Il sogno di Einstein
[Sotto il post in Italiano]
This is a story that started long before you and I were born. It’s a testament of human’s imagination, curiosity and thirst for knowledge. You wouldn’t be reading this on a computer if it wasn’t for the people in this story, and everything we use daily that make our lives better, from glasses to GPS systems, from cellphones to televisions, we owe it to them. Even though we still don’t know how it ends, it’s a story worth telling.
It all started an afternoon in the summer of 1646. Isaac Newton was in his garden, when all of a sudden an apple fell on the ground from a tree. A radical thought went through his head: what if the force that pulled that apple to the 
ground was the very same force that kept the moon in orbit around Earth? He rushed inside the house and started working on a theory that would take ten years of his life. But finally, in 1656, he had completed it. In that year, he published a book called Principia Mathematica, that introduced a beautiful theory explaining the motions of all heavenly bodies. He called it “theory of universal gravitation“, as it seemed to apply to all objects. Even though almost 400 years have passed, that theory is still being used and taught today.
The theory of gravity was able to predict the motion of the planets as well as their position. It states that gravity is an attractive force exerted between two objects, and it is equal to G, a gravitational constant, times the product of the masses of the two objects divided by the square of the distance between them:
F = G*M1*M2/d²
Of course, like all theories, it was based on some assumptions:
- Space and time were static entities where everything was happening.
- Gravity was a force that acted instantaneously at a distance.
And there was no explanation of why gravity behaved in such a way. The theory dominated for over 250 years and made Isaac Newton the father of modern physics. In the meantime, on the verge of a new century, James Clerk Maxwell, a British mathematician, developed four elegant and simple equations that explained the behavior of another force of nature: electromagnetism. He also calculated the speed of these electromagnetic waves and found them to surprisingly coincide with the speed of light. He had made a discovery that solved a mystery that had been baffling scientists for hundreds of years: light was nothing more than an electromagnetic wave.
Electromagnetism is the force that keeps electrons in orbit around their atom nuclei. It basically keeps the matter we are made of together. Like gravity, it gets weaker with the square of the distance between two charged bodies, but unlike gravity, it can also be a repulsive force. Maxwell’s electromagnetic theory was fully confirmed in 1887 (8 years after his death) by an experiment of German physicist Heinrich Hertz, who produced the first man-made radio waves.
At this point there was a sense in the scientific community that everything that needed to be discovered was already unveiled, and nothing more was to be known. But not even two decades later, an unknown clerk in a Swiss patent office completely shattered that notion. From April to November 1905, in only 8 months, Albert Einstein published four fantastic papers that completely changed the understanding of the world. The first was a paper on Brownian motion, effectively demonstrating the existence of atoms. The second was about small packets of energy called light quanta and a principle, “the photoelectric effect“, based on the existence of those very same quanta. That paper launched a whole new field of physics called quantum mechanics. The third was special relativity, a paper so radical and far away from our common intuition that shook our understanding of space and time for ever. The forth one contained what later became the most famous equation in science:
E=mc².
Einstein found that mass and energy where just two flavors of the same entity.
Feeling that what he had already 
accomplished wasn’t enough, Albert Einstein embarked in a journey to generalize his theory of special relativity in order to include gravity. More than ten years later, in 1916, he had finally completed it: he called it general relativity. The famous problem in Newton’s gravitational theory was finally solved. In general relativity, space and time were interconnected. As already stated in special relativity, space and time were not static, as believed by Newton, but they could dilate, contract, bend. Space was not just a place where things were happening and time was not just a way to define when they happened. Space-time, as he coined it, was a fabric that actively participated in the dynamic of the cosmos. Massive objects had the ability to bend the fabric of space-time forcing every body moving on it to follow that curvature, and that was true even for light. All of a sudden, gravity was not just a force that acted mysteriously and instantaneously at a distance, but was the manifestation of the curvature of space-time created by massive objects.
The Earth orbits around the Sun, because the Sun’s big mass curves space-time, forcing the Earth to follow that curvature. You can imagine space-time as the fabric of a trampoline, the Sun as a heavy bowling ball placed on top of it and the Earth as a marble rolling on the surface. The marble will change its direction once close to the curvature created by the bowling ball. His work sparked a new revolution, creating whole fields of research in theoretical physics and opening up new possibilities. One of them was quantum mechanics. Albert Einstein received his Nobel prize in 1922 (it was actually the 1921 prize, assigned late) for the discovery of the photoelectric effect. Surprisingly enough, he didn’t receive it for his much celebrated work on general relativity.
That same year, Neil Bohr won a Nobel prize in physics for his successful model of the atom. Einstein and Bohr are considered to be the fathers of quantum mechanics. In those years many ideas started to pop up in the attempt of describing the newly discovered world of the small. But as experiments were performed and theories formulated, a strange world started to emerge. The quantum mechanics domain was not as intuitive and deterministic as the classical physics one was. Bizarre properties started to be discovered. That attracted the interests of many young physicist but at the same time started to make Albert Einstein uncomfortable.
Quantum mechanics defines the behavior and interaction of energy and matter at the atomic and sub-atomic level. The first contribution was made by Max Planck in 1900, who suggested that electromagnetic energy could only be emitted in quantized form. In 1905, Albert Einstein’s paper on the photoelectric effect confirmed Planck’s hypothesis and stated that light itself consisted of individual quantum particles, later coined photons. In 1913, Niels Bohr devised 
his first model of the atom, depicting it as a small, positively charged nucleus surrounded by electrons that traveled in circular orbits around it. The positions of the orbits, however, could not be continuous like normally would happen in the world of classical physics, but they must have discrete values. When an atom emitted or absorbed energy, the electron orbiting its nucleus did not move in a continuous trajectory from one orbit to another, as might be expected classically. Instead, the electron would jump instantaneously from one orbit to another, giving off light in the form of a photon. This quantization of observable quantities, is perhaps one of the most peculiar aspects of quantum mechanics.
The field started to shape form as contributions became more numerous and more discoveries were made. In 1925, Wolfgang Pauli formulated the exclusion principle, that states that no two electrons in a single atom can have the same four quantum numbers, where quantum numbers are a set of values that define uniquely the position and spin of an electron in the atomic system. Another interesting and astonishing property of quantum mechanics is the wave-particle duality that matter exhibits. Such a duality was demonstrated in 1927 on electrons. English Physicist George Thompson showed that a beam of electrons could manifest the behavior of diffraction, typical of a wave, just like a beam of light. The idea was first proposed in 1924 by French physicist Louis de Broglie. Both of them were later awarded the Nobel prize in physics for their contribution. In 1925, building on de Broglie’s hypothesis, Erwin Schrödinger developed an equation that describes the behavior of a quantum mechanical wave. The equation, later called the Schrödinger equation, is central to quantum mechanics, and defines the permitted states of a quantum system as well as describing how the quantum state of a physical system changes in time. Schrödinger was able to calculate the energy levels of the hydrogen atom treating the electron like a wave. This calculation accurately reproduced the model predicted by Bohr.
In that same year, Werner Heisemberg published a paper that described another incredible property of quantum mechanics: the uncertainty principle. The principle states that it is impossible to determine simultaneously both the position and the momentum of an electron or any other particle with any great degree of accuracy or certainty. The more precisely one property is measured, the less precisely the other one can be calculated. But perhaps one of the most shocking properties of the quantum world, and widely considered as being the main characteristic of the field is entanglement. Quantum entanglement states that a pair of particles can be created as entangled twins, which means that an action that measures one characteristic of one particle will instantaneously determine the same or other characteristic of its entangled twin, regardless of the distance separating them.
What does that mean? Particles can have a property known as spin. If they spin counter-clockwise they are said as spinning “up”, while if they spin clockwise they are said as spinning “down”. Einstein and two of his colleagues, Podolsky and Rosen, found that two particles can be set up in such a way that both are in a mixture of both states (spinning up and down), or more precisely, they both have 50% chance of being in one of the two states, but that has yet to be defined. At this point the two particles are separated and brought at a distance from one another where they can presumably interact no longer. Let’s say that one particle is in Europe, while the other one is in the US. What Einstein, Podolsky and Rosen found from the math was that at the moment when the spin of the particle in Europe was measured, and let’s say is found out to be in the “up” state, the one in the US instantaneously snapped in the “down” state, even though the two particles were incredibly far away and couldn’t possibly be interacting with one another. Einstein called this interaction a “spooky action at a dinstance”. This was in fact a thought experiment, also called EPR paradox, introduced by Einstein and his two colleagues (EPR stands for Einstein, Podolsky and Rosen), in order to show that this was such a crazy implication in quantum theory that demonstrated it was not complete. In fact, Einstein never accepted quantum mechanics as a “real” and complete theory, as he could not believe that “information” could travel faster than light between the two particles. Many years later entanglement was experimentally proven to be correct.
Are you still there? Why am I telling you all this? In the last 30 years of his life Albert Einstein tried to develop a theory that would encompass and unify all forces. He wanted to unify gravity and electromagnetism, as well as the world of the small and the world of the big, he wanted to create a theory of everything. A dream that unfortunately he wasn’t able to fulfill in his lifetime. During his life and even after his death two more forces have been discovered:
- The weak force (discovered in the 1930s) is responsible for the decay of atoms and radioactivity.
- The strong force (discovered in the 1970s), which binds protons and neutrons together to form the nucleus of an atom.
The standard model of particle physics seems to be heading toward that direction. The standard model is a theory of quantum mechanics that is able to describe the dynamics and interactions of the known subatomic particles, and it does incorporate together the physics of the electromagnetic, weak and the strong force. The force that is still being left out is gravity, described by general relativity. As of now, the two theories seem irreconcilable. But there is still hope for Einstein’s dream. Since the early 1970s a new theory in particle physics has risen with the attempt to reconcile quantum mechanics and general relativity: string theory.
The basic idea behind string theory is to redefine what matter and energy are made of. We know that if you would have a microscope powerful enough to magnify into the screen you are looking at now, we would see atoms. If we would 
magnify even further we would find electrons orbiting around the atoms’ nuclei, which are made out of protons and neutrons. If we could go even deeper we would see the particles that make up the protons and neutrons, called quarks. String theory says that if we could tune our microscope to magnify what we are seeing even more, inside what we now call the fundamental particles, such as electrons and quarks, we would see little filaments of energy called strings. Those strings, have the property of vibrating in different patterns. Like a string of a guitar can vibrate to create different notes, each string of energy can vibrate to create all the different particles that make up the universe. The general theory of relativity and the theory of quantum mechanics work very well in their own domain, but when they are put together, they give completely wrong predictions when tested in the domain of the other. String theory seems to describe a universe in which those two theories are part of the same framework (strings), and could find a way to unify them together into a grand, majestic theory of everything.
Of course, there are implications. String theory now evolved into something called M-theory, which predicts a world with 11 dimensions (!) and possibly parallel universes. The Big Bang could not have been just a single event that sparked our universe into existence, but just one of many Big Bangs that created many universes.
This seems very complicated and unbelievable, but it may as well turn out to be true. As of now we are not able to test the predictions and the validity of string theory, but maybe one day technology will get there.
So this is where the story ends for now, but hopefully there will be a day when we’ll have only one theory, only one equation, only one notion to describe the workings of the whole universe, and maybe we will be able to finally answer some of the fundamental questions that humans have been asking for generations: How did the universe begin? How did it evolve to where we are now? What happened before the Big Bang?
We may never fulfill Einstein’s dream, but maybe we will, and that’s incredibly exciting.
*****
Questa è una storia che è iniziata molto prima che io e tu nascessimo. È un testamento all’ immaginazione, curiosità e sete di conoscenza umana. Non potresti leggere questo articolo su un computer se non fosse stato per le persone in questa storia, e tutto ciò che usiamo quotidianamente che migliora la nostra vita, dagli occhiali ai GPS, dai cellulari ai televisori, lo dobbiamo a loro. Anche se ancora non sappiamo come finisce, è una storia che vale la pena raccontare.
Tutto iniziò un pomeriggio d’estate del 1646. Isaac Newton si trovava nel suo giardino, quando tutto d’un tratto una 
mela cadde a terra da un albero. Un pensiero radicale attraversò la sua mente: e se la forza che ha fatto cadere la mela per terra fosse la stessa forza che tiene la luna in orbita attorno alla Terra? Si precipitò all’interno della sua casa e iniziò a lavorare su una teoria che occupò dieci anni della sua vita. Ma finalmente, nel 1656, riuscì a completarla. In quell’anno, pubblicò un libro intitolato Principia Mathematica, che introduceva una bellissima teoria che spiegava i movimenti di tutti i corpi celesti. La chiamò “teoria della gravitazione universale“, perchè sembrava che si applicasse a tutti gli oggetti. Anche se sono passati quasi 400 anni, la teoria è ancora usata ed insegnata oggi.
La gravità era in grado di prevedere il moto dei pianeti e le loro posizioni. La teoria affermava che la gravità era una forza attrattiva esercitata tra due oggetti, pari a G, una costante gravitazionale, per il prodotto delle masse dei due oggetti divisa per il quadrato della distanza fra di loro:
F = G*M1*M2/d²
Naturalmente, come tutte le teorie, si basava su alcuni presupposti:
- Spazio e tempo erano entità statiche in cui tutto si svolgeva. -
- La gravità era una forza che agiva a distanza in modo istantaneo.
E non c’era alcuna spiegazione del motivo per il quale la gravità si comportava in quel modo. La teoria ha dominato per oltre 250 anni ed ha reso Isaac Newton il padre della fisica moderna. Nel frattempo, alla vigilia di un nuovo secolo, James Clerk Maxwell, un matematico britannico, sviluppava quattro eleganti e semplici equazioni che spiegavano il comportamento di un’altra forza della natura: l’elettromagnetismo. Maxwell riuscì anche a calcolare la velocità di queste onde elettromagnetiche e scoprì che coincidevano sorprendentemente con la velocità della luce. Aveva fatto una scoperta che risolveva un mistero che aveva eluso gli scienziati per centinaia di anni: la luce non era altro che un’onda elettromagnetica. L’elettromagnetismo è la forza che mantiene gli elettroni in orbita intorno ai nuclei degli atomi. Sostanzialmente tiene insieme la materia di cui siamo fatti. Come la gravità, si indebolisce con il quadrato della distanza, ma a differenza della gravità, può essere anche una forza repulsiva. La teoria elettromagnetica di Maxwell venne pienamente confermata nel 1887 (8 anni dopo la sua morte) da un esperimento condotto dal fisico tedesco Heinrich Hertz, che produsse le prime onde radio artificiali.
A questo punto la comunità scientifica pensava che tutto ciò che doveva essere scoperto era già stato svelato, e che non ci fosse più nulla da conoscere. Ma meno di due decenni più tardi, uno sconosciuto impiegato dell’ufficio brevetti di Berna distrusse completamente quella nozione. Da aprile a novembre 1905, nell’arco di otto mesi, Albert Einstein pubblicò quattro fantastici articoli che cambiarono completamente la nostra comprensione del mondo. Il primo era un articolo sul moto browniano che dimostrava effettivamente l’esistenza degli atomi. Il secondo si concentrava su piccoli pacchetti di energia chiamati quanti di luce e su un principio intitolato “effetto fotoelettrico“, basato sull’esistenza degli stessi quanti. Quell’articolo finì per fondare un campo completamente nuovo della fisica chiamato meccanica quantistica. Il terzo era un’articolo sulla relatività ristretta, una teoria così radicale e lontana dalla nostra intuizione comune che scosse la comprensione dello spazio e del tempo per sempre. Il quarto conteneva quella che in seguito divenne l’equazione più famosa nella scienza:
E = mc²
Einstein scoprì che massa ed energia erano semplicemente due versioni della stessa entità.
Sentendo che ciò che aveva già compiuto non era ancora sufficiente, Albert Einstein iniziò a generalizzare la sua teoria della relatività ristretta, al fine di includere la gravità. Oltre dieci anni più tardi, nel 1916, aveva finalmente completato
l’opera: la chiamò teoria della relatività generale. Il famoso problema nella teoria della gravitazione di Newton era stato finalmente risolto. Nella relatività generale, spazio e tempo erano interconnessi. Come già indicato nella relatività ristretta, spazio e tempo non erano entità statiche, come creduto da Newton, ma si potevano dilatare, contrarre e piegare. Lo spazio non era solo un luogo dove le cose accadevano ed il tempo non era solo un modo per definire quando succedono. Lo spazio-tempo, come lui lo coniò, era un tessuto che partecipava attivamente nella dinamica del cosmo. Gli oggetti con grandi masse potevano piegare il tessuto dello spazio-tempo costringendo ogni corpo che si muoveva su di esso a seguire quella curvatura, e questo era vero persino per la luce.
Tutto ad un tratto, la gravità non era solo una forza che agiva istantaneamente e misteriosamente a distanza, ma la manifestazione della curvatura dello spazio-tempo creata da oggetti con grandi masse. La Terra orbita intorno al Sole, perché la grande massa del Sole curva lo spazio-tempo, costringendo la Terra a seguire questa curvatura. Potete immaginare lo spazio-tempo come il tessuto di un tappeto elastico, il Sole come una pesante palla da bowling posizionata su di esso e la Terra come una biglia che rotola sulla superficie. La biglia cambia direzione di moto quando si avvicina alla curvatura creata dalla palla da bowling. Il lavoro di Einstein ha messo in moto una nuova rivoluzione nel campo della scienza, la creazione di interi campi di ricerca in fisica teorica ed ha aperto nuove possibilità. Uno di questi era la meccanica quantistica. Albert Einstein ricevette il premio Nobel nel 1922 (in realtà era il premio del 1921, assegnato in ritardo) per la scoperta dell’effetto fotoelettrico. Sorprendentemente, non lo ricevette per la tanto celebrata toria della relatività generale. Quello stesso anno, Neil Bohr vinse il premio Nobel per la fisica per il suo modello dell’atomo. Einstein e Bohr sono considerati i padri della meccanica quantistica. In quegli anni, molte idee cominciarono a nascere nel tentativo di descrivere il nuovo mondo del piccolo. Ma quando esperimenti vennero effettuati e teorie formulate, uno strano mondo cominciò ad emergere. Il dominio della meccanica quantistica non era così intuitivo e deterministico come il dominio della fisica classica. Bizzarre proprietà cominciarono ad essere scoperte. Questo attirò l’attenzione di molti giovani fisici, ma allo stesso tempo iniziò a mettere Albert Einstein a disagio.
La meccanica quantistica definisce il comportamento e l’interazione di energia e materia a livello atomico e sub-atomico. Il primo contributo venne fatto da Max Planck nel 1900, che suggeriva che l’energia elettromagnetica poteva essere emessa soltanto in forma quantizzata. Nel 1905, l’articolo di Albert Einstein sull’effetto fotoelettrico confermò l’ipotesi di Planck e stabilì che la luce era costituita da particelle quantistiche, poi chiamate fotoni. Nel 1913, Niels Bohr mise a punto il primo modello dell’atomo, che veniva rappresentato come un piccolo nucleo di carica positiva circondato da elettroni in orbite circolari. Le posizioni delle orbite, tuttavia, non potevano essere continue, come normalmente accadeva nel mondo della fisica classica, ma dovevano avere valori discreti.
Quando un atomo emette o assorbe energia, l’elettrone non si muove in una traiettoria continua da un’orbita all’altra, 
come accade nel mondo della fisica classica. Invece, l’elettrone salta istantaneamente da un orbita all’altra, emettendo luce sotto forma di un fotone. Questa quantizzazione di una quantità osservabile è forse uno degli aspetti più peculiari della meccanica quantistica.
La teoria iniziava a prendere forma a mano a mano che più contributi e scoperte venivano fatte. Nel 1925, Wolfgang Pauli formulò il principio di esclusione, che affermava che due elettroni in un atomo non potevano avere gli stessi quattro numeri quantici, dove i numeri quantici sono un insieme di valori che definiscono in modo univoco la posizione e lo spin di un elettrone nel sistema atomico.
Un’altra proprietà interessante e sorprendente della meccanica quantistica è il dualismo onda-particella che presenta la materia. Tale dualità venne dimostrata nel 1927 sugli elettroni. Il fisico inglese George Thompson dimostrò che un fascio di elettroni poteva manifestare il comportamento della diffrazione, tipico di un’onda, proprio come un fascio di luce. L’idea era stata proposta già nel 1924 dal fisico francese Louis de Broglie. Ad entrambi venne in seguito assegnato il premio Nobel per la fisica.
Nel 1925, basandosi sull’ipotesi di de Broglie, Erwin Schrödinger sviluppò l’equazione che descriveva il comportamento di un’onda meccanica quantistica. L’equazione, detta equazione di Schrödinger, è centrale per la meccanica quantistica, definisce gli stati consentiti di un sistema quantistico e descrive come lo stato quantico di un sistema fisico cambia nel tempo. Schrödinger fu in grado di calcolare i livelli energetici dell’atomo di idrogeno trattando l’elettrone come un’onda. Questo calcolo riproduceva fedelmente il modello previsto da Bohr. In quello stesso anno, Werner Heisemberg pubblicava un documento che descriveva un altra incredibile proprietà della meccanica quantistica: il principio di indeterminazione. Il principio diceva che era impossibile determinare simultaneamente la posizione e la quantità di moto di un elettrone o di una qualsiasi altra particella con un certo grado di accuratezza o di certezza. Più accuratamente una proprietà veniva misurata, meno precisamente poteva essere calcolata l’altra.
Ma forse una delle proprietà più scioccanti del mondo quantistico, e ampiamente considerata come la caratteristica principale del campo è l’entanglement. L’entanglement quantistico dice che una coppia di particelle può essere creata come gemelli entangled, il che significa che l’azione che misura una caratteristica di una particella istantaneamente determina la stessa caratteristica nell’altro suo gemello entangled, indipendentemente dalla distanza che li separa.
Che cosa vuol dire? Le particelle possono avere una proprietà conosciuta come spin. Possono cioè ruotare in senso antiorario, ed in questo caso si dice che lo spin è “up”, o possono ruotare in senso orario e si dice che lo spin è “down”. Einstein e due suoi colleghi, Podolsky e Rosen, scoprirono che due particelle potevano essere impostate in modo tale che entrambe si trovavano in un misto di entrambi gli stati (spin up e down), o più precisamente, entrambe avevano 50% di possibilità di essere in uno dei due stati. Se, a questo punto, le due particelle venivano separate e portate ad una distanza l’una dall’altra tale da non poter più interagire (diciamo che una particella viene portata in Europa, mentre l’altra si trova negli Stati Uniti), la conseguenza scioccante che Einstein, Podolsky e Rosen trovarono dalla matematica era che, nel momento in cui lo spin di una particella in Europa veniva misurato, e diciamo che risultava essere nello stato “up”, quella negli Stati Uniti si posizionava instantaneamente nello stato “down”, anche se le due particelle erano incredibilmente lontane una dall’altra e non potevano possibilmente interagire tra di loro. Einstein chiamò questa interazione “spooky” (sinistra, spettrale). Questo era in realtà un esperimento mentale, chiamato anche paradosso EPR, introdotto da Einstein e dai suoi due colleghi (EPR sta per Einstein, Podolsky e Rosen), al fine di dimostrare che questa era una implicazione talmente strana della teoria quantistica da convincere i fisici che non era una teoria completa. Infatti, Einstein non accettò la meccanica quantistica come una teoria “reale” e completa, in quanto non riusciva a credere che “l’informazione” poteva viaggiare più velocemente della luce tra le due particelle. Molti anni dopo l’entanglement venne sperimentalmente dimostrato.
Sei ancora li? Perché ti sto dicendo tutto questo? Negli ultimi 30 anni della sua vita Albert Einstein cercò di sviluppare una teoria che comprendeva ed unificava tutte le forze. Voleva unificare la gravità e l’elettromagnetismo, così come il “mondo del piccolo” e il “mondo del grande”. Voleva creare una “teoria di tutto“. Un sogno che purtroppo non fu in grado di coronare. Durante la sua vita e anche dopo la sua morte altre due forze vennero scoperte:
- La forza nucleare debole (scoperta nel 1930), responsabile per il decadimento degli atomi e della radioattività.
- La forza nucleare forte (scoperta negli anni 1970), che lega protoni e neutroni insieme per formare il nucleo di un atomo.
Il modello standard della fisica delle particelle sembra dirigersi verso questa direzione. Il modello standard è una teoria della meccanica quantistica in grado di descrivere le dinamiche e le interazioni delle particelle subatomiche conosciute, ed unisce insieme la fisica dell’elettromagnetismo, della forza nucleare debole e della forza nucleare forte. La forza che è ancora lasciata fuori è la gravità, descritta dalla teoria della relatività generale. Per adesso, le due teorie sembrano inconciliabili. Ma c’è ancora speranza per il sogno di Einstein.
Nei primi anni 1970 una nuova teoria della fisica delle particelle è nata con il tentativo di conciliare la meccanica quantistica e la relatività generale: la teoria delle stringhe.
L’idea alla base della teoria delle stringhe è quella di ridefinire ciò di cui la materia e l’energia sono costituiti. Sappiamo che se avessimo un microscopio abbastanza potente da ingrandire lo schermo su cui stai leggendo questa pagina, vedremmo gli atomi che lo formano. Se potessimo ingrandire ancora di più troveremmo gli elettroni in orbita intorno
ai nuclei, i quali sono composti da protoni e neutroni. Se potessimo andare ancora più a fondo potremmo vedere le particelle che formano protoni e neutroni, chiamate quark. La teoria delle stringhe afferma che se potessimo regolare il nostro microscopio per ingrandire ciò che stiamo vedendo ancora di più, all’interno di quello che oggi chiamiamo le particelle fondamentali, come elettroni e quark, vedremmo filamenti di energia chimati stringhe. Queste stringhe hanno la proprietà di vibrare in frequenze diverse. Come una corda di una chitarra può vibrare per creare note diverse, ciascuna stringa di energia può vibrare per creare tutte le particelle che compongono la materia dell’universo. La teoria della relatività generale e la teoria della meccanica quantistica funzionano molto bene nel proprio dominio, ma quando vengono messe insieme, danno previsioni completamente insensate nel dominio dell’altra. La teoria delle stringhe sembra descrivere un universo in cui queste due teorie sono parte della stessa struttura (stringhe), e potrebbe trovare un modo per unificarle insieme in una grande, maestosa “teoria di tutto”.
Naturalmente, ci sono delle implicazioni. La teoria delle stringhe è ora evoluta in qualcosa chiamata M-teoria, che prevede un mondo con 11 dimensioni (!) ed universi paralleli. Il Big Bang non potrebbe essere un singolo evento che ha creato il nostro universo, ma solo uno di tanti Big Bang che continuamente creano altri universi.
Questo sembra complicato ed addirittura incredibile, ma può anche rivelarsi vero. Per ora non siamo in grado di testare le previsioni e la validità della teoria delle stringhe, ma forse un giorno la tecnologia ci permetterà di farlo.
Questo è il punto dove la storia si conclude, almeno per adesso, ma forse arriverà un giorno in cui avremo una sola teoria, una sola equazione, un solo concetto per descrivere il funzionamento di tutto l’universo, e forse saremo finalmente in grado di rispondere ad alcune delle domande fondamentali che gli esseri umani si sono posti per generazioni: Come è cominciato l’universo? Come si è evoluto al punto in cui siamo? Che cosa è successo prima del Big Bang?
Forse non realizzeremo mai il sogno di Einstein, ma forse ci riusciremo, e questo per me è incredibilmente emozionante.
