La seconda rivoluzione della teoria delle stringhe, innescata dalla M-teoria, non si limitò a tracciare un sentiero di unificazione matematica tra le cinque versioni preesistenti e neppure a stabilire che le dimensioni erano ben 11, dieci spaziali arrotolate ed invisibili ed una temporale, fece molto di più. Indicò chiaramente che le stringhe non erano gli unici elementi costitutivi di questa teoria.
Fino a quel momento la unidimensionalità delle stringhe era risultato un muro invalicabile. Ci avevano provato mostri sacri come Heisenberg e Dirac e successivamente i primi precursori della teoria delle stringhe ma i risultati matematici, ogni volta che si teorizzavano oggetti bidimensionali o tridimensionali erano assurdi.
Il problema stava ancora una volta nelle simmetrie, se si ragionava in termini di stringhe unidimensionali le simmetrie rispettate erano consistenti, mentre diventavano pochissime in caso di stringhe con più dimensioni. Nel 1995 le ricerche di Witten e di altri ricercatori dimostrarono come la M-teoria prevedeva elementi costitutivi con più dimensioni.
Fu una vera e propria bomba, questi elementi furono battezzati membrane (da qui forse il nome della M-teoria), quelli con due dimensioni 2-brane , quelli con tre, ovviamente, 3-brane. Di più, la teoria in astratto ne prevede tante quante sono le dimensioni spaziali previste, ovvero 10.
Le brane erano sfuggite fino allora per lo stesso motivo che aveva prodotto cinque diverse interpretazioni matematiche della stessa teoria, le equazioni su cui si lavorava erano rozze ed approssimative.
L’individuazione delle brane apriva una prospettiva cosmologica sensazionale, c’era la possibilità che l’intero spaziotempo nel quale viviamo non fosse altro che un’immensa brana, in altri termini vivremmo in un mondo brana.
Come per le stringhe, se forniamo ad una brana un enorme quantità di energia (cosa sperimentalmente al di fuori della nostra portata, almeno per adesso) viene a cadere qualunque limite fisico che ne delimiti la dimensione. In questa ottica una 3-brana (ovvero una brana a 3 dimensioni spaziali, quelle che noi percepiamo abitualmente) potrebbe, in via teorica, riempire tutto l’universo visibile.
Noi vivremmo quindi in un mondo brana facente parte di un contesto incommensurabilmente più grande che però saremmo destinati a non osservare e conoscere mai.
Il perché di questo limite non dipenderebbe soltanto dall’immensità che abbiamo di fronte, ma da una particolare caratteristica delle stringhe che fu scoperta, sempre intorno al 1995, da Joe Polckinski, fisico teorico deceduto prematuramente nel febbraio del 2018, che lavorava allora nella sede di Santa Barbara dell’Università della California.
Polckinski scoprì una curiosa caratteristica delle stringhe aperte, ovvero quelle non chiuse ad anello, esse pur potendo oscillare in innumerevoli modi, avevano le due estremità come incollate o intrappolate in certe regioni dello spazio.
Cos’era questa misteriosa colla che bloccava le estremità dei minuscoli filamenti in specifiche regioni spaziali? Grazie ai lavori di Witten ed altri, per Joe non fu difficile determinare che erano le brane.
Questo risultato spiega perché se viviamo in un mondo brana, non siamo (e non saremo mai) in grado di osservare altri mondi brana. La ragione è semplice, secondo la teoria un fotone è il prodotto di una stringa aperta che come abbiamo visto è incardinata dentro una brana.
Quindi il fotone può muoversi liberamente ma soltanto dentro questa brana e siccome la luce rappresenta ancora oggi il nostro migliore scandaglio per esplorare l’universo, essendo imprigionata nel nostro mondo brana siamo destinati soltanto a teorizzare l’eventuale esistenza di altri mondi brana, fuori dal nostro.
Niente da dire, scienza e fantascienza a volte vanno davvero a braccetto, certo è che anche i fisici teorici più propensi a dare credito alla teoria delle stringhe devono ammettere che al momento, per le brane, si tratta di una stimolante e ben costruita speculazione teorica e niente di più.
E’ una pagina ma tant’è:
“Forse sarebbe il caso che molti fisici considerassero più attentamente le implicazioni fisiche delle loro elaborazioni matematiche. Bisognerebbe rendersi conto che le teorie scientifiche, in quanto costrutti teorici con un particolare linguaggio (matematico, appunto), sono solo degli “isomorfismi” imperfetti dei sistemi dinamici sottostanti. Il fatto che le formule matematiche siano reversibili rispetto al tempo, non implica affatto e certamente non significa che si sia in grado di viaggiare nel tempo. La matematica è non solo un linguaggio incompleto, ma anche, molto spesso ridondante.
Anche per l’usuale concetto di dimensione ci sarebbe molto da discutere; in effetti esso, per come è inteso usualmente, non pare affatto condivisibile.
Nella teoria delle superstringhe, queste devono vibrare in undici dimensioni (M teoria), sette delle quali “strettamente arrotolate in un piccolo fagotto” dell’ordine della lunghezza di Planck;
Un modo molto poetico per dire che il qualcosa di carattere sconosciuto che vibra, ha bisogno di undici parametri diversi, connessi in una particolare struttura matematica (gli spazi di Calabi-Yau), perché il tutto sia matematicamente coerente.
…E allora perché non dire che il termine dimensione si riferisce a un volgarissimo parametro di
una equazione e non a qualcosa ontologicamente esistente, come, del resto, dovrebbe valere per tutte le dimensioni, anche per le tre cui siamo tutti abituati, anche per la dimensione tempo?
Quando ragionano sui concetti di spazio e tempo e sulle varietà n-dimensionali, gli scienziati si ricordano degli studi del 1917 di Paul Ehrenfest sulle dimensioni spaziali ? (31)
Questi studi, peraltro basati su una intuizione di Kant, ci dicono che le leggi dell’inverso del quadrato, sia della forza di gravità che di quella elettromagnetica, sono una diretta conseguenza della tridimensionalità dello spazio. In particolare egli dimostrò che, in universi con più di tre dimensioni spaziali, non potrebbero esistere atomi stabili.
La tridimensionalità dello spazio è l’unica configurazione dimensionale che comporti sistemi dinamici stabili, imponendo proprietà peculiari alle leggi e alle costanti fisiche fondamentali; ragione per cui è stato possibile considerare spazi n-dimensionali, con n maggiore di 3 solo su distanze quantistiche e solo a livello formale. Quanto sopra, naturalmente, non significa come già detto, che le dimensioni esistano ontologicamente o che noi, come osservatori, percepiamo direttamente le tre dimensioni spaziali, come spesso si legge nei lavori di praticamente tutti i fisici teorici. C’è una differenza abissale fra il percepire fisicamente qualcosa e costruire un castello teorico sulla base di postulati come il concetto di dimensione.
Pare di poter concludere, senz’altro, che tutte le equazioni della fisica ci dicono solo quali sono i
rapporti dinamici fra le grandezze dell’equazione stessa, ma non spiegano un bel niente.
Naturalmente una simile affermazione può avere solo una valenza filosofica, non certo pratica, visto che le teorie della fisica, anche se solo “modelli matematici” della realtà, funzionano perfettamente e a livelli di precisione sperimentale altissimi (Relatività e modello standard).
In realtà esse funzionano solo in quanto sono definite in un ambito epistemologico ben delimitato, che rappresenta anche il loro limite; quindi descrivono e modellizzano situazioni sperimentali e non necessariamente sistemi dinamici reali.
Inoltre resta il fatto che esse teorie, in quanto modelli di una situazione epistemologica, sono fondamentalmente e irrimediabilmente incomplete, in quanto fondamentalmente incompleto è il linguaggio con cui sono costruite.”
(31)Paul Ehrenfest: In what way does it became manifest in the fundamental laws of physics that space has three dimensions?
In
John Barrow: I numeri dell’universo 2003 A. Mondadori Editore, Milano, Oscar Saggi 2004