Si dice che Albert Einstein abbia trascorso le sue ultime ore sulla Terra scarabocchiando qualcosa su un pezzo di carta in un ultimo tentativo di formulare una teoria su tutto. Circa 60 anni dopo, un'altra figura leggendaria della fisica teorica, Stephen Hawking, potrebbe essere morto con pensieri simili. Sappiamo che Hawking pensava che qualcosa chiamato "teoria M" fosse la nostra migliore scommessa per una teoria completa dell'universo. Ma cos'è?

Dalla formulazione della teoria della relatività generale di Einstein nel 1915, ogni fisico teorico ha sempre sognato di conciliare la nostra comprensione del mondo infinitamente piccolo di atomi e particelle con quella della scala infinitamente grande del cosmo. Mentre quest'ultimo è efficacemente descritto dalle equazioni di Einstein, il primo è previsto con straordinaria accuratezza dal cosiddetto Modello Standard delle interazioni fondamentali.

La nostra attuale comprensione è che l'interazione tra oggetti fisici è descritta da quattro forze fondamentali. Due di loro – gravità ed elettromagnetismo – sono rilevanti per noi a livello macroscopico, li affrontiamo nella nostra quotidianità. Gli altri due, chiamate interazioni forti e deboli, agiscono su scala molto ridotta e diventano rilevanti solo quando si tratta di processi subatomici.

Il modello standard delle interazioni fondamentali fornisce un quadro unificato per tre di queste forze, ma la gravità non può essere inclusa in modo coerente in questa immagine. Nonostante la sua accurata descrizione di fenomeni su larga scala come l'orbita di un pianeta o la dinamica delle galassie, la relatività generale si scompone a distanze molto brevi. Secondo il modello standard, tutte le forze sono mediate da particelle specifiche. Per gravità, una particella chiamata gravitone fa il lavoro. Ma quando si cerca di calcolare come interagiscono questi gravitoni, appaiono infiniti senza senso.

Una teoria coerente della gravità dovrebbe essere valida a qualsiasi scala e dovrebbe tenere conto della natura quantistica delle particelle fondamentali. Ciò consentirebbe la gravità in un quadro unificato con le altre tre interazioni fondamentali, fornendo così la celebre teoria del tutto. Certo, dalla morte di Einstein nel 1955, sono stati fatti molti progressi e al giorno d'oggi il nostro miglior candidato va sotto il nome di M-theory.

Rivoluzione delle corde

Per comprendere l'idea di base della teoria M, bisogna tornare agli anni '70, quando gli scienziati si resero conto che, piuttosto che descrivere l'universo basato su particelle puntiformi, potresti descriverlo in termini di minuscole corde oscillanti (tubi di energia). Questo nuovo modo di pensare i costituenti fondamentali della natura si è rivelato per risolvere molti problemi teorici. Soprattutto, una particolare oscillazione della corda potrebbe essere interpretata come un gravitone. E a differenza della teoria standard della gravità, la teoria delle stringhe può descrivere matematicamente le sue interazioni senza ottenere strani infiniti. Così, gravità è stata finalmente inclusa in un quadro unificato.

Dopo questa emozionante scoperta, i fisici teorici hanno dedicato molti sforzi alla comprensione delle conseguenze di questa idea seminale. Però, come spesso accade con la ricerca scientifica, la storia della teoria delle stringhe è caratterizzata da alti e bassi. All'inizio, le persone erano perplesse perché prevedeva l'esistenza di una particella che viaggia più veloce della velocità della luce, soprannominato un "tachione". Questa previsione era in contrasto con tutte le osservazioni sperimentali e gettava seri dubbi sulla teoria delle stringhe.

Tuttavia, questo problema è stato risolto all'inizio degli anni '80 con l'introduzione di qualcosa chiamato "supersimmetria" nella teoria delle stringhe. Questo predice che ogni particella ha un superpartner e, per una straordinaria coincidenza, la stessa condizione elimina effettivamente il tachione. Questo primo successo è comunemente noto come "la prima rivoluzione delle corde".

Un'altra caratteristica sorprendente è che la teoria delle stringhe richiede l'esistenza di dieci dimensioni dello spaziotempo. Attualmente, ne conosciamo solo quattro:profondità, altezza, larghezza e tempo. Sebbene questo possa sembrare un grosso ostacolo, sono state proposte diverse soluzioni e oggi è considerata una caratteristica notevole, piuttosto che un problema.

Per esempio, potremmo in qualche modo essere costretti a vivere in un mondo quadridimensionale senza alcun accesso alle dimensioni extra. Oppure le dimensioni extra potrebbero essere "compattate" su una scala così piccola che non le noteremmo. Però, compattazioni diverse porterebbero a valori differenti delle costanti fisiche e, perciò, leggi fisiche diverse. Una possibile soluzione è che il nostro universo sia solo uno dei tanti in un infinito "multiverso", governato da diverse leggi fisiche.

Questo può sembrare strano, ma molti fisici teorici si stanno avvicinando a questa idea. Se non sei convinto puoi provare a leggere il romanzo Flatland:un romance di molte dimensioni di Edwin Abbott, in cui i personaggi sono costretti a vivere in due dimensioni spaziali e non riescono a rendersi conto che ce n'è una terza.

M-teoria

Ma c'era ancora un problema urgente che all'epoca preoccupava i teorici delle stringhe. Una classificazione approfondita ha mostrato l'esistenza di cinque diverse teorie delle stringhe coerenti, e non era chiaro perché la natura ne scegliesse uno su cinque.

Questo è quando la teoria M è entrata in gioco. Durante la seconda rivoluzione delle corde, nel 1995, i fisici hanno proposto che le cinque teorie delle stringhe coerenti siano in realtà solo facce diverse di una teoria unica che vive in undici dimensioni dello spaziotempo ed è nota come teoria M. Include ciascuna delle teorie delle stringhe in diversi contesti fisici, ma è ancora valido per tutti loro. Questo quadro estremamente affascinante ha portato la maggior parte dei fisici teorici a credere nella M-teoria come teoria di ogni cosa:è anche matematicamente più coerente di altre teorie candidate.

Tuttavia, finora la M-teoria ha faticato a produrre previsioni che possono essere verificate con esperimenti. La supersimmetria è attualmente in fase di test presso il Large Hadron Collider. Se gli scienziati trovano prove di superpartner, che alla fine rafforzerebbe la teoria M. Ma rimane ancora una sfida per gli attuali fisici teorici produrre previsioni verificabili e per i fisici sperimentali impostare esperimenti per testarle.

La maggior parte dei grandi fisici e cosmologi sono spinti dalla passione a trovare quel bello, semplice descrizione del mondo che può spiegare tutto. E anche se non siamo ancora arrivati, non avremmo alcuna possibilità senza il tagliente, menti creative di persone come Hawking.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.