Capire la Fisica


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La teoria delle superstringhe

La Teoria della relatività

Introduzione all'argomento:

  • Queste nuove teorie matematiche tentano di conciliare le differenze contrastanti tra le teorie relativistiche che studiano l'Universo con la fisica quantistica che studia l'infinitamente piccolo, per far questo chi le propone studia il mattone di base della materia, questo viene chiamato stringa, qui si afferma che queste piccolissime stringhe hanno la facoltà di vibrare e proprio questa diversa vibrazione che dà alla materia proprietà diverse. La dimensione di queste stringhe è veramente microscopica, bisogna arrivare alla lunghezza di Planck cioè 1,616 x 10, quindi la grandezza è veramente molto, molto piccola, considerate che con la misura dei protoni stiamo nell'ordine di 10, queste stringhe sarebbero i veri mattoni fondamentali della materia un po' come immaginavano i filosofi Greci.


Ho conosciuto le teorie delle stringhe molti anni fa leggendo libri e riviste di scienza, queste nei primi anni furono considerate da molti scienziati le teorie conclusive e riunificatrici per la spiegazione dell'Universo, per correttezza bisogna dire che oggi ci sono almeno cinque teorie,le più usate sono: la teoria delle superstringhe, la teoria del tutto e la M-teoria. Queste si possono trovare molto spesso nelle riviste di scienza o alla fine di molti testi classici di fisica teorica, loro però vengono sempre trattate superficialmente, da alcuni scienziati sono considerate le future teorie unificatrici della fisica, questo perché sono ancora tutte da sviluppare, dato che hanno bisogno di una matematica molto sofisticata; bisogna anche dire, che alcuni scienziati invece le considerano delle teorie bizzarre perché hanno la pretesa di spiegare il tutto mettendo d'accordo tutti.
Infarinato dell'argomento, ma intenzionato a conoscere meglio queste teorie, mi sono avvicinato leggendo alcuni libri sull'argomento compreso "L'universo elegante" di Brian Greene, Einaudi anno 2008, quasi 400 pagine tutte incentrate ad esaltare la bontà, senza però approfondire realmente le teorie, lui essendo uno scienziato che collabora al loro sviluppo ne è un acceso sostenitore, spero non me ne voglia se per esporre l'argomento riporto tra l'altro solo due figure riprese dal suo libro.

Anticipo che il mio giudizio finale su queste teorie conclusive purtroppo non è lusinghiero perché non condivido il loro modo di operare, dato che nel loro lavoro aggiungono complicate formule matematiche basate solo su semplici ipotesi non confermate, in più le radici di queste teorie riunificatrici affondano proprio nelle teorie relativistiche, perché usano la relatività come il loro primo gradino per capire l'universo, quindi anche il rallentamento del tempo qui è accettato amplificandolo. In questo momento però l'argomento che voglio veramente trattare non è se queste
teorie sono corrette oppure no, ma semplicemente esaminare un solo punto in comune con le mie tesi precedentemente esposte e solo dopo fare alcune riflessioni su alcune stranezze quantistiche proposte nel libro di Brian Greene.

La teoria delle stringhe (veramente come ho detto di teorie c'è ne sono ben cinque che trattano questo argomento con modalità diverse) e la M-teoria (è la teoria del tutto che dovrebbe combinare matematicamente le cinque teorie delle superstringhe e la supergravità ad 11 dimensioni), queste teorie cercano di conciliare la fisica quantistica e la fisica relativistica, loro provano a dimostrare che le vibrazioni delle stringhe (queste piccolissime parti della materia) generano la vibrazione del gravitone perciò concludono che la forza gravitazionale con il gravitone (particella priva di massa), parte proprio dal mondo dell'infinitamente piccolo delle stringhe.Questo è il solo punto in comune che ho trovato con la mia tesi esposta nel primo capitolo, è in comune solo nella forma d'esposizione ma non nel merito. Perché la mia affermazione viene fatta dopo un attento studio nel capire la formula della Gravitazione Universale di Newton (vedi il primo capitolo “Partiamo dalla forza gravitazionale”), io qui l'interpreto e la spiego dicendo che la forza gravitazionale non è una radiazione che decresce con la distanza ma è una radiazione normale attrattiva intrinseca della materia che l'intensità varia con la distanza perché diminuisce l'area interessata alla forza, perciò è la materia con la sua forza nucleare ad esercitare all'esterno la forza gravitazionale. Come funziona? nell'infinitamente piccolo lo spostamento o vibrazione dei gluoni crea la forza nucleare che nell'infinitamente grande è la
radiazione attrattiva della materia, qui cerco dimostrandolo con dei dati.



Queste teorie invece vogliono dimostrare che le quattro forze fondamentali della fisica si fondono nell'infinitamente piccolo, la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la nucleare forte, perché così facendoriescono ad unificare le teorie della relatività che lavorano esclusivamente con la forza gravitazionale e la fisica quantistica che lavora esclusivamente con la forza nucleare.

Peccato però, perché facendo questa affermazione si dimenticano che la forza elettromagnetica a queste dimensioni non esiste ancora, lei nasce ad una distanza tra la 10
a 10 qui loro parlano di distanze tra la 10 a 10, stiamo molto lontani da questa forza circa di 17 zeri cioè 100 Milioni di Miliardi di volte a questa distanza l'elettromagnetismo ancora non esiste.
Come si vede nella figura 20.1 sopra riportata, le teorie delle stringhe provano a dimostrare che nell'infinitamente piccolo le tre forze convergono.
Invece la M-teoria (la figura 20.2 sotto riportata), si prefissa anche l'unificazione della forza gravitazionale con le altre forze esistenti in natura, qui vediamo una correzione della forza di gravità proprio con la M-teoria, ma sia per la teoria delle superstringhe come per la M-teoria non ho trovato spiegazioni logiche ed esaurienti a supporto di queste affermazioni di principio, ne formule matematiche che spiegano dettagliatamente e giustificano questa interpretazione delle forze.



Un altra ipotesi di studio è quella esposta dal fisico olandese Erik Verlinde, lui sostiene che la teoria della Gravitazione Universale di Isaac Newton sia completamente sbagliata e afferma che lagravità è solo un illusione, cioè è solo una percezione, praticamente nella realtà non esiste. Lui è un sostenitore accanito della teoria della supersimmetria negli universi paralleli, considera la gravità una forza entropica, cioè l'effetto non disponibile di un fatto avvenuto a livello quantistico, questa diventa attiva solo in una misura metrica per questo le leggi di Newton non si applicano a livello quantistico ma solo per le “mele” ed i pianeti, con questo nuovo approccio si vuole spiegare la bassissima densità della “materia oscura” e giustificare così tutti i ragionamenti che sostengono le teorie del Tutto, cioè teorie molto complesse che vogliono riunificare la fisica quantistica e la teoria della relatività generale.

Lo scopo di queste teorie è evidente, c'è un grande bisogno di colmare le contraddizioni e la carenza di spiegazioni date dalle teorie della relatività generale, ma questo non giustifica il comportamento tenuto, perché queste teorie lavorano solo su ipotesi si usano basi non realistiche per esporre nuove teorie, anche qui si cerca di mettere d'accordo solo matematicamente senza tentare di capire veramente i fatti presi in esame. Con questo approccio è normale che i nodi vengono al pettine, quindi il cerchio non si chiude mai o per farlo bisogna essere mentalmente tolleranti. Ma così facendo non avremmo mai la possibilità di conciliare le teorie esposte e spiegare quello che ci circonda.

Forse capire che la forza nucleare esiste e funziona a livello del nucleo, in fin dei conti è per questo che viene chiamata nucleare, che a livello atomico la forza predominante e la forza elettrica, che a livello metrico per il rapporto di masse e distanza la forza nucleare ritorna predominante, qui però viene chiamata gravità, infine a livello astronomico la forza predominante è il moto solamente guidato dalla forza gravitazionale. Per affermare questo applichiamo leggi consolidate, non servono teorie visionarie per capire l'Universo.
È logico pensare che il gravitone immaginato come particella senza massa che esegua un lavoro per l'energia attrattiva della forza nucleare forse nella realtà non esiste, ma esiste sicuramente la forza (perché vediamo i suoi effetti), che forse lavora da sola come energia attrattiva ad una velocità indefinita.

Riflessioni personali sulla meccanica quantistica:

  • Queste sono solo delle semplici riflessioni sulle stranezze della meccanica quantistica proposte da Brian Greene. Leggendo il libro “L'universo elegante” nel capitolo stranezze microscopiche pag.98, Lui qui spiega che oltre a non essere in accordo l'infinitamente grande con l'infinitamente piccolo, quest'ultimo si comporta in modo bizzarro, riuscendo perfino a sorprendere qualsiasi ricercatore, vi riporto solo due esempi del libro.
  • Il primo: “Se mettete un elettrone in una scatola e cominciate a far avvicinare le pareti per cercare di catturare la sua posizione con maggiore precisione, lo vedrete diventare man mano più frenetico. Come se avesse una crisi claustrofobica, l'elettrone si metterebbe a rimbalzare sulle pareti con velocità sempre più elevate e imprevedibili.
  • Il secondo: “l'effetto tunnel quantistico. Se sparate un pallino di plastica contro un muro di cemento spesso tre metri, la fisica classica conferma ciò che l'istinto già vi dice: il pallino rimbalza. Questo perché non ha abbastanza energia per penetrare un oggetto così resistente. Ma a livello microscopico, la meccanica quantistica dimostra senza dubbio che le funzioni d'onda - cioè le onde di probabilità associate alle particelle che costituiscono il pallino - hanno tutte un pezzetto che trapassa il muro. Quindi c'è una piccola probabilità, diversa da zero, che il pallino passi attraverso il bersaglio.”


Provo ad esporre le mie ipotesi, faccio questo per cercare di dare una spiegazione a queste stranezze del mondo quantistico utilizzando la stessa logica utilizzata da Galileo Galilei.
L'elettrone in scatola, in effetti bisogna ammettere che questo esperimento suscita un certo stupore.
Qui Galileo Galilei applicando le sue convinzioni anche all'infinitamente piccolo, è molto probabile che la sua spiegazione sarebbe stata: tutte le particelle quando sono ferme, non sono completamente scariche di energia.
Cosa vuole dire? Vuole dire che le particelle rimangono comunque ferme fino a quando l'energia non arriva ad una determinata soglia che gli permette il moto; mi spiego meglio, noi sappiamo che la pura energia cinetica è "equivalente" infatti non importa cosa la produce, anche per far diventare fotone la particella senza massa, l'energia deve essere sufficiente per il moto della particella stessa, quindi possiamo supporre che la particella se ferma può comunque avere una sua quantità di energia residua più o meno grande ma non sufficiente a farla muovere, possiamo poi ipotizzare che, anche le particelle senza massa non sono tutte uguali, per questo esistono radiazioni molto diverse tra loro, ma molto più importante, c'è il fenomeno del decadimento, quindi il fenomeno "dell'elettrone impazzito" se confinato in uno spazio sempre più ristretto, si può spiegare bene supponendo che con questo esperimento l'elettrone ha maggiori possibilità di urtare particelle ferme ma non completamente scariche, o particelle mosse per il confinamento ristretto dell'elettrone, quindi queste particelle mosse dal perimetro in movimento acquistano energia, sufficiente a far aumentare l'energia cinetica dell'elettrone, che urtandolo gli dà una maggiore possibilità di movimento, quindi successivamente urtare via via sempre una maggiore quantità di particelle quasi cariche dandogli così un moto finale "imprevedibile ed isterico". Ma perché l'elettrone dovrebbe assorbire energia e non essere viceversa?
Questo effetto fisico lo conosciamo già, viene comunemente chiamato scaricare a terra, questo fenomeno è conosciuto in elettricità ma vale anche per l'energia cinetica, una particella senza massa se viene in contatto con una particella con massa quest'ultima con la sua massa riesce ad assorbire tutta l'energia cinetica facendola "scaricare a terra".

L'effetto tunnel, questo fenomeno nella meccanica classica, la legge di conservazione dell'energia impone che una particella non possa superare un ostacolo (barriera) se non ha l'energia necessaria per farlo. La meccanica quantistica, invece, prevede che una particella abbia una probabilità diversa da zero di attraversare spontaneamente una barriera arbitrariamente alta. Infatti, applicando i postulati della meccanica quantistica al caso di una barriera di potenziale in una dimensione, si ottiene che la soluzione dell'equazione di Schrödinger all'interno della barriera è rappresentata da una funzione esponenziale decrescente. Dato che le funzioni esponenziali non raggiungono mai il valore di zero, si ottiene che esiste una piccola probabilità che la particella si trovi dall'altra parte della barriera dopo un certo tempo t. Quello che è interessante notare è che, per il principio di indeterminazione di Heisenberg, non è mai possibile osservare una particella mentre attraversa tale barriera, ma solo prima e dopo tale transizione.
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Questo esperimento non può essere eseguito certo non con una pallina di plastica, ma se lo si effettua con una particella in moto con una funzione oscillante contro una barriera di energia potenziale, c'è la possibilità di vedere la particella oltre la barriera con ma un moto oscillante con un ampiezza ridotta.
In questo caso per Galileo la sua spiegazione potrebbe essere stata: è proprio la sola energia a spostarsi in piccole quantità oltre la barriera, infatti questa energia pura ha la facoltà di spostarsi o migrare in piccole quantità proprio per colpa dell'urto (con l'urto si produce energia), questo succede quando il passaggio energetico è adeguato; questa migrazione d'energia sarà sufficiente a dare il moto con una frequenza ridotta, alla fine dell'operazione ad un'altra particella di "meta" oltre la barriera, ci possiamo immaginare che questo passaggio sarà concluso dall'altra parte da una particella ricevente (anche questa particella non sarà mai completamente scarica), al di là del muro di energia potenziale. Secondo il mio pensiero nell'infinitamente piccolo è proprio questo quello che avviene, queste stranezze ci fanno impazzire, ma se scomponiamo il problema per capirlo e ragioniamo meglio con logica Galileiana quando riuniamo il tutto la soluzione è sotto i nostri occhi. Riassumendo cosa affermo? Affermo che una particella ferma con o senza massa non è detto che questa sia completamente scarica di energia.
Queste sono solo ipotesi tutte da provare sperimentalmente.

Se mi si vuole smentire si può fare un esempio da manuale: immaginiamo di dover spostare un auto ferma, quando proviamo a spostare l'auto da soli constatiamo che questa operazione non si può proprio realizzare, allora chiediamo aiuto ad un nostro amico, ci riproviamo in questo caso constatiamo che in due riusciamo muoverla con relativa facilità. Qui secondo la mia spiegazione si può ipotizzare che se la prima persona spinge l'auto, questa dovrebbe accumulare energia cinetica rimanendo ferma, quando la stessa persona solo in un secondo momento senza l'aiuto dell'amico andrà a spingere sempre da solo l'auto, questa si dovrebbe spostare con relativa facilità dato che ha già accumulato precedentemente l'energia.
È chiaro che se sostenessi questo farei ridere tutti ed il mio ragionamento verrebbe subito cestinato nell'ilarità generale, però se noi approfondiamo e pensiamo al principio di moto continuo di Aristotele, che immaginava che una massa ha un moto continuo fino a quando avrà una spinta continua, infatti nella realtà l'auto ha un moto continuo fino a quando le due persone insieme daranno la spinta continua questo detto così sembra corretto. Ma noi sappiamo molto bene che questo principio di moto continuo di Aristotele è stato smentito ampiamente da Galileo Galilei, infatti il primo principio della dinamica stabilisce che un corpo permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non intervenga una forza esterna a modificare tale stato. Questo principio fondamentale del moto ci fa capire che l'energia impressa dalla prima persona è stata scaricata a terra dalla forza uguale e contraria esercitata dalla forza di gravità che noi chiamiamo peso della massa.

Per capire bene “è stata scaricata a terra” proviamo a pensare di avere ben stretto tra le nostre mano un bastone di legno, con la mano destra proviamo a torcere il bastone, la forza impressa con la mano destra noi la riceviamo tutta nella nostra mano sinistra che contrastando la torsione imprimiamo una forza uguale e contraria al bastone, questo fa si che il nostro bastone rimane fermo ma il nostro braccio sinistro sente tutta la torsione impressa, ma se al posto del bastone abbiamo una particella con massa più o meno grande ma libera nello spazio senza influenze, cosa può succedere? Immaginiamo per ipotesi una particella con massa ferma e scarica, poi di sapere con precisione che per muoversi questa particella gli serva una forza di 2,00
newton, ma noi gli diamo solo 1,00 newton, con questa spinta la particella rimarrà ferma ma quando gli daremo gli ulteriori 1,00 newton la particella partirà decisa per la sua strada (è logico che le misure in newton sono puramente indicative), questo avviene perché la particella con massa in questo caso non ha la possibilità di scaricare la sua energia perciò quando riceverà l'energia mancante lei avrà la possibilità di muoversi, ragionando con la sola logica galileiana possiamo razionalizzare il problema per capirlo, certo per avere la conferma a quello che dico si possono fare delle prove sperimentali approfondendo meglio l'argomento, ma come dice Galileo: “non si meravigli taluno, che faccia prove del genere, se rimanga deluso dall'esperienza”.

Riflessione:

  • Al giorno d'oggi c'è un orientamento comune di come si dovrebbe affrontare la ricerca nella fisica teorica, questo è quello di non mettere alcuna limitazione logica-mentale all'esposizione delle nuove teorie, perché si è convinti che così facendo si lascia l'ingegno libero di esprimersi al meglio per trovare la soluzione più adatta, questa affermazione si legge tra le righe in molti libri di fisica teorica ma nel libro di Brian Greene, “L'universo elegante” a pag. 358 questa affermazione lui la scrive chiaramente, lui è convinto che una limitazione logica o un punto fermo da rispettare di una legge consolidata, possa limitare il talento creativo del fisico teorico, nella ricerca della soluzione definitiva per capire l'Universo. Lui scrive, è come se noi volessimo limitare il talento di un grande artista nel dipingere il suo quadro.
  • Il mio parere al riguardo è decisamente contrario, la ricerca scientifica non è né arte né tantomeno la moda del momento da seguire o rispettare
  • La ricerca scientifica è conoscenza, questa deve essere solo logica possibilmente provata dai fatti sperimentali, senza che sia in contraddizione con altre leggi consolidate, lei deve essere messa alla prova e verificata tutti i giorni, ma maggiormente deve essere capita fin nel particolare.
  • La matematica da la possibilità di ipotizzare eventi o fenomeni non reali nella fisica teorica, però non si può ipotizzare in fisica una soluzione e su questa pontificare una teoria matematica sbalorditiva, la “Fisica” come diceva Nikola Tesla non è metafisica, quando si fa metafisica non si fa vera ricerca scientifica, ma si espongono solo ipotesi o congetture matematiche, queste non diventano reali perché il loro risultato ci soddisfa.
















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