Come l’universo potrebbe avere più dimensioni

La teoria delle stringhe è una teoria presunta di tutto ciò che i fisici sperano possa un giorno spiegare everything tutto.

Tutte le forze, tutte le particelle, tutte le costanti, tutte le cose sotto un unico tetto teorico, dove tutto ciò che vediamo è il risultato di minuscole stringhe vibranti. I teorici hanno lavorato sull’idea dal 1960, e una delle prime cose che hanno capito è che perché la teoria funzioni, ci devono essere più dimensioni delle quattro a cui siamo abituati.,

Ma questa idea non è così folle come sembra.

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Disastro dimensionale

Nella teoria delle stringhe, piccoli loop di stringiness vibrante (nella teoria, sono l’oggetto fondamentale della realtà) si manifestano come le diverse particelle (elettroni, quark, neutrini, ecc.) e come portatori di forza della natura (fotoni, gluoni,gravitoni, ecc.). Il modo in cui lo fanno è attraverso le loro vibrazioni., Ogni corda è così piccola che ci sembra nient’altro che una particella puntiforme, ma ogni corda può vibrare con modalità diverse, allo stesso modo in cui puoi ottenere note diverse da una corda di chitarra.

Si pensa che ogni modalità di vibrazione si riferisca a un diverso tipo di particella. Quindi tutte le corde che vibrano in un modo sembrano elettroni, tutte le corde che vibrano in un altro modo sembrano fotoni, e così via. Ciò che vediamo come collisioni di particelle sono, nella vista della teoria delle stringhe, un gruppo di stringhe che si fondono e si dividono.,

Ma perché la matematica funzioni, ci devono essere più di quattro dimensioni nel nostro universo. Questo perché il nostro solito spazio-tempo non dà alle corde abbastanza “spazio” per vibrare in tutti i modi di cui hanno bisogno per esprimersi pienamente come tutte le varietà di particelle nel mondo. Sono troppo limitati.

In altre parole, le stringhe non si muovono solo, si muovono in modo iperdimensionale.

Le versioni attuali della teoria delle stringhe richiedono 10 dimensioni totali, mentre una teoria über-string ancora più ipotetica nota come teoria M richiede 11., Ma quando guardiamo intorno all’universo, vediamo sempre e solo le solite tre dimensioni spaziali più la dimensione del tempo. Siamo abbastanza sicuri che se l’universo avesse più di quattro dimensioni, l’avremmo già notato.

Come può il requisito della teoria delle stringhe per dimensioni extra essere riconciliato con le nostre esperienze quotidiane nell’universo?

Rannicchiato e compatto

Fortunatamente, i teorici delle stringhe sono stati in grado di indicare un antecedente storico per questa nozione apparentemente radicale.,

Nel 1919, poco dopo che Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale, il matematico e fisico Theodor Kaluza stava giocando con le equazioni, solo per divertimento. E ha trovato qualcosa di particolarmente interessante quando ha aggiunto una quinta dimensione alle equazioni-non è successo nulla. Le equazioni della relatività non si preoccupano veramente del numero di dimensioni; è qualcosa che devi aggiungere per rendere la teoria applicabile al nostro universo.,

Ma poi Kaluza aggiunse una torsione speciale a quella quinta dimensione, facendola avvolgere intorno a sé in quella che chiamò la “condizione del cilindro.”Questo requisito ha fatto emergere qualcosa di nuovo: Kaluza ha recuperato le solite equazioni della relatività generale nelle solite quattro dimensioni, oltre a una nuova equazione che replicava le espressioni dell’elettromagnetismo.

Sembrava che l’aggiunta di dimensioni potesse potenzialmente unificare la fisica.

In retrospettiva, questo era un po ‘ una falsa pista.,

Ancora, un paio di decenni più tardi un altro fisico, Oskar Klein, ha cercato di dare l’idea di Kaluza un’interpretazione in termini di meccanica quantistica. Scoprì che se questa quinta dimensione esisteva ed era responsabile in qualche modo dell’elettromagnetismo, quella dimensione doveva essere ridotta, avvolgendosi attorno a sé (proprio come nell’idea originale di Kaluza), ma molto più piccola, fino a un nudo 10^-35 metri.

Le molte varietà della teoria delle stringhe

Se una dimensione extra (o dimensioni) è davvero così piccola, non ce ne saremmo accorti ormai., È così piccolo che non potremmo sperare di sondarlo direttamente con i nostri esperimenti ad alta energia. E se quelle dimensioni sono avvolte su se stesse, allora ogni volta che ti muovi nello spazio quadridimensionale, stai davvero circumnavigando quelle dimensioni extra miliardi e miliardi di volte.

E quelle sono le dimensioni in cui vivono le stringhe della teoria delle stringhe.,

Con ulteriori intuizioni matematiche, si è scoperto che le sei dimensioni spaziali extra necessarie nella teoria delle stringhe devono essere racchiuse in un particolare insieme di configurazioni, noto come varietà Calabi-Yao dopo due fisici di spicco. Ma non c’è una varietà unica che è consentita dalla teoria di sting.

Ci sono circa 10^200.000.

Si scopre che quando hai bisogno di sei dimensioni per rannicchiarsi su se stessi, e dare loro quasi ogni modo possibile per farlo, adds si aggiunge.

Questo è un sacco di modi diversi per avvolgere quelle dimensioni extra su se stessi., E ogni possibile configurazione influenzerà i modi in cui le corde al loro interno vibrano. Poiché i modi in cui le stringhe vibrano determinano come si comportano qui nel mondo macroscopico, ogni scelta di varietà porta a un universo distinto con un proprio insieme di fisica.

Quindi solo una varietà può dare origine al mondo mentre lo sperimentiamo. Ma quale?

Sfortunatamente, la teoria delle stringhe non può darci una risposta, almeno non ancora., Il problema è che la teoria delle stringhe non è fatta — abbiamo solo vari metodi di approssimazione che speriamo di avvicinarci alla realtà, ma in questo momento non abbiamo idea di quanto siamo giusti. Quindi non abbiamo alcuna tecnologia matematica per seguire la catena, da una specifica varietà a una specifica vibrazione di stringhe alla fisica dell’universo.

La risposta dei teorici delle stringhe è qualcosa chiamato Paesaggio, un multiverso di tutti gli universi possibili predetti dalle varie varietà, con il nostro universo come un solo punto tra i tanti.,

Ed è qui che la teoria delle stringhe si trova oggi, da qualche parte sul paesaggio.

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Paul M. Sutter è un astrofisico al SUNY Stony Brook e al Flatiron Institute, ospite di Ask a Spaceman e Space Radio, e autore di Your Place in the Universe.

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