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INSEGUENDO IL SOGNO DI EINSTEIN Gianguido Dall’Agata
Tutto comincia con Albert Einstein...
UNIFICAZIONE
Gravitazione
ElettroMagnetismo
1915: Relatività Generale
1905: Relatività SpecialeEffetto Fotoelettrico (Nobel)
• 1905: Spazio e tempo sono legati indissolubilmente
• La forza di gravità è una manifestazione della curvatura dello spaziotempo
•
La Relatività Generale
• 1905: Spazio e tempo sono legati indissolubilmente
• La forza di gravità è una manifestazione della curvatura dello spaziotempo
• 1915: Tutto “cade” seguendo linee rette!
La Relatività Generale
La Relatività Generale
Molte nuove idee...
Buchi Neri
Espansione dell’Universo
La Relatività Generale
E’ verificata sperimentalmente con enorme precisione!
Deflessione dei raggi di luce dal sole
Precessione del perielio di Mercurio
Sistema Binario 1913+16
Il campo elettromagnetico lo capiamo perchè è forte
ElettroMagnetismo
Il campo elettromagnetico lo capiamo perchè è forte
E’ la prima forza che abbiamo quantizzato (ElettroDinamica Quantistica = QED)
E’ verificata con enorme precisione!
ElettroMagnetismo
gteoria = 2, 0023193043(07)gexp = 2, 0023193043(63)
Einstein voleva unificare la nostra comprensione del mondo “infinitamente” piccolo con quella dell’
“infinitamente” grande
A grandi scale
Relatività Generale
A piccole scale
Teorie di campoquantistiche
L’Unificazione
L’Unificazione
Quantitativamente:
Grandezze fondamentali G, c, h
Scala Minima
Scala Cosmica (Hubble)
TP =LP
c! 10!43sLP =
!Gh
c3! 10!33 cm
LH ! 1028 cm TH ! 1018 s
LH
LP=
TH
TP! 1061
L’Unificazione
Idea per unificare e
T. Kaluza (1921) e O. Klein (1926)
Dimensioni Extra
Moto in 1D
L’Unificazione
Idea per unificare e
T. Kaluza (1921) e O. Klein (1926)
Dimensioni Extra
Moto in 2D
L’Unificazione (Kaluza-Klein)
Il campo EM in 3+1 dimensioni ha 2 polarizzazioni:
x
y
z
L’Unificazione (Kaluza-Klein)
Il campo EM in 4+1 dimensioni ha 3 polarizzazioni
x
y
z
w
L’Unificazione (Kaluza-Klein)
Il campo EM in 4+1 dimensioni ha 3 polarizzazioni
La nuova polarizzazione è però legata alla dimensione compatta
In 3+1 dimensioni vedo ancora il campo elettromagnetico + una nuova forza, legata alla polarizzazione extra
L’Unificazione (Kaluza-Klein)
L’idea di Kaluza e Klein è di avere solo gravità in 5 dimensioni
La gravità ha molte polarizzazioni in più in 5 dimensioni
In 4(=3+1) dimensioni vedo Gravità + Elettromagnetismo
BRILLANTE! MA...
Relatività Generale
Teorie di Campo
Quantistiche
Ancora più dimensioni?
Quantizzare G?
L’Unificazione
Non è solo un problema concettuale ma anche fisico: Cosmologia
Lontano passato Universo molto caldo e denso
Universo caldo Energie molto alte (c)
Universo denso Grandi Curvature (G)
Grandi Curvature Effetti quantistici (h)
Lontano nello spazio ~ Indietro nel tempo
LH TP
Se le cose non funzionano, cambiamo le regole del gioco!!!
(ma non troppo)
Idea: tutte le particelle elementari non sono punti, ma stringhe!
La Teoria Delle Stringhe
La Teoria delle Stringhe è una teoria quantistica e relativistica di oggetti unidimensionali
Le stringhe classiche possono avere una lunghezza arbitraria. Le stringhe quantistiche hanno una lunghezza minima (ottimale)
La massa è legata alla vibrazione
Le oscillazioni sono quantizzate
Stringhe Aperte
Stringhe Chiuse
J=1: Fotone
J=2: Gravitone
La Teoria Delle Stringhe
SUPERSTRINGTHEORY
La Teoria Delle Stringhe
MA: La teoria delle stringhe richiede 10 dimensioni!
FIX: compattificazioni (Kaluza-Klein)
Così la fisica in 4D dipende dalla geometria interna(polarizzazioni nello spazio compatto)
Oggi siamo alla ricerca della configurazione Base(Il Vuoto della teoria)
The string theory landscape
! Landscape is huge.
! But: still highly constrained (! “swampland”). Plausibly onlyfinite number compatible with rough observational constraints.
! In principle we could hope to one day classify all vacua andfind unique one matching precision data, enabling us topredict everything we want to know.
La Teoria Delle Stringhe
MA: Ci sono almeno 5 diverse teorie di stringa!
Sono tutti aspetti diversi di una unica TEORIA M
La Teoria Delle Stringhe
E’ una teoria estremamente ricca con innumerevoli applicazioni
La teoria delle stringhe non contiene
solo stringhe
La Teoria Delle Stringhe
E’ una teoria estremamente ricca con innumerevoli applicazioni
Un grande successo: la fisica dei buchi neri
Buchi neri per dummies: membrane permeabili solo in una direzione
La Teoria Delle Stringhe e i Buchi Neri
Il processo di Penrose: i buchi neri rotanti come macchine termodinamiche
Ergosphere
Horizon Area, A
Mass, M
La Teoria Delle Stringhe e i Buchi Neri
Ergosphere
Horizon Area, A
Mass, M
Efinal
Einitial
La Teoria Delle Stringhe e i Buchi Neri
Posso associare quantità termodinamiche al buco nero:
Temperatura ~ T
Entropia ~ S
La Teoria Delle Stringhe e i Buchi Neri
Bekenstein e Hawking mostrano che
SBH =A
4L2P
! kB log Nstati
ma in GR ho un unico stato, cioè S ~ 0Nel centro della nostra galassia c’è un buco nero di raggio 5,9•106 Km, e quindi S ~4,2•1089
La teoria delle stringhe mi permette di descrivere i buchi neri e contarne gli stati: Nel limite semiclassico si trova esattamente SBH !
Una Teoria in Cerca di un Esperimento
La teoria delle stringhe predice la supersimmetria(extra dimensioni quantistiche)
Nuove particelle...
... da scoprire al Large Hadron Collider
Una Teoria in Cerca di un Esperimento
Negli acceleratori possiamo scoprire le
dimensioni extra
Misuro una perdita di energia!!
Una Teoria in Cerca di un Esperimento
Cosmologia:
CMB
Stringhe cosmiche
In Conclusione...
Il sogno di Einstein è realizzato dalla teorie
delle stringhe, ma in un modo inimmaginabile 50
anni fa
E’ ancora una teoria
In Conclusione...
Mach (1900): “Gli atomi sono entità non verificabili fisicamente”
Oggi li possiamo manipolare uno per uno
Edward Witten:
In Conclusione...
“La teoria delle stringhe è un pezzo di Fisica del XXI secolo che ci è
caduto sulla testa nel XX secolo”
Siamo nel XXI secolo: è il momento di completare
questo sogno!
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