Brian Greene
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Nel 1919, Theodor Kaluza, un matematico Tedesco quasi sconosciuto, propose un'ardita quanto bizzarra teoria. Avanzò infatti l'ipotesi che il nostro Universo potesse avere in realtà più dimensioni rispetto alle tre che noi tutti conosciamo. In aggiunta a sinistra/destra, dietro/davanti e sopra/sotto, Kaluza teorizzò che potessero esserci ulteriori dimensioni dello spazio che per qualche ragione non riusciamo ancora a vedere. Ora, quando uno propone una teoria ardita e bizzarra, di solito é solo questo: una teoria ardita e bizzarra, che nulla ha a che fare col mondo che ci circonda. Ma questa teoria in particolare, benché ancora non si sappia se è giusta o sbagliata, (e verso la fine vi spiegherò gli esperimenti che, nei prossimi anni, potrebbero dirci se è giusta o sbagliata) ha avuto un grosso impatto sui fisici in questo ultimo secolo e continua ad ispirare numerose ricerche all'avanguardia.

Vorrei dunque raccontarvi qualcosa sulla storia di queste dimensioni aggiuntive. Da dove cominciamo? Per iniziare, ci servono un paio di nozioni di base. Andiamo al 1907. In quell'anno, Einstein si godeva la fama conquistata scoprendo la Teoria della Relatività e decideva di cominciare un nuovo progetto, ossia cercare di comprendere appieno la potente e pervasiva forza di gravità. E a quel tempo, erano in molti a credere che quel progetto fosse già stato concluso. Newton aveva donato al mondo una teoria della gravità alla fine del XVII secolo che funzionava bene, descrivendo il moto dei pianeti, il moto della luna ed anche la storia delle mele che cadono dagli alberi colpendo le persone in testa. Tutto ciò poteva essere descritto usando la teoria di Newton.

Ma Einstein si accorse che Newton aveva tralasciato qualcosa, poiché anche Newton stesso scrisse che nonostante avesse capito come calcolare l'effetto della gravità, non era stato in grado di capire come realmente funzionasse. Com'è possibile che il Sole, distante 93 milioni di miglia, riesca a influenzare il moto della Terra? Come riesce il Sole ad estendere la sua influenza attraverso lo spazio vuoto e inerte? Fu l'obiettivo che Einstein si prefisse, capire come funziona la gravità. E lasciate che vi mostri cosa scoprì. Einstein scoprì che il mezzo che trasmette la gravità è lo spazio stesso. L'idea é questa: immaginate lo spazio come un substrato di tutto ciò che esiste.

Einstein disse che lo spazio, in assenza di materia, è come una tavola piatta. Ma nel caso ci sia materia nello spazio, come ad esempio il Sole, le "fibre" dello spazio vengono deformate, curvate. Ed è quello che trasmette la forza di gravità. Anche la Terra deforma lo spazio circostante. Ora guardate la Luna. Secondo questa teoria, la Luna rimane in orbita perché rotola lungo una "valle" nello spazio curvato che il Sole, la Luna e la Terra creano in virtù della loro presenza. Guardiamole insieme. La Terra stessa è tenuta in orbita poiché rotola lungo una "valle" nello spazio, curvato dalla presenza del Sole. Questa è la nuova teoria sul funzionamento della gravità.

Ora, questa teoria fu testata nel 1919 con osservazioni astronomiche. Funziona veramente, e avvalora i dati. Diede nuova fama ad Einstein in tutto il mondo. Ed è questo che diede da pensare a Kaluza. Come Einstein, Kaluza era in cerca di una "teoria unificata". Una sola teoria in grado di descrivere tutte le forze della natura con un solo insieme di idee, di principi, una "equazione madre", se volete. Kaluza si disse che, se Einstein era stato in grado di descrivere la gravità in termini di deformazioni e curvature nello spazio (spazio e tempo, per essere più precisi), allora forse lui poteva utilizzare lo stesso stratagemma con l'altra forza conosciuta, che all'epoca era la forza elettromagnetica. (al giorno d'oggi ne conosciamo altre, ma all'epoca quella era l'unica a cui tutti pensavano). Sapete, quella forza responsabile dell'elettricità, dell'attrazione magnetica e così via.

Dunque Kaluza si disse che forse poteva utilizzare lo stesso stratagemma e descrivere la forza elettromagnetica con deformazioni e curvature. Da qui la fatidica domanda: deformare e curvare...che cosa? Einstein aveva già usato lo spazio, il tempo, deformazioni e curvature per descrivere la gravità. Non sembrava esserci nient'altro da deformare o curvare. Allora Kaluza pensò che forse lo spazio avesse più dimensioni. Pensò che se avesse voluto descrivere un'altra forza, avrebbe avuto bisogno di una dimensione aggiuntiva. Allora immaginò che il mondo avesse 4 dimensioni dello spazio, non tre, e che anche l'elettromagnetismo fosse un insieme di deformazioni e curvature in quella quarta dimensione. Ma ecco il punto chiave: quando scrisse le equazioni per descrivere le deformazioni e le curvature in un Universo con quattro dimensioni, e non tre, egli trovò le vecchie equazioni che Einstein aveva già applicato alle tre dimensioni (erano quelle per la gravità) ma riuscì a identificare anche un'equazione aggiuntiva da applicare alla quarta dimensione. E quando osservò quell'equazione, essa non era altro che l'equazione che gli scienziati da tempo conoscevano per descrivere la forza elettromagnetica. Saltò fuori da sola. Straordinario. Era talmente esaltato dalla scoperta che corse in giro per casa urlando "Vittoria!" poiché aveva trovato la teoria unificata.

Chiaramente, Kaluza era un uomo che prendeva la teoria molto seriamente. Infatti gira voce che quando volle imparare a nuotare, prima lesse un libro, un saggio sul nuoto (Risate) e solo dopo si tuffò nell'oceano. Questo è un uomo che rischierebbe la propria vita per una teoria. Ma per quelli come noi, che sono un pò più "pratici", due domande sorgono spontanee da queste osservazioni. Prima domanda: se lo spazio ha più dimensioni, dove sono? Sembra che non riusciamo a vederle. Seconda domanda: questa teoria funziona veramente in dettaglio, se applicata al mondo che ci circonda? La prima domanda ottenne risposta nel 1926 da un uomo di nome Oskar Klein. Klein ipotizzò l'esistenza di due tipi di dimensioni: dimensioni grandi, e facili da vedere, ma anche dimensioni piccole e raggomitolate, talmente piccole che, nonostante ci circondino, non riusciamo a vederle.

Lasciate che ve lo mostri visivamente. Immaginate di guardare qualcosa, come un cavo che sostiene un semaforo. Si trova a Manhattan. Siete a Central Park — questo non è rilevante — Il cavo sembra avere un'unica dimensione guardandolo da distante, ma noi tutti sappiamo che ha un suo spessore. È comunque difficile da vedere, così da lontano. Ma se ci avviciniamo e prendiamo la prospettiva di, per esempio, una piccola formica che ci passeggia sopra, le formiche sono talmente piccole che hanno accesso a tutte le dimensioni — la lunghezza, ma anche questa direzione oraria e anti-oraria. Spero vi piaccia. Abbiamo impiegato parecchio tempo per convincerle a farlo.

(Risate)

Ma questo dimostra l'esistenza di due tipi di dimensioni: grandi e piccole. E anche l'ipotesi che, forse, le grandi dimensioni che ci circondano sono le sole che possiamo facilmente vedere, ma possono essercene altre raggomitolate, tipo la sezione circolare di quel cavo, talmente piccole da essere tutt'ora invisibili. Lasciate che vi mostri come potrebbe essere. Se diamo un'occhiata, diciamo, allo spazio stesso (ovviamente sullo schermo posso mostrarvi solo due dimensioni. Un giorno qualcuno di voi ovvierà a questo problema) considerando che tutto ciò che non è piatto su uno schermo è una nuova dimensione, rimpicciolendo sempre di più scendendo fino ai dettagli microscopici dello spazio stesso... questa è l'idea: potrebbero esserci altre dimensioni raggomitolate.

Ecco la piccola figura di un cerchio — così piccola che non riusciamo a vederla. Ma se foste una piccola microscopica formica che gironzola, potreste sia camminare nelle grandi dimensioni che noi tutti conosciamo, rappresentate dalla griglia, sia accedere a quella piccola dimensione raggomitolata, talmente piccola da non poter essere vista ad occhio nudo e nemmeno dai nostri strumenti più sofisticati. Ma l'idea è che ci possano essere più dimensioni nascoste nelle profondità delle "fibre" dello spazio, come vediamo qui. Questo é un modo di spiegare come l'Universo possa avere più dimensioni oltre a quelle che vediamo. Passiamo alla seconda domanda che ci siamo posti: la teoria funziona davvero, quando viene applicata al mondo reale?

Beh, sembra che Einstein, Kaluza e molti altri abbiano cercato di lavorare su questo punto applicandola alle teorie fisiche sull'Universo conosciute all'epoca, e in alcuni dettagli questa teoria non funzionò. Uno dei dettagli, per esempio, fu che non riuscirono a elaborare correttamente, con questa teoria, la massa degli elettroni. Tantissime persone hanno lavorato al progetto, ma forse già negli anni 40, e sicuramente negli anni 50, quest'ipotesi tanto strana quanto affascinante su come unificare le leggi della fisica, venne scartata. Finchè qualcosa di stupendo successe nella nostra epoca. Nella nostra era, un nuovo approccio per unificare le leggi della fisica viene nuovamente ricercato da fisici come me, e da molti altri in tutto il mondo, chiamato, come dicevate, teoria delle superstringhe. La cosa stupenda è che la teoria delle superstringhe, a prima vista, non ha nulla a che fare con l'idea di dimensioni aggiuntive, ma studiandola a fondo, dona a quella teoria una nuova smagliante forma.

Lasciate che vi dica come funziona. Cos'é la teoria delle superstringhe? Beh, è una teoria che cerca di dare risposta alla seguente domanda: quali sono i costituenti base fondamentali, indivisibili e non tagliabili, di tutto ciò che ci circonda nel mondo? L'idea è questa. Immaginate di osservare un oggetto familiare, una candela in un portacandele, e immaginate di voler sapere di cosa essa è fatta. Cominceremo un viaggio all'interno dell'oggetto per esaminarne i costituenti. Quindi all'interno... sappiamo tutti che in profondità ci sono gli atomi. Sappiamo anche che gli atomi non sono la fine della storia. Hanno dei piccoli elettroni che sciamano attorno ad un nucleo centrale, con neutroni e protoni. Anche neutroni e protoni contengono particelle più piccole, chiamati quark. E qui le idee convenzionali si fermano.

Ecco la nuova idea della teoria delle stringhe. All'interno di queste particelle, c'è qualcos'altro. Questo "altro" è un insieme di filamenti d'energia vibranti. Sembrano delle corde vibranti, da cui il nome della teoria. E proprio come le corde vibranti di un violoncello possono vibrare in toni differenti, anche queste possono vibrare con toni diversi. Non producono differenti note musicali. Piuttosto, producono differenti particelle, creando il mondo che ci circonda. Quindi se queste ipotesi sono corrette, il paesaggio ultra-microscopico dell'Universo appare così. È formato da un numero enorme di questi piccoli filamenti di energia vibrante, che vibrano a diverse frequenze. Frequenze diverse producono particelle diverse. E le differenti particelle sono la causa della varietà di cose del mondo.

Ed è qui che otteniamo l'unità, poichè particelle di materia, elettroni e quarks, particelle radioattive, fotoni e gravitoni sono tutti nati da una sola entità. Così, sia la materia che le forze della natura sono unite sotto il segno delle stringhe vibranti. Ed è questo che intendiamo per teoria unificata. Ma c'é un problema. Quando si studia la matematica della teoria delle stringhe, ci si accorge che non funziona in un Universo composto da tre sole dimensioni. Non funziona neanche in un Universo con quattro dimensioni, nemmeno con cinque o sei. È possibile studiare l'equazione, e dimostrarne la veridicità, solo in un Universo con 10 dimensioni spaziali ed una temporale. Tutto questo ci riporta alle idee di Kaluza e Klein: il nostro mondo, quando descritto adeguatamente, ha più dimensioni di quelle che vediamo.

Ora, potreste pensare che, beh, d'accordo, se ci sono dimensioni aggiuntive, ma sono talmente raggomitolate, talmente piccole, probabilmente non riusciremo a vederle. Ma se ci fosse una piccola civilizzazione di piccoli omini verdi che camminano là dentro, li rendessimo abbastanza piccoli e non riuscissimo a vedere neanche loro, la teoria sarebbe giusta. Una delle altre previsioni della Teoria delle Stringhe... no, non è una delle altre previsioni della Teoria delle Stringhe.

(Risate)

Ma solleva comunque una domanda: stiamo per caso cercando di nascondere queste dimensioni aggiuntive, oppure ci dicono davvero qualcosa del mondo? Nel tempo che ci rimane, vorrei parlarvi di due loro caratteristiche. La prima è che molti di noi credono che queste dimensioni aggiuntive contengano la risposta alla domanda forse più profonda della fisica teorica, della scienza teorica: quando osserviamo il mondo, come gli scienziati hanno fatto negli ultimi cento anni, sembrano esserci circa 20 numeri che descrivono bene il nostro Universo. Questi sono numeri come la massa delle particelle, gli elettroni e i quark, la forza di gravità, la potenza della forza elettromagnetica — una lista di circa 20 numeri misurati con incredibile precisione, ma nessuno sa spiegarsi perché questi numeri abbiano i particolari valori che hanno.

La teoria delle stringhe ci dà una risposta? Non ancora. Ma noi crediamo che la risposta al perché quei numeri hanno il valore che hanno potrebbe essere legata alla teoria delle dimensioni aggiuntive. E la cosa stupenda è che, se quei numeri avessero avuto altri valori rispetto a quelli che hanno, l'Universo, come lo conosciamo, non esisterebbe. Questa è la domanda profonda. Perché quei numeri sono così finemente sintonizzati da permettere alle stelle di brillare e ai pianeti di formarsi, sappiamo che se si giocherella con quei numeri — se avessi 20 manopoline qui sopra e vi facessi venire qui a giocherellare con quei numeri, quasi ogni modifica farebbe scomparire l'Universo. Quindi, possiamo spiegare questi 20 numeri? La teoria delle stringhe suggerisce che quei 20 numeri abbiano a che fare con le dimensioni aggiuntive. Lasciate che vi mostri come. Quando parliamo di dimensioni aggiuntive nella teoria delle stringhe, non si tratta di una sola dimensione aggiuntiva, come nelle vecchie teorie di Kaluza e Klein. Questo è ciò che la teoria delle stringhe ci dice sulle dimensioni aggiuntive. Hanno una geometria molto ricca e intrecciata.

Questo è un esempio di una cosa nota come "forma Calabi-Yau" — il nome non è così importante. Ma come potete vedere, le dimensioni aggiuntive si piegano su sé stesse e si intrecciano in modo da creare una struttura molto interessante. E l'idea è che se è così che appaiono le dimensioni aggiuntive, allora il paesaggio microscopico dell'Universo che ci circonda apparirebbe così. Nel momento in cui agitate la mano, sballottereste in continuazione queste dimensioni aggiuntive, ma sarebbero talmente piccole che nemmeno ve ne accorgereste. Qual'è dunque l'applicazione pratica di questa teoria, in relazione a quei 20 numeri?

Considerate questo. Se osservate questo strumento musicale, un corno francese, noterete che le vibrazioni delle correnti d'aria sono influenzate dalla forma dello strumento. Ora, nella Teoria delle Stringhe, tutti i numeri sono il risultato di come le stringhe possono vibrare. Quindi, proprio come quelle correnti d'aria sono influenzate dalle pieghe e curve dello strumento, così le stringhe stesse sono influenzate dai vari tipi di vibrazione nelle linee geometriche in cui esse si muovono. Fatemi introdurre un pò di stringhe nell'animazione. Se osservate questi piccoli amici vibrare — appariranno a breve, noterete che il modo in cui vibrano è influenzato dalla geometria delle dimensioni aggiuntive.

Quindi, se conoscessimo esattamente la forma di queste dimensioni aggiuntive — ancora non la conosciamo, ma se la conoscessimo — saremmo in grado di calcolare le "note" e i tipi di vibrazione permessi. E se riuscissimo a calcolare i tipi di vibrazione permessi, dovremmo essere in grado di calcolare quei 20 numeri. E se la risposta che otteniamo dai nostri calcoli coincidesse con i valori di quei numeri, che sono stati determinati attraverso esperimenti dettagliati e precisi, questa sarebbe per molti versi la prima spiegazione fondamentale del perché la struttura dell'Universo appare così com'è. La questione con cui voglio concludere è: come possiamo ricercare queste dimensioni aggiuntive in maniera più diretta? Si tratta solo di una struttura matematica interessante che potrebbe spiegarci alcune caratteristiche del mondo prima ignote, oppure possiamo realmente cercare queste dimensioni aggiuntive? Pensiamo (e lo trovo esaltante) che, nei prossimi cinque anni circa, potremmo essere realmente in grado di ricercare l'esistenza di queste dimensioni aggiuntive.

Ecco come. Al CERN, a Ginevra, in Svizzera, stanno costruendo una macchina chiamata Large Hadron Collider. È una macchina che invierà particelle in un tunnel, in direzioni opposte, quasi alla velocità della luce. Ogni tanto queste particelle verranno messe in traiettoria per farle scontrare. La speranza è che, se la collisione avrà abbastanza energia, alcuni detriti saranno espulsi dalla nostra dimensione, finendo in un'altra. Come faremo a saperlo? Beh, misureremo la quantità di energia dopo la collisione, la paragoneremo alla quantità precedente lo schianto, e se noteremo un calo di energia, questa sarà la prova che dell'energia è stata dispersa. E se verrà dispersa secondo lo schema che possiamo calcolare, questa sarà la prova dell'esistenza di ulteriori dimensioni.

Lasciate che vi dia una dimostrazione visiva. Immaginate di avere un tipo di particella, chiamata gravitone (questo è il tipo di detriti che ci aspettiamo venga espulso se le dimensioni aggiuntive esistono veramente). Ma ecco come funziona l'esperimento. Prendete queste particelle. Le fate schiantare tra loro. Se abbiamo ragione, una parte dell'energia creata dalla collisione si trasformerà in detriti che verranno catapultati nella dimensione aggiuntiva. Questo è il tipo di esperimento a cui assisteremo nei prossimi cinque, sette o dieci anni circa. E se l'esperimento porterà i suoi frutti, se vedremo espulsa quel tipo di particella, osservando la diminuzione di energia nella nostra dimensione rispetto a quella iniziale, ciò dimostrerà l'esistenza di dimensioni aggiuntive.

Trovo questa storia degna di nota, e un'importante opportunità. Newton considerava lo spazio "assoluto", nient'altro che una "arena", un palco dove gli eventi dell'Universo hanno luogo. Poi sopraggiunge Einstein e dice, "Beh, lo spazio e il tempo possono deformarsi e curvarsi, la gravità é questo." E ora sopraggiunge la Teoria delle Stringhe che dice: "Sì, gravità, meccanica quantistica, elettromagnetismo sono tutte unite in un unico blocco teorico, ma solo se l'Universo possiede più dimensioni rispetto a quelle che vediamo." E questo esperimento potrebbe scoprirle nel corso della nostra vita. Un'opportunità straordinaria. Grazie mille.

(Applausi)