Fisica: cosa studia Sheldon Cooper?
Sheldon Cooper è uno dei protagonisti della sitcom The Big Bang Theory, serie tv commedy famosissima con ascolti record. Sheldon è un fisico teorico autorevole e apprezzato.
Questo personaggio è ormai un’icona della televisione contemporanea, entrato di diritto nell’immaginario collettivo. Inoltre ha anche aiutato a portare in auge il modello del nerd, l’appassionato di videogiochi e fumetti.
Proprio lui è al centro di questo articolo: non lui come personaggio però, infatti vogliamo andare ad indagare sulla sua parte scientifica. Vogliamo capire cosa fa per vivere il nostro fisico preferito.
Sommario
Cosa sappiamo di Sheldon?
Di lui sappiamo che è stato un bambino prodigio. Come testimoniato dal suo quoziente d’intelligenza (187, di molto superiore alla norma) e dalla sua rapida carriera scolastica. Infatti si è diplomato all’eta di 11 anni approdando alla stessa età alla formazione universitaria e a soli 16 anni ha ottenuto il suo primo dottorato di ricerca.
Dopo numerosi successi accademici, arriva nel mondo del lavoro come fisico teorico presso la Caltech, California Institute of Technology, un’università privata statunitense. Il suo lavoro riguarda soprattutto la ricerca sulla teoria delle stringhe.
Il suo sogno è quello di poter vincere un Premio Nobel per la fisica grazie ai suoi studi. A causa delle nuove scoperte sul Big Bang, però, inizia a pensare di cambiare campo di studi. Ma l’università glielo impedisce visto che i finanziamenti che ha ricevuto riguardano la teoria delle stringhe.
Questa cosa, unita ai vari grandi cambiamenti che gli si pongono davanti, gli fa maturare la decisione di allontanarsi da Pasadena, dove abita, e prendersi un anno sabbatico. All’inizio dell’ottava stagione, dopo essere tornato a casa, Sheldon riesce a cambiare piano di studi.
Passa quindi alla ricerca della materia oscura, grazie alla promozione a professore che l’università gli ha offerto. Nell’undicesima stagione, decide di tornare a dedicarsi, ma solo privatamente, alla teoria delle stringhe.
Quindi possiamo dire che il grande amore di Sheldon è la teoria delle stringhe.
Cos’è la teoria delle stringhe?
In fisica teorica la teoria delle stringhe (dall’inglese String theory; il significato più comune del termine string è “corda”) è una teoria, ancora in fase di sviluppo, che tenta di conciliare la meccanica quantistica con la relatività generale.
Si fonda sul principio secondo cui la materia, la radiazione e, sotto certe ipotesi, lo spazio e il tempo siano in realtà la manifestazione di entità fisiche fondamentali che, a seconda del numero di dimensioni in cui si sviluppano, sono chiamate stringhe o p-brane.
Il termine “teoria delle stringhe” si riferisce sia alla teoria bosonica a 26 dimensioni che alla teoria supersimmetrica a 10 dimensioni (teoria delle superstringhe). Tuttavia nell’uso comune fa riferimento alla variante supersimmetrica, mentre l’altra teoria prende il nome di teoria di stringa bosonica.
Si spera che la teoria possa essere una teoria del tutto che descriva le forze fondamentali, cioè fornire un modello per la gravità quantistica, insieme alle altre interazioni fondamentali contemplate dal Modello standard.
Sebbene nella versione supersimmetrica includa anche i fermioni, i “mattoni” costituenti la materia, non è chiaro se descriva un universo con le caratteristiche di forze e materia come quello osservato.
L’origine della Teoria delle Stringhe
La teoria delle stringhe prese le mosse da un articolo che Gabriele Veneziano scrisse per spiegare il comportamento degli adroni. Durante gli esperimenti condotti con gli acceleratori di particelle, i fisici avevano osservato che lo spin di un adrone non è mai maggiore di un certo multiplo della radice della sua energia.
Nessun semplice modello adronico spiega tali relazioni. Nel 1968 Veneziano, allora ricercatore presso il CERN di Ginevra, intuì che una vecchia formula matematica denominata funzione beta di Eulero, ideata 200 anni prima dal matematico svizzero Leonhard Euler, forniva informazioni importanti sull’interazione forte, senza però spiegare la correlazione.
Nel 1970 Nambu, Nielsen e Susskind tentarono una spiegazione, rappresentando la forza nucleare attraverso stringhe vibranti ad una sola dimensione; era però un’ipotesi che contraddiceva le esperienze. La comunità scientifica perse quindi interesse per la teoria e il Modello standard, con le sue particelle e i suoi campi, rimase dominante.
Poi, nel 1974, Schwarz e Scherk, e indipendentemente Yoneya, studiarono i modelli con caratteristiche da messaggero della vibrazione di stringa e trovarono che le loro proprietà combaciavano esattamente con le particelle mediatrici della forza gravitazionale — i gravitoni.
Schwarz e Scherk argomentarono che la teoria delle stringhe non aveva avuto successo perché i fisici ne avevano frainteso gli scopi.
La Teoria di Stringa Bosonica
Questo condusse allo sviluppo della teoria di stringa bosonica, che è ancora la versione solitamente insegnata. Con lo sviluppo della cromodinamica quantistica, il bisogno originario di una teoria degli adroni fu diretto verso una teoria dei quark.
La teoria di stringa bosonica è formulata in termini di azione di Polyakov, una quantità matematica usata per prevedere come le stringhe si muovano nello spazio-tempo. Applicando le idee della meccanica quantistica all’azione di Polyakov si nota che ogni stringa può vibrare in molti modi diversi.
Inoltre si può anche osservare che ogni stato di vibrazione rappresenta un tipo diverso di particella.
La massa di cui è dotata la particella e i vari modi in cui può interagire sono determinati dai modi in cui la stringa vibra — essenzialmente, dalla nota che la stringa produce vibrando. La scala delle note, ad ognuna delle quali corrisponde una particella, è denominata spettro energetico della teoria.
Ad ogni modo anche la teoria bosonica ha problemi. Fondamentalmente ha una peculiare instabilità, portando al decadimento dello spazio-tempo. In più, come il nome suggerisce, lo spettro di particelle contiene solo bosoni, particelle con spin intero come il fotone. I bosoni sono un ingrediente indispensabile nell’universo, ma non gli unici costituenti.
Gli studi su come una teoria delle stringhe debba includere i fermioni nel suo spettro conducono alla supersimmetria, una relazione matematica tra bosoni e fermioni che è ora un settore di studio indipendente. Le teorie delle stringhe che includono vibrazioni fermioniche sono conosciute come teorie delle superstringhe; ne sono stati descritti parecchi tipi.
Questa era una brevissima introduzione a questo mondo così difficile e complesso quale la Fisica teorica.
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