Albert Einstein
La ricerca di Einstein per una teoria unificata
Dopo essere diventato famoso per diverse brillanti scoperte in fisica, tra cui il moto browniano, l’effetto fotoelettrico e le teorie della relatività speciale e generale, Albert Einstein trascorse gli ultimi trent’anni della sua vita alla ricerca infruttuosa di un modo per combinare gravità ed elettromagnetismo in un’unica elegante teoria.
Einstein era motivato dal bisogno intellettuale di unificare le forze della natura. Sentiva fortemente che tutta la natura doveva essere descritta da un’unica teoria. “L’intelletto che cerca una teoria integrata non può accontentarsi dell’ipotesi che esistano due campi distinti e totalmente indipendenti l’uno dall’altro per loro natura”, disse Einstein nella sua conferenza per il Nobel del 1923.
Inoltre, credeva che ci fosse un legame tra la necessità di risolvere gli apparenti paradossi della meccanica quantistica e la necessità di unificare elettromagnetismo e gravità. Einstein ha sempre insistito sul fatto che la meccanica quantistica potesse essere derivata da una teoria più completa. Per Einstein, che non fu mai soddisfatto delle stranezze e della casualità insite nella teoria quantistica, qualsiasi teoria di campo unificata accettabile doveva avere come conseguenza la meccanica quantistica.
Negli anni venti, quando Einstein iniziò il suo lavoro su una teoria di campo unificata, l’elettromagnetismo e la gravità erano le uniche forze conosciute, e l’elettrone e il protone erano le uniche particelle subatomiche conosciute. La maggior parte dei fisici dell’epoca erano entusiasti della teoria quantistica appena scoperta, e passavano il loro tempo assorbiti dall’esplorazione delle sue bizzarre e interessanti conseguenze. Non vedevano alcun grande bisogno di una teoria che unisse elettromagnetismo e gravità.
Ma Einstein, e molti altri scienziati, lavorarono sul problema dell’unificazione. Nel 1918, Hermann Weyl propose uno schema di unificazione basato su una generalizzazione della geometria Riemanniana. Ispirato dal lavoro di Weyl, Theodor Kaluza mostrò che estendendo lo spazio-tempo a cinque dimensioni, si potevano produrre le equazioni di Einstein in quattro dimensioni, più un set extra di equazioni che è equivalente alle equazioni di Maxwell per l’elettromagnetismo. La quinta dimensione sarebbe compatta, raggomitolata così piccola che non possiamo rilevarla. Oskar Klein perfezionò in seguito questa idea.
L’ultima lavagna di Einstein, Institute for Advanced Study (1955).
A Einstein piaceva l’approccio a cinque dimensioni. Nel 1919, scrisse a Kaluza: “L’idea di raggiungere l’unificazione per mezzo di un mondo cilindrico a cinque dimensioni non mi sarebbe mai venuta in mente… A prima vista, la sua idea mi piace enormemente”. Kaluza pubblicò il suo articolo nel 1921, ed Einstein pubblicò il suo primo articolo sulla teoria di campo unificata, con Jacob Grommer, seguendo un approccio simile, nel 1922.
Un altro approccio che Einstein tentò fu quello di estendere la relatività generale per includere le equazioni dell’elettromagnetismo generalizzando il tensore metrico pur mantenendo la geometria quadridimensionale.
Einstein lavorò costantemente su questi due approcci di base per gli ultimi trent’anni della sua vita, ma nessuno dei due metodi produsse mai la teoria unificata completa che stava cercando. “La maggior parte della mia progenie intellettuale finisce molto giovane nel cimitero delle speranze deluse”, scrisse Einstein in una lettera del 1938.
Ma non rinunciò mai alla sua ricerca di una teoria unificata. Anche mentre giaceva sul letto di morte, continuò il suo lavoro. Il giorno prima di morire, chiese che gli fossero portati i suoi ultimi appunti.
Una ragione del fallimento di Einstein nella scoperta di una teoria unificata può essere il suo rifiuto della meccanica quantistica, che lo portò a ignorare i nuovi sviluppi della fisica e ad allontanarsi dal resto della comunità fisica. Einstein era consapevole della sua posizione, e commentò nel 1954 che “devo sembrare uno struzzo che seppellisce sempre la testa nella sabbia relativistica per non affrontare i malvagi quanti”. Ma più lavorava all’unificazione, più Einstein si allontanava dal resto della comunità fisica.
Divenne anche sempre più assorbito da argomenti matematici formali, piuttosto che seguire l’intuizione fisica che lo aveva guidato in gioventù alle sue grandi scoperte.
Molti dicono che Einstein fallì perché era semplicemente in anticipo sui tempi. La conoscenza e gli strumenti necessari per completare una teoria unificata semplicemente non erano stati sviluppati prima che Einstein morisse nel 1955.
Oggi, molti fisici stanno riprendendo la sua ricerca. L’approccio più promettente sembra essere la teoria delle stringhe, che richiede 10 o più dimensioni e descrive tutte le particelle elementari come stringhe vibranti, con diversi modi di vibrazione che producono particelle diverse.
La teoria delle stringhe non ha ancora fatto alcuna previsione verificabile, e alcuni scienziati temono che i teorici delle stringhe, come Einstein nei suoi ultimi anni, si siano allontanati troppo dalla realtà fisica nella loro ossessione per la bella matematica. Ma molti altri credono che la teoria delle stringhe contenga effettivamente la chiave per completare la ricerca di Einstein, e i ricercatori sperano di trovare il modo di testare alcune delle previsioni della teoria delle stringhe.
Anche se il suo lavoro non ha mai prodotto una teoria fisica utile, Einstein ha stabilito l’unificazione come un importante obiettivo della fisica. Infatti una teoria del tutto è comunemente chiamata il “santo graal” della fisica moderna. Einstein sarebbe probabilmente contento che così tanti fisici stiano dedicando con entusiasmo le loro carriere a perseguire il suo sogno.
Ed. Nota: Mentre l’Anno Mondiale della Fisica volge al termine, stiamo terminando la nostra serie di rubriche di storia che si concentrano su Einstein. Stiamo anche cambiando gli autori. Per cinque anni, “Questo mese nella storia della fisica” è stato scritto dal redattore associato Jennifer Ouellette; le prossime colonne (così come questa) saranno opera dello scrittore scientifico Ernie Tretkoff.