Teoria del campo unificato: Legare tutto insieme

Per secoli, i ricercatori hanno cercato di descrivere tutte le forze fondamentali della natura e come interagiscono in un’unica teoria. Questa teoria del campo unificato ha lasciato perplessi artisti del calibro di Albert Einstein, che ha lavorato sulla teoria per molti anni.

In fisica, un campo è un’area sotto l’influenza di qualche forza, come la gravità o l’elettromagnetismo. Una teoria di campo si riferisce in generale al perché i fenomeni fisici accadono, e come questi fenomeni interagiscono con la natura.

Le quattro forze fondamentali sono:

• Interazione elettromagnetica: L’elettromagnetismo si riferisce alle interazioni che riguardano le particelle elettricamente cariche, in particolare per i tipi di luce. La particella di questa forza è chiamata fotone.
• Interazione forte: Questa è la forza che lega insieme neutroni (particelle caricate neutralmente) e protoni (particelle caricate positivamente) in un nucleo all’interno dell’atomo, che è l’unità di base di un elemento chimico. La particella di questa forza è il gluone.
• Interazione debole: Questa forza causa alcuni tipi di radioattività ed è attiva su piccole particelle come elettroni, quark e neutrini. Le particelle di questa forza sono i bosoni W e Z.
• Interazione gravitazionale: La gravità è l’interazione attrattiva che colpisce tutti i pezzi dell’universo, grandi o piccoli che siano. Anche se non è stata scoperta, la particella teorica per questa forza sarebbe il gravitone.

Il lavoro di Einstein

Il fisico scozzese James Clerk Maxwell ha creato la prima teoria di campo a metà del 19° secolo, riguardante l’elettromagnetismo. Poi, all’inizio del 1900, Einstein postulò la sua teoria della relatività generale, che ha a che fare con la teoria di campo della gravitazione.

Einstein tentò di sviluppare una teoria di campo unificata negli anni ’20, ma fu ostacolato perché solo alcune delle forze erano note all’epoca. Mentre l’elettromagnetismo e la gravità erano ben riconosciuti, gli studi sull’atomo erano agli inizi; all’epoca, l’elettrone e il protone erano le uniche particelle subatomiche conosciute, secondo l’American Physical Society.

Einstein (collaborando inizialmente con Jacob Grommer) costruì sul lavoro di altri scienziati, che stavano cercando di rendere lo spazio-tempo in cinque dimensioni. In particolare, il lavoro di Einstein sullo spazio-tempo occuperebbe quattro dimensioni, e una serie extra di equazioni (che rappresentano le equazioni di Maxwell per l’elettromagnetismo) sarebbe la quinta. Gli scienziati che hanno lavorato su questo problema includono Hermann Weyl, Theodor Kaluza e Oskar Klein.

Il primo articolo di Einstein sulla teoria fu nel 1922, facendo eco al lavoro pubblicato da Kaluza nel 1921. Più tardi nella sua carriera, secondo l’APS, Einstein tentò anche una teoria unificante che avrebbe generalizzato il tensore metrico (che misura la curvatura dello spazio e del tempo). Einstein provò entrambi i metodi negli ultimi tre decenni della sua vita, senza successo. Ha persino chiesto che i suoi appunti gli fossero portati il giorno prima di morire, ha detto l’APS.

Approcci più recenti

Una limitazione del lavoro di Einstein fu all’inizio il suo rifiuto, e poi la sua ignoranza della teoria quantistica (che riconobbe con il passare degli anni.Ma anche oggi, gli scienziati che hanno familiarità con la teoria dei quanti hanno difficoltà a trovare una teoria unificata.

Ci sono molti approcci considerati, ma il più promettente, secondo l’APS, riguarda la teoria delle stringhe. La teoria “descrive tutte le particelle elementari come stringhe vibranti, con diversi modi di vibrazione che producono particelle diverse”.

Negli anni ’80, i fisici (guidati da John Schwarz e Michael Green) conclusero che la teoria delle stringhe poteva funzionare grazie alle sue vibrazioni. Simile a come un violino suona note diverse, la teoria andava, vibrazioni diverse nelle stringhe della natura avrebbero creato particelle diverse. A metà degli anni ’90, Edward Witten propose teorie più precise della teoria delle stringhe, ora chiamata M-theory. Il suo lavoro ha ampliato le dimensioni della teoria delle stringhe da sei a sette, e ha mostrato nuovi ingredienti della teoria (incluse le branes, o oggetti simili a membrane in varie dimensioni.)

Il lavoro in questo campo è molto emergente, ma i ricercatori stanno cercando di imparare altre proprietà fisiche delle stringhe studiando le particelle subatomiche prodotte negli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider. Tra le altre direzioni, gli esperimenti dell’LHC sono destinati a cercare la supersimmetria, o una presunta proprietà matematica per cui ogni specie di particella avrebbe una specie di particella partner.

I fisici avvertono che una debolezza della teoria delle stringhe è che non è stata ancora confermata dai dati. Ci sono anche altri approcci alla teoria di campo unificata, come la gravità quantistica, che cerca di descrivere la gravità nei termini della matematica quantistica.