La teoria delle stringhe, cos’è, a cosa serve e quali sono i suoi limiti

La teoria delle stringhe è un'ipotesi teorica che descrive le particelle non come oggetti puntiformi ma come delle stringhe, chiuse ad anello o aperte, che si muovono e vibrano. Questa teoria, nata alla fine degli anni '60, poi abbandonata e infine ripresa, ha contribuito alla risoluzione di vari problemi di matematica pura, di fisica nucleare, di fisica della materia condensata e dei buchi neri. Vediamo in dettaglio i principi di base della teoria delle stringhe che la differenziano dal Modello Standard e le sue problematiche.

Storia della teoria delle stringhe

All’inizio del ventesimo secolo due nuove formulazioni rivoluzionarono i modelli di fisica che cercavano di spiegare la realtà. Da un lato Albert Einstein con la sua relatività generale aveva stravolto i concetti di spazio, tempo e gravità. Dall’altro, la meccanica quantistica si basava su principi di probabilità che governano l’infinitamente piccolo. Una possibile teoria quantistica per la gravità avrebbe potuto conciliare la relatività di Einstein con i principi probabilistici quantistici. Ed è proprio qui che entra in gioco la teoria delle stringhe.

Gabriele Veneziano, fisico fiorentino, fu uno dei padri fondatori di questa teoria, formulando l’ipotesi delle stringhe per spiegare alcune proprietà delle particelle che interagiscono attraverso interazioni forti, ovvero quelle forze che tengono incollato il nucleo. La comunità scientifica perse interesse per queste la teoria a causa di contraddizioni fra teoria ed esperimenti. Ebbe dunque la meglio il Modello Standard, riuscendo a descrivere più adeguatamente le particelle e la loro interazione. Il Modello Standard, anch’esso imperfetto, non riesce però a spiegare l’assenza dei gravitoni, ovvero i messaggeri della forza di gravità. Ecco che la teoria delle stringhe riemerse negli anni ‘70 poiché riuscì a spiegare proprio alcune proprietà dei gravitoni.

Il Modello Standard e i suoi limiti

Secondo il Modello Standard, il nostro universo è composto da energia e materia. La materia (che compone ad esempio anche noi esseri umani) è formata da diverse particelle elementari che si muovono e interagiscono le une con le altre. Questa interazione è possibile grazie alle forze fondamentali, cioè lo scambio di altri tipi di particelle come fermioni e bosoni. Ma questo modello non descrive completamente una delle quattro forze fondamentali, la gravità, che viene invece spiegata molto meglio dalla relatività generale di Einstein, come curvatura dello spazio-tempo che "attrae" altri oggetti. Teoricamente, anche la curvatura dello spazio-tempo a scala microscopica dovrebbe essere costituita da piccole particelle, chiamate gravitoni, ovvero i portatori della forza di gravità, mai misurati finora.

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La teoria delle stringhe in breve

Uno degli approcci alternativi al Modello Standard è la teoria delle stringhe. Nella descrizione del Modello Standard le particelle sono puntiformi, nella teoria delle stringhe, invece, si considerano delle stringhe, a volte chiuse, a volte aperte.

Queste stringhe hanno una tensione e possono vibrare. Per fare un paragone, potremmo dire che sono un po' come le corde della chitarra: vibrando in modo diverso generano note diverse e allo stesso modo le stringhe possono generare onde differenti, vibrando in modo diverso. Secondo questa teoria, vibrazioni diverse corrisponderebbero quindi a particelle differenti.

La teoria delle stringhe ci permette di calcolare come si comporta ogni stringa e come interagisce con le altre stringhe, inclusa la descrizione microscopica della gravità. Ma anche la teoria delle stringhe ha dei limiti.

I problemi della teoria delle stringhe 

Innanzitutto, a differenza del Modello Standard, questa teoria riesce a descrivere solo i bosoni, come fotoni e gravitoni. Non include però i fermioni, come ad esempio gli elettroni e i neutrini.
Inoltre include anche una particella aggiuntiva, il tachione, la cui massa è immaginaria, ovvero data dalla radice quadrata di un numero negativo. Poi va aggiunto il fatto che il nostro spazio-tempo ha 4 dimensioni (tre spaziali e una temporale), mentre questa teoria funziona "solo" con l'assunzione di ben 26 dimensioni!

Per queste limitazioni, la teoria delle stringhe è ancora lontana dal poter descrivere l’universo in modo completo e al momento non è del tutto accettata dalla comunità di fisici. Per risolvere queste problematiche sono sorte la teoria delle superstringhe e la teoria M.