelle più piccole legate da un qualche tipo di forza, spiega tali relazioni. Nel 1968 Gabriele Veneziano, allora ricercatore presso il CERN di Ginevra, intuì che una vecchia formula matematica denominata funzione beta di Eulero, ideata 200 anni prima dal matematico svizzero Leonhard Euler, forniva informazioni importanti sull'interazione forte, senza però spiegare la correlazione. Nel 1970 Nambu, Nielsen e Susskind tentarono una spiegazione, rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe vibranti ad una sola dimensione; era però un'ipotesi che contraddiceva le esperienze. La comunità scientifica perse quindi interesse per la teoria e il Modello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase dominante.

Poi, nel 1974, Schwarz e Scherk, e indipendentemente Yoneya, studiarono alcuni modelli della vibrazione di stringa e trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con le ipotetiche 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. D'altra parte, con lo sviluppo della cromodinamica quantistica, il bisogno originario di una teoria degli adroni fu diretto verso il modello dei quark.

Si osservò che in seguito alla quantizzazione della teoria di stringa bosonica, basata sull'azione di Nambu-Goto e su quella di Poljakov, ogni diverso stato di vibrazione della stringa dava luogo a una diversa particella. Le stringhe considerate sono sia aperte, con due punti terminali definiti, che chiuse, con gli estremi congiunti a formare un anello. Tuttavia, la stringa bosonica ha vari problemi: tra gli altri, prevede l'esistenza del tachione. Questi problemi di coerenza portarono alla teoria delle superstringhe, che introduce i fermioni tramite la supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni.

Gli anni ottanta e i novanta sono stati protagonisti di due periodi prolifici per la teoria delle stringhe, noti come "rivoluzioni delle superstringhe". La prima avvenne tra il 1984 e il 1986 e cominciò con la scoperta dell'annullamento dell'anomalia nella teoria di stringa tipo I con il meccanismo introdotto da Green e Schwarz. Nello stesso periodo sono state presentate altre teorie di stringa, come la stringa eterotica. La seconda rivoluzione cominciò nel 1994 quando 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 teoria M.

Principi di base

Panoramica Nel XX secolo, emersero due quadri teorici per la formulazione delle leggi della fisica. Una è la teoria della relatività generale di Albert Einstein, la teoria che spiega la forza di gravità e la struttura dello spaziotempo a livello macroscopico. L'altra è la meccanica quantistica, una formulazione completamente diversa che usa i principi della probabilità per descrivere fenomeni fisici a livello microscopico. Verso la fine degli anni 1970, questi due quadri si sono rivelati sufficienti a spiegare gran parte delle caratteristiche osservate nell'universo, dalle particelle elementari agli atomi all'evoluzione delle stelle e all'universo nel suo insieme..

Nonostante i successi suddetti, ci sono ancora molti problemi che vanno risolti. Uno dei problemi più profondi della fisica moderna è la gravità quantistica. La teoria della relatività generale è formulata secondo la struttura della fisica classica mentre le altre forze fondamentali sono descritte nel quadro della meccanica quantistica. Una teoria quantistica della gravità è necessaria al fine di riconciliare la relatività generale con i principi della meccanica quantistica, ma nascono difficoltà quando si tenta di applicare i metodi della teoria quantistica alla forza di gravità.. Oltre al problema della gravità quantistica, ci sono molti altri problemi fondamentali nella fisica dei nuclei atomici, buchi neri e l'universo primordiale.

La teoria delle stringhe è un quadro teorico che mira a rispondere a queste domande e a molte altre. Il punto di partenza della teoria è l'idea che le particelle puntiformi della fisica delle particelle possono essere modellizzate come oggetti uno-dimensionali chiamati stringhe. La teoria delle stringhe descrive come le stringhe si propagano nello spazio e interagiscono tra di loro. In una determinata versione della teoria delle stringhe, c'è un solo tipo di stringa, che potrebbe sembrare come un piccolo anello o segmento e può vibrare in diversi modi. A scale di distanza maggiori della scala della stringa, una stringa assomiglierà a una particella ordinaria, con massa, carica e le altre proprietà determinate dal modo di vibrazione della stringa. In questo modo, tutte le diverse particelle elementari possono essere viste come stringhe vibranti. In questa teoria, uno degli stati di vibrazione dà origine al gravitone, l'ipotetica particella che media l'interazione gravitazionale: perciò la teoria delle stringhe è una teoria di gravità quantistica..

Uno dei principali sviluppi degli ultimi decenni nella teoria delle stringhe è stata la scoperta di alcune "dualità", trasformazioni matematiche che identificano una teoria fisica con un'altra. Studiosi della teoria delle stringhe hanno scoperto un certo numero di queste dualità tra diverse versioni della teoria delle stringhe, e questo ha portato alla congettura che tutte le versioni coerenti della teoria delle stringhe siano sussunte in un unico quadro teorico noto come teoria M o M-teoria..

Gli studi sulla teoria delle stringhe hanno anche prodotto una serie di risultati sulla natura dei buchi neri e sull'interazione gravitazionale. Ci sono alcuni paradossi che sorgono quando si cerca di capire gli aspetti quantistici dei buchi neri, e il lavoro sulla teoria delle stringhe ha cercato di chiarire questi problemi. Alla fine del 1997 questa linea di lavoro è culminata nella scoperta della corrispondenza anti-de Sitter / teoria dei campi conforme o AdS/CFT.. Questo è un risultato teorico che mette in relazione la teoria delle stringhe con altre teorie fisiche che sono meglio comprese a livello teorico. La corrispondenza AdS/CFT ha implicazioni per lo studio dei buchi neri e della gravità quantistica, ed è stata applicata ad altre materie, compresa la fisica nucleare e della materia condensata.

Poiché la teoria delle stringhe incorpora tutte le interazioni fondamentali, compresa la gravità, molti fisici sperano che alla fine sarà sviluppata fino al punto in cui descriverà completamente l'universo, rendendola una teoria del tutto. Uno degli obiettivi della ricerca attuale nella teoria delle stringhe è quello di trovare una soluzione della teoria che riproduca lo spettro osservato di particelle elementari, con una piccola costante cosmologica, contenente materia oscura e un meccanismo plausibile per l'inflazione cosmica. Sebbene ci siano stati progressi verso questi obiettivi, non si sa fino a che punto la teoria delle stringhe descriva il mondo reale o quanta libertà la teoria permetta nella scelta dei dettagli..

Uno dei problemi della teoria delle stringhe è che la teoria completa non contiene una definizione soddisfacente per tutte le circostanze. Lo scattering di stringhe è più facilmente definito con le tecniche della teoria perturbativa, ma non è noto in generale come definire la teoria delle stringhe in maniera non perturbativa.. Non è chiaro neanche se ci sia un qualche principio secondo il quale la teoria scelga il suo stato di vuoto, lo stato fisico che determina le proprietà dell'universo.. Questi problemi hanno convinto un numero in costante crescita all'interno della comunità scientifica a criticare questi approcci all'unificazione e a dubitare sul valore del proseguimento della ricerca su questo ambito di problemi..

Stringhe

L'applicazione della meccanica quantistica agli oggetti fisici, come il campo elettromagnetico, che sono estesi nello spazio e nel tempo, è nota come teoria quantistica dei campi. In fisica delle particelle, le teorie dei campi formano la base per la comprensione delle particelle elementari modellizzate come eccitazioni nei campi fondamentali.