Garrett Lisi e la sua Teoria del Tutto

Guardate queste equazioni infernali. Per i prossimi 18 minuti farò del mio meglio per descrivere senza equazioni la bellezza della fisica delle particelle. Possiamo imparare molto dal corallo Il corallo è un animale stupendo e inusuale Ogni testa di corallo consiste di migliaia di polipi I polipi si riproducono e ramificano continuamente in individui geneticamente identici Se pensassimo che questo fosse un corallo iperintelligente potremmo individuare un polipo e fargli una domanda Potremmo chiedergli come ha fatto a ritrovarsi esattamente nella posizione che ha rispetto ai suoi vicini se è stato il caso, il destino o quant' altro?

Dopo essersi lamentato per il riscaldamento globale ci direbbe che la nostra era una domanda stupida Questi coralli possono essere viziosi e facendo surf ne porto le cicatrici per provarlo. E il polipo continuerebbe col dirci che i suoi vicini sono sue copie identiche che lui è stato anche in tutti questi altri posti anche se considera i suoi vicini individui autonomi Per un corallo suddividersi in copie identiche è la cosa più naturale del mondo

Diversamente da noi, un corallo superintelligente è perfettamente attrezzato per capire la meccanica quantistica. La matematica della meccanica quantistica descrive molto accuratamente come funziona l' universo e ci dice che la nostra realtà si ramifica continuamente in diverse possibilità, proprio come un corallo. E' molto strano per noi umani convincercene perchè noi viviamo solo una delle possibili realtà Questa stranezza quantistica è stata descritta per la prima volta da Erwin Schrödinger con il suo gatto. Al gatto piace di più questa versione (risate) In questo apparato Schrödinger è in una scatola con un campione radioattivo che, secondo la meccanica quantistica, si divide in uno stato in cui irradia e uno stato in cui non irradia (risata) Nel ramo in cui il campione irradia scatta un interruttore che rilascia del veleno e Scrödinger muore Ma nell' altra versione della realtà rimane in vita Queste due realtà sono vissute separatamente da ciascun individuo Per quanto ne sa uno quell' altro non esite

Ci sembra strano perchè ciascuno di noi vive una sola esistenza e non possiamo vedere le altre ramificazioni E' come se ciascuno di noi, come Schrödinger, fossimo dei coralli che si dividono in realtà differenti La matematica della meccanica quantistica ci dice che questo è il modo in cui il mondo funziona su piccola scala Si può riassumere in un' unica frase: tutto quello che puo succedere, succede. Questa è la meccanica quantistica Ciò non significa che tutto puo succedere. L' essenza della fisica consiste nel descrivere cosa puo succedere e cosa non puo La fisica riduce tutto a geometria e alle interazioni delle particelle elementari e eventi possono accadere solo se queste interazioni sono perfettamente bilanciate

Procederò col parlarvi dello studio delle partielle cosa siano e come funziona quest' equilibrio In questa macchina un fascio di protoni e di antiprotoni sono accelerati ad una velocità vicina a quella della luce finchè non collidono producendo una scarica di pura energia Quest' energia si converte subito in una pioggia di particelle sub atomiche e rivelatori e computers registrano le loro proprietà Questa enorme machina, il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra ha una circonferenza di 27 kilometri e, quando funziona, consuma 5 volte di più di Monterey e, quando funziona, consuma 5 volte di più di Monterey Non possiamo predire con precisione quali particelle saranno prodotte in ciascuna collisione La meccanica quantistica ci dice che tutte le possibilità saranno realizzate la fisica ci dice quali particelle possono essere prodotte Queste particelle devono avere tanta massa e energia quanta ne avevano il protone e l' antiprotone d' origine Qualsiasi particella di massa superiore a questo limite non puo essere prodotta e non la vedremo Questo nuovo acceleratore è molto interesante perchè spingerà il limite d' energia di un fattore 7 volte superiore a quanto mai fatto prima e molto presto vedremo delle particelle nuove

Ma prima di parlare di ciò che potremmo vedere lasciatemi descrivere le particelle che conosciamo già C'e tutto uno zoo di particelle subatomiche la maggior parte di noi conosce gli elettroni molte persone in questa sala guadagnano un buon salario spingendoli di qui' e di la' (risata) L' elettrone ha un socio senza carica detto neutrino elettricamente neutro e con una piccolissima massa Per contro i quark up e down hanno grandi masse e si combinano in triplette per dar vita negli atomi a protoni e neutroni e si combinano in triplette per dar vita negli atomi a protoni e neutroni Tutte queste particelle materiali esistono nella varietà sinistrorsa e destrorsa e hanno corrispondenti antiparticelle di carica elettrica opposta Queste particelle a noi più familiari hanno parenti di seconda e terza generazione, con la stessa carica della prima ma una massa molto più grande Queste particelle materiali interagiscono fra di loro con le particelle delle forze La forza elettromagnetica interagisce con la materia carica elettricamente attraverso particelle chiamate fotoni C'è poi una forza molto debole chiamata, con poca immaginazione, l' interazione debole che agisce solo sulla materia sinistrorsa l' interazione debole che agisce solo sulla materia sinistrorsa La interazione forte agisce fra i quark che hanno un tipo diverso di carica, chiamata colore e sono di tre varietà differenti: rosso, verde e blu Potete lamentarvi con Murray Gell-Mann per i nomi è lui il responsabile In fine c'è la forza di gravità che interagisce con la materia attraverso la sua massa e spin

La cosa più importante da capire è che c'è un diverso tipo di carica associata con ciascuna di queste forze Queste quattro forze interagiscono con la materia in funzione della corrispondente carica che ha ogni particella Una particella che non è stata ancora vista ma siamo sicuri esista è la particella di Higgs che dà massa a tutte le altre la funzione proncipale del Large Hadron Collider è di scoprire la particella di Higgs e siamo quasi sicuri che lo farà. ma il mistero più grande e ': cos' altro vedremo? Verso la fine della presentazione vi mostrerò una bellissima possibilità

Se contiamo tutte le possibilità di particelle differenti con tutte le possibili cariche e spin arriviamo a 226 un sacco di particelle di cui occuparci Sembra strano che la natura richieda così tante particelle elementari ma se le grafichiamo in funzione della carica emergono dei magnifici disegni geometrici La carica più familiare è quella elettrica Gli elettroni hanno una carica elettrica negativa di uno e i quark hanno carica elettrica un terzo Quindi quando si combinano 2 quark up con uno down per fare un protone, la carica totale è uguale a +1 Le particelle hanno antiparticelle con carica opposta Succede che la carica elettrica risulta dalla combinazione di due altre cariche: l' hypercharge e la weak charge Se separiamo l' hypercharge dalla weak charge e disponiamo le particelle cariche in questo spazio bidimensionale la carica elettrica indica la posizione delle particelle lungo la direzione verticale Le forze elettromagnetiche e deboli interagiscono con la materia in funzione della loro hypercharge e weak charge che sono responsabili per questa distribuzione spaziale Questo è il Modello Unificato Elettrodebole che è stato realizzato nel 1967

La ragione per la quale la maggior parte di noi conosce bene la carica elettrica e non le altre due è a causa della particella di Higgs La Higgs qui sulla sinistra, ha una massa grande e rompe la simmetria elettrodebole Rende la forza debole molto debole dando alle particelle deboli una massa grande Dato che la massiccia Higgs si situa sull' asse orizzontale su questo diagramma, i fotoni dell' elettromagnetismo rimangono senza massa e interagiscono con la carica elettrica lungo la direzione verticale in questo spazio delle cariche. In questo modo le forze elettromagnetiche e deboli sono descritte da questo grafico bidimensionale di particelle cariche Possiamo includere l' interazione forte separando le sue due direzioni di cariche e rappresentando le cariche di questa forza con i quark lungo queste due direzioni Le cariche di tutte le particelle note possono essere disposte in uno spazio delle cariche a 4 dimensioni che si può proiettare su due dimensioni per poterlo raffigurare

Ogni volta che le particelle interagiscono la natura conserva un perfetto equilibrio fra tutte queste cariche Se una particella e un' antiparticella collidono si crea un' emissione d' energia e la carica si azzera in tutte e quattro le direzioni A questo punto qualunque cosa può emergere a patto che abbia la stessa energia e mantenga la carica totale uguale a zero Per esempio questa particella di interazione debole e la sua antiparticella possono essere create in una collisione In interazioni successive le cariche devono sempre bilanciarsi una delle particelle può decadere in un elettrone e un antineutrino e la carica totale delle tre è sempre zero La natura mantiene sempre un equilibrio perfetto Quindi questi disegni non solo solo belli ci dicono quali interazioni sono permesse e possiamo ruotare questo spazio di cariche in 4 dimensioni per veder meglio l' interazione forte che ha questa bella simmetria esagonale Nell' interazione forte, una particella di interazione, come questa interagisce con un color quark, come questo verde per formare un quark con diverso colore -- quello rosso e interazioni forti si verificano milioni di volte al secondo in ogni atomo del nostro corpo per tener insieme i nuclei atomici

Ma queste 4 cariche in corrispondenza di 3 forze non sono la fine della storia Possiamo includere altre due cariche in corrispondenza alla forza gravitazionale Includendole ogni particella materiale ha 2 cariche di spin, spin-up e spin-down quindi si ridividono ancora tutte costruendo un bel disegno nello spazio a 6 dimensioni della carica Possiamo ruotare questo disegno in 6 dimensioni e notare che è particolarmente bello Questo disegno riflette la nostra miglior comprensione attuale di come la natura sia fatta sulla piccola scala di queste particelle elementari Questo è quanto sappiamo per certo Alcune di queste particelle sono al lmite di quanto gli esperimenti hanno potuto rivelare Da questi disegni si può estrarre la fisica delle particelle a queste minime dimensioni. Il modo di funzionare dell' universo a queste scale è bellissimo

Ora discuterò di idee vecchie e nuove a proposito di cose che ancora non sappiamo Vogliamo espandere queste immagini usando solo la matematica e vedere di metter le mani su tutta la frittata senza romperla Vogliamo trovare tutte le particelle e le forze capaci di completare la nostra immagine dell' universo e vogliamo usare questa descrizione per predire nuove particelle che vedremo quando gli esperimenti raggiungeranno energie maggiori

C'è una vecchia idea della fisica delle particelle che questo noto disegno di cariche, che non è molto simmetrico emerga da una simmetria più completa che è rotta in maniera simile a come la particella di Higgs sopprime la simmetria elettrodebole per darci l' elettromagnetismo Per far ciò dobbiamo introdurre nuove forze con nuove direzioni di carica Introducendo una nuova direzione dobbiamo postulare quali cariche le particelle abbiano in quella direzione e poi possiamo inglobarle con le altre Se facciamo la congettura giusta ricostruiamo le cariche standard in 6 dimensioni come una simmetria soppressa di questo insieme di cariche più completo in 7 dimensioni

Questa scelta specifica corrisponde a una teoria unificata introdotta da Pati e Salam nel 1973 Quando guardiamo a questo nuovo sistema unificato vediamo una coppia di buchi dove sembra che manchino delle particelle Questo è il modo in cui fnzionano le teorie di unificazione Il fisico cerca delle simmetrie più grandi e regolari che includano come sottoinsieme le regolarità conosciute Il sistema allargato ci permette di predire l'esistenza di particelle ancora non scoperte Questo modello unificato predice l' esistenza di queste due nuove particelle di interazione che dovrebbero comportarsi in modo analogo alla interazione debole, ma in modo ancora più debole

Possiamo ruotare quest' insieme di cariche in 7 dimensioni e notare un fatto strano delle particelle materiali la seconda e terza generazione di materia hanno esattamente le stesse cariche della prima generazione nello spazio 6 dimensionale Queste particelle non sono univocamente identificate dalle loro sei cariche Sono disposte una sopra l' altra nello spazio delle cariche ordinario ma se lavoriamo in uno spazio a 8 dimensioni allora possiamo assegnare nuove cariche a ciascuna particella Poi possiamo muoverle in 8 dimensioni e vedere cosa succede alla configurazione Qui possiamo vedere la seconda e terza generazione della materia relazionata alla prima da una simmetria chiamata "triality"

Questa particolare configurazione di cariche in 8 dimensioni è parte della più bella struttura geometrica E' il disegno dell' E8 il più grande gruppo di Lie eccezionale. Questo gruppo di Lie è una superfice curva e liscia in 248 dimensioni Ogni punto in questa figura corrisponde a una simmetria di questa forma molto complessa e bella Una piccola parte di questa forma E8 può essere usata per descrivere lo spazio-tempo curvo della relatività generale di Einstein dando una spiegazione della gravità Con la meccanica quantistica la geometria di questa forma può descrivere il funzionamento di tutto quanto l' universo fino alla scala più piccola E il disegno di questa forma che vive nello spazio 8 dimensionale delle cariche è squisitamente bello e raccoglie migliaia di possibili interazioni fra queste particelle elementari, ciascuna delle quali non è altro che una sfaccettatura di questa forma complicata

Girandola possiamo vedere molte delle altre forme intricate in essa contenute Con una rotazione specifica possiamo guardare a quest' oggetto in 8 dimensioni lungo uno dei suoi assi di simmetria e vedere tutte le sue particelle contemporaneamente E' un bell' oggetto e come in ogni altro caso di unificazione si vedono dei buchi dove c'è bisogno di nuove particelle si vedono dei buchi dove c'è bisogno di nuove particelle Ci sono 20 posizioni per nuove particelle due delle quali sono state riempite dalle particelle di Pati e Salam Dalla loro posizione nel reticolo sappiamo che queste particelle sono campi scalari come la particella di Higgs ma hanno colore e interagiscono con l' interazione forte Introducendo queste particelle il reticolo è completo dandoci l' intero E8

Questo reticolo E8 ha radici matematiche profonde molti lo considerano la più bella struttura matematica molti lo considerano la più bella struttura matematica E' una magnifica prospettiva che quest' oggetto di grande bellezza matematica possa descrivere le interazioni delle particelle alla più piccola scala immaginabile E l' idea che la natura sia descritta dalla matematica non è per nulla nuova. Nel 1623 Galileo scrisse: "La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi agli occhi ma non si può intendere se prima non s’impara a intender la lingua e conoscer i caratteri. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto."

Io credo che questo sia vero e ho provato a seguire Galileo nell' uso della matematica per descrivere la fisica delle particelle usando solo triangoli, cerchi e altre figure geometriche Naturalmente quando altri fisici e io lavoriamo a queste cose la matematica può sembrare un labirinto scuro ma è rassicurante che al cuore di questa matematica ci sia della geometria pura e bellissima Insieme alla meccanica quantisitica questa matematica descrive il nostro universo come un corallo in E8 mentre cresce con ovunque particelle che interagiscono in tutti i modi possibili secondo uno schema elegante E man mano che la geometria si rivela a noi con l' uso di nuove macchine come il Large Hadron Collider, potremmo vedere se la natura usa questo schema E8 o un altro

Questo precesso di scoperta è un' avventura magnifica per chi vi è coinvolto Se l' LHC trovasse particelle che si adattano a questa geometria E8 sarebbe veramene straordinario Se l' LHC trovasse nuove particelle che non si adattano a questa geometria di E8 bè sarebbe molto interessante ma una brutta notizia per questa teoria e naturalmente non una buona cosa per me personalmente (risata) Sarebbe un gran male? Bè si. (risata)

Predire il funzionamento della natura è un gioco rischioso questa teoria, e altre di questo tipo, sono attività azzardate Uno fa un sacco di lavoro duro sapendo che la maggior parte di queste idee probabilmente si dimostrano false Questo e' occuparsi di fisisca teorica: ci sono un sacco di scarti In questo senso le teorie nuove in fisica sono come delle start-up Come con ogni tipo di investimento sostanzioso è emotivamente difficile abbandonare una linea di ricerca quado non stà funzionando Nella scienza se qualcosa non funziona bisogna gettarla e provare qualcosa di diverso

L' unico modo di mantenere la propria salute mentale ed essere felici in tutta quest' incertezza è di mantenere un equilibrio e un senso della prospettiva nella vita Ho cercato di vivere una vita il più possibile equilibrata (risata) Nella mia vita cerco di bilanciare la fisica con l' amore e il surf le mie 3 direzioni di carica (risata) Così anche se la fisica sulla quale stò lavorando và a finire in niente so di vivere una vita decente e cerco di vivere in bei posti Per la maggior parte degli ultimi 10 anni ho vissuto sull' isola di Maui un posto incantevole Uno dei più grandi misteri dell' universo per i miei genitori è come sia riuscito a sopravvivere tutto questo tempo senza un impiego a tempo pieno (risata)

Vi svelerò questo segreto Questa è la vista dal mio ufficio a Maui e questa è un altra, e un altra Avrete notato che queste bellissime viste sono simili ma in luoghi diversi E' perchè questa erano la mia casa e il mio ufficio a Maui (risata) Ho scelto una vita molto inusuale Ma non preoccuparsi dell' affitto mi ha permesso di occuparmi di ciò che amo Vivere una vita nomade a volte è stato duro ma mi ha permesso di vivere in posti magnifici e mantenere un equilibrio nella mia vita di cui sono soddisfatto Mi permette di passare molto tempo con corallo iper intelligente ma mi interessa molto anche la compagnia di gente iper intelligente quindi oggi sono molto contento di essere stato invitato qui Grazie e mille (applauso)

Chris Anderson: probabilmene ho capito il 2% ma mi è molto piaciuto, quindi ora farò la figura del fesso La tua teoria del tutto --

Garrett Lisi: sono abituato col corallo

CA: E' vero, la ragione per la quale la gente si è entusiasmata è perchè, se tu hai ragione unifica la gravità e la teoria quantistica Stai quindi dicendo che dovremmo pensare all' universo -- cioè che in fondo le cose più piccole al mondo sono una specie di oggetto E8? Cioè, c'è una scala al livello dele cose più piccole nella tua testa, o ...?

GL: ora la geometria che vi ho mostrato corrispondere a ciò che sappiamo delle particelle elementari già consiste in una forma molto bella e quella già la possiamo dare per certa Questa forma ha delle similitudini notevoli, e il modo in cui calza in questa geometria E8 potrebbe essere la parte mancante E questi reticoli di punti che vi ho mostrato rappresentano simmetrie di quest' oggetto a molte dimensioni che si deforma, si muove e danza nello spazio-tempo che noi conosciamo E questo spiega tutte queste particelle elementari che noi vediamo

CA: ma un teorico delle stringhe per come lo capisco io, spiega gli elettroni in termini di stringhe che vibrano in uno spazio molto più piccolo So che a te non piace la teoria delle sringhe - che vibrano dentro Come dovremmo pensare un elettrone rispetto a E8?

GL: No, sarebbe una delle simmetrie di questa forma E8 Quel che succede è che mentre la forma si muove nello spazio-tempo si rigira. Mentre si muove la direzione in cui si trova determina la particella che vediamo. Sarebbe come se....

CA: La dimensione della forma E8 in che relazione è con l' elettrone? Credo che saperlo aiuterebbe la mia immaginazione. E' più grande? E' più piccola?

GL: Bè per quanto ne so io gli elettroni sono puntiformi quindi della scala più piccola possibile Il modo in cui queste cose si spiegano nella teoria quantistica dei campi è che tutte le possibiltà si sviluppano e espandono allo stesso tempo. Per questo uso l' analogia col corallo E8 è una forma abbinata a tutti i punti dello spazio-tempo E8 è una forma abbinata a tutti i punti dello spazio-tempo E, come ho detto, il modo in cui la forma gira la direzione in cui si trova mentre si muove sulla superfice curva è l' essenza stessa delle particelle elementari Nella teoria quantistica dei campi si manifestano come punti e interagiscono come punti Non so se riuscirei ad essere più chiaro (risata)

CA: non importa evoca una sensazione di prodigio e certamente io voglio capirne di più Grazie e mille per essere venuto, è stato assolutamente affascinante (applauso)