Dalla teoria delle stringhe alla M-theory: ritratto di un matematico geniale, ritratto di Ed Witten.

di Rina Brundu. In principio (or thereabouts) c’erano 5 teorie delle stringhe. Cinque teorie delle stringhe tutte tese a spiegare in maniera ancora incompleta la totalità delle regole che dirimono sulle dinamiche fisiche dell’universo abitato. E poi arrivò il genio matematico di Ed Witten (1)….Meglio ancora nel 1995 arrivò il tempo dell’annuale conferenza dei fisici teorici organizzata dalla University of Southern California e arrivò il momento in cui Ed Witten decise di rendere quel particolare raduno a suo modo… memorabile. Come racconta egli stesso in numerose interviste successive, egli ricercava qualcosa che potesse “fare la differenza” per la fisica quantistica in quello specifico momento storico. Si concentrò dunque sulle cinque teorie delle stringhe esistenti e decise di….eliminarne qualcuna.

Fu così che, in una atmostera galvanizzata – come fa notare Brian Greene in numerosi documentari dedicati – il genio matematico di Baltimora stupì i fisici teorici colà convenuti proponendo alla loro attenzione una diversa, quanto spettacolare, prospettiva di osservazione delle teorie delle stringhe già cogitate. A dirla tutta, tempo dopo, ricordando quella conferenza, lo stesso Leonard Susskind rivelò che quando Witten iniziò a parlare, pronunciò alcune parole… particolari. Parole che lo colpirono, parole che catturarono la sua attenzione per tutta la durata della presentazione e che paradossalmente lo distrassero da quanto l’altro andava spiegando… Ma, fascinazione cartartica di Susskind considerata, gli altri colleghi seguirono attentamente il discorso che il vincitore della Fields nell’A.D. 1990 andava facendo e ne furono affascinati. Finanche conquistati. Di fatto Ed Witten riuscì a dissipare i dubbi e le perplessità di tutti e fu così che quel giorno tenne a battesimo la cosiddetta M-Teoria o M-Theory.

In realtà Ed Witten fece molto di più! Questo perché, con l’unificazione delle cinque teorie di cui si sapeva, la stessa teoria delle stringhe, da un punto di vista strettamente tecnico, cessava di esistere in quanto tale e diventava semplicemente M-Theory. Una M-theory che non ha mai saputo chiarire il ruolo della M nel suo nome (alcuni speculano che tale consonante sia in realtà la W di Witten rovesciata, altri ritengono che voglia dire mistero, magia, matrix, madre, mostro, finanche madness, ovvero follia!), ma che in compenso ha risposto a molte delle altre domande fondamentali che gli string-theorists di lunga data si ponevano in quei giorni.

Cos’è dunque la M-Theory? La M-Theory è semplicemente una diversa prospettiva di approccio alla teoria delle stringhe. Nello specifico matematico (della matematica formidabile utilizzata!), le equazioni di Witten hanno dimostrato che le cinque teorie delle stringhe esistenti erano in realtà solo cinque modi differenti di guardare alla stessa… faccenda. Insomma, per certi versi Witten ha validato i lavori dei teorici che lo avevano preceduto e ha dato nuova dignità e nuova energia alla speculazione fisica di cui si erano sempre occupati. Ma naturalmente la M-Theory portava seco anche delle conseguenze “tecniche” importanti e ben precise che giustificavano il cambiamento della prospettiva di visione proposto. Fino a quel momento, infatti, la multidimensionalità supportata dalle diverse teorie delle stringhe indicava in numero di 10 le dimensioni fisiche esistenti: una temporale, tre spaziali e 6 dimensioni extra piuttosto piccole e invisibili ai nostri sensi. La M-Theory, invece, per poter “funzionare” al meglio necessitava di utilizzare 11 dimensioni: il genio di Witten ha quindi messo in campo una nuova dimensione extra mai considerata prima.

Domanda: ma se il nostro cervello non riesce neppure a visualizzarle da dove provengono queste dimensioni-altre? Naturalmente sono figlie della matematica utilizzata perché la logica di fondo racconta che le “stringhe” hanno bisogno di più di tre dimensioni spaziali per muoversi, per vibrare. Inutile spiegare che più dimensioni ci sono più libertà-di-movimento avranno le stringhe, più cose potranno… fare. Per esempio, la M-Theory racconta che se collocata dentro questo straordinario contesto ad 11 dimensioni una stringa può accrescersi, allargarsi, fino a diventare una sorta di membrana, un cosiddetto brane che può ingrandirsi al punto da racchiudere in sé un intero universo. Le implicazioni di un simile ragionamento sono ovviamente eccezionali, perché è dalla stessa cogitazione che deriva l’idea del multiverso o detto più semplicemente di uno spazio multidimensionale esterno che contiene al suo interno infiniti universi ciascuno regolato da leggi fisiche proprie.

Collegata a questo discorso è anche la nuova soluzione che offre la M-Theory ad un problema antico, ovvero quello della “debolezza” della forza di gravità rispetto alle altre forze conosciute in fisica (2). Detto in breve la motivazione fondamentale di questa debolezza sarebbe dovuta alla particolare forma-chiusa (simile per esempio ad un elastico di gomma), di alcune stringhe, chiamate gravitoni (3), le quali sono responsabili per la gravità e in quanto stringhe non aperte e non fissate alla membrana tridimensionale (come accade per le altre stringhe teorizzate dalla M-Theory), possono “sconfinare” negli altri universi del multiverso alla maniera con cui le onde acustiche muovono da un qualsiasi campo dove avviene un qualsiasi scontro tra due o più oggetti fisici. Ne deriva che la gravità non sarebbe forza più-debole ma sarebbe forza uguale alle altre, semplicemente tale forza si presenta a noi, alla nostra realtà contingente, “diluita” nelle sue possibilità.

Portando agli estremi una simile teorizzazione la gravità diventa infine una sorta di passepartout cosmico verso gli altri universi che non potremmo mai visitare…. Scienza? Fantascienza? M per madness e per follia? Di sicuro vi è che questi ragionamenti trovano formidabile conforto nella fenomenale logica interna di cui fa vanto l’unico strumento che ad oggi si è dimostrato valido quando si è tentato di comprendere come funziona il nostro mondo. Ovvero, dell’unico strumento che ad oggi si può considerare a buon diritto il linguaggio dell’universo: la matematica. Uno strumento che, come si evince, Ed Witten sa utilizzare meglio di chiunque perché, per dirla con un suo collega di cui non ricordo il nome: “Se tutti noi fisici teorici siamo smart, Ed outsmarts us all!”.

In Dublino, 15 dicembre 2012.

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Note:

(1) Edward Witten (Baltimora, 26 agosto 1951) è un matematico e fisico statunitense. Vincitore della Medaglia Fields nel 1990, professore all’Institute for Advanced Study, è il fondatore della M-teoria. Ha dato contributi essenziali alla teoria delle stringhe e alla teoria quantistica dei campi.

Witten è nato a Baltimora, nel Maryland, in una famiglia di origini ebraiche, figlio di Lorraine W. Witten e di Louis Witten, un fisico specializzato in gravitazione e relatività generale. Inizialmente la sua carriera sembra più indirizzata verso materie di tipo umanistico: infatti ottiene un diploma in storia alla Brandeis University. La sua intenzione iniziale era quella di diventare un giornalista politico, perciò pubblicò articoli sul New Republic e sul Nation. Ha anche lavorato brevemente per la campagna presidenziale di George McGovern, ritornando poi però all’università, dove nel 1976 conseguì il dottorato in fisica alla Princeton University: proprio qui cominciò ad esercitare come professore, dopo un periodo trascorso alla Harvard University. Dopo due anni (1999-2001) spesi al California Institute of Technology, è attualmente professore di fisica matematica all’Institute for Advanced Study. È sposato con Chiara Nappi, professoressa di fisica alla Princeton University di origini napoletane.

L’attività di Witten unisce alla fisica pura una straordinaria conoscenza della matematica moderna. È stato inizialmente attivo nella teoria quantistica dei campi e in teoria delle stringhe, oltre che nelle relative aree matematiche di topologia e geometria. Tra i suoi numerosi contributi vi sono la prova del teorema dell’energia positiva della relatività generale, il suo lavoro sulla supersimmetria e la teoria di Morse, l’introduzione ad una teoria quantistica dei campi topologici e le pubblicazioni relative alla simmetria speculare e le teorie di gauge supersimmetriche, nonché la congettura riguardo all’esistenza della M-teoria.

Witten è profondamente ammirato: Sir Michael Atiyah, per esempio, ha detto di lui: “Sebbene egli sia di fatto un fisico, la sua padronanza della matematica è posseduta da pochi matematici… Più di una volta ha sorpreso la comunità matematica con la sue brillanti applicazioni dei principi fisici portando a nuovi e profondi teoremi matematici… ha ottenuto un profondo impatto sulla matematica contemporanea. Nelle sue mani la fisica è tornata ancora ad essere una fonte di ispirazione e comprensione per la matematica”.

La sua prolifica produzione è stata subito premiata da numerosi riconoscimenti, tra cui una borsa di studio della MacArthur, una medaglia Fields, e la National Medal of Science (2004). Papa Benedetto XVI ha nominato Witten membro della Pontificia Accademia delle Scienze (2006). È anche comparso sulla rivista TIME nominato nella lista delle cento persone più influenti del 2004. È stato citato in un episodio del 1999 della serie a cartoni animati Futurama. Witten ha il più alto h-index di qualunque altro fisico vivente (questa breve biografia è tratta dalla pagina di Wikipedia di Ed Witten).

(2) Le quattro forze principali conosciute in fisica sono la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole, la forza nucleare forte.

(3) L’esistenza di questa particella però non è stata ancora sperimentalmente provata.

Fisica quantistica e Teoria delle Stringhe – Il ruolo del mistero nella scienza, la matematica come porta per esplorare la “realtà nascosta” e l’illusione del libero arbitrio, o dei discorsi irlandesi di Brian Greene.

Featured image stringhe della M-Theory fissate alla membrana tridimensionale. Fonte la Rete e i documentari di Brian Greene.

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