Le EXTRA DIMENSIONI per L'UNIVERSO

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La ricerca delle dimensioni perdute.

L'idea che l'universo è intrappolato su una membrana in un qualche spazio multidimensionale può spiegare perchè la gravità è così debole, e potrebbe essere provato in acceleratori di particelle ad alta energia. La ricerca della possibile esistenza di dimensioni extra, oltre le normali tre dimensioni spaziali, ha una ricca storia che risale fino al 1920. Recentemente grazie al lavoro di molti fisici teorici (tra cui il mio guppo di Theoretical Physics S.I.S.S.A. Trieste) l'idea sta riprendendo piede poichè sembra possibile che l'intero universo sia incollato ad una membrana in uno spazio multidimensionale, come particelle di polvere intrappolate su una bolla di sapone. L'intera storia ha le sue origini nella ricerca della teoria di unificazione delle forze osservabili in natura: nel 1860 Maxwell unificava elettricità e magnetismo. Oggi noi sappiamo che la teoria dell'elettromagnetismo ha proprietà che sono state solo da poco evidenziate: essa ha le proprietà di una simmetria di Gauge. Questo si può visualizzare nel seguente esempio: supponiamo che ogni particella abbia associata una freccia che può ruotare in un cerchio come le lancette di un orologio. La rotazione non avviene nello spazio a 3 dimensioni che noi osserviamo, per cui il cerchio è puramente matematico, e la simmetria, denominata U(1) si dice interna. Il principio della simmetria stabilisce che la posizione assoluta delle frecce non può essere determinata. In più la simmetria è di gauge o locale, significando con ciò che la direzione delle frecce cambia col tempo e nello spazio. Permettendo tali variazioni, si introduce una corrente spuria a meno che non si aggiunga un mezzo extra che la compensi esattamente: tale mezzo è il campo elettromagnetico. La presenza di questo campo spiega le proprietà fisiche che associamo all'elettromagnetismo. Per esempio il campo porta impulsi di energia che noi osserviamo come fotoni, o particelle di luce: lo scambio di fotoni si manifesta come forza elettromagnetica tra particelle cariche. Nel 1920 l'unificazione di Maxwell dei campi elettrico e magnetico insieme con la nuova teoria generale della relatività di Einstein ispirarono Theodor Kaluza e Oscar Klein a suggerire che poteva essere possibile l'unificazione di elettromagnetismo e gravità in uno schema geometrico a più extra dimensioni. La relatività generale è uno schema geometrico meraviglioso: anch'essa deriva da una simmetria locale detta di Lorentz, che coinvolge 4 dimensioni (tre spaziali e una temporale): la simmetria di Lorentz incorpora il fatto che i risultati di esperimenti fisici sono indipendenti dalla direzione da cui li osserviamo e dalla nostra velocità. La relatività generale rende la simmetria locale e, come per l'elettromagnetismo, ciò richiede un campo che in questo caso è la geometria dello spaziotempo stesso. Corrugamenti locali nello spaziotempo sono gli equivalenti gravitazionali dei fotoni: i gravitoni. Kaluza e Klein proposero di includere la simmetria U(1) dell'elettromagnetismo in questo schema geometrico aggiungendo una quarta dimensione spaziale e arrivando a un totale di 5. Lo spaziotempo diventa pertanto a 5-D (5 dimensioni) ma se una di esse è arrotolata, parte della perfetta simmetria si perde: ciò che rimane è la simmetria di Lorentz a 4-D della relatività generale e la simmetria U(1) di gauge dell'elettromagnetismo. In questo quadro lo spazio interno dell'elettromagnetismo è effettivamente una dimensione extra che risulta arrotolata. Il fotone è realmente un componente del gravitone a più dimensioni. La teoria di Kaluza Klein era un'idea audace, bella e premonitrice. Davvero il nostro quadro geometrico moderno delle teorie di gauge la rende molto naturale. Tuttavia essa soffriva di un numero di difetti seri: il primo era che falliva nello spiegare perchè l'intensità della forza elettromagnetica è così grande mentre la forza di gravità è così fantasticamente debole. In secondo luogo, mentre la teoria quanto meccanica, che si stava sviluppando velocemente ai tempi, poteva facilmente essere incorporata nell'elettromagnetismo, essa era incompatibile con la gravità: la teoria quantistica della gravità soffriva di indesiderati infiniti, che la rendevano inutile. Infine anche le due nuove forze scoperte, la nucleare debole e la nucleare forte, non sembrava potessero essere incluse nella teoria di Kaluza Klein.

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Le superstringhe: dimensioni a bizzeffe !

L' interesse nelle extra dimensioni riprese all'avvento della supersimmetria e della teoria delle stringhe negli anni 70 e 80. La supersimmetria è una teoria che mette in relazione i due diversi tipi di particelle previsti dalla teoria dei quanti, i bosoni e i fermioni. I fermioni sono particelle a spin o momento angolare frazionario e includono tutte le particelle note della materia normale come elettroni e protoni. I bosoni hanno invece spin intero, come i fotoni e i gravitoni. La supersimmetria ha la capacità di rimuovere gli infiniti della gravità quantistica. Inoltre le più simmetriche formulazioni della teoria sono in 10 o in 11 dimensioni. Le teorie delle stringhe furono sviluppate attorno agli anni 70: in questa teoria il mondo è descritto da interazioni fra oggetti unidimensionali chiamati stringhe, anzichè tra oggetti puntiformi quali le particelle. Nella teoria delle stringhe le diverse particelle vengono descritte dai diversi modi di vibrazione delle stringhe stesse. In più, c'è un modo di vibrazione che corrisponde al gravitone, che significa che la gravità è automaticamente inclusa nella teoria. Nella metà degli anni 80 venne una fortunata scoperta: quando la supersimmetria e la teoria delle stringhe sono combinate, la risultante teoria delle superstringhe incorpora in modo positivo la teoria quantistica senza il problema degli infiniti, purchè ci siano 10 dimensioni spaziotemporali. Così qui alla fine ci sarebbe una candidata teoria quantogravitazionale, purchè si ammetta che il nostro mondo a 4-D abbia un extra di 6 dimensioni avvolte strettamente su se stesse e compattate come nella vecchia idea di Kaluza Klein. Subito dopo questa scoperta, si identificò un particolare tipo di teoria delle superstringhe, detta eterotica, che possedeva la simmetria di gauge tale da incorporare tutte le forze note in forma unificata. Questa meravigliosa proprietà fece esplodere l'interesse. Tuttavia si capì presto che la teoria era destinata ad essere vittima di se stessa: c'erano semplicemente troppe soluzioni consistenti con le sue equazioni, e di queste alcune assomigliano al mondo fisico mentre molte altre no per nulla. Inoltre non c'era possibilità di distinguere in modo preferenziale una soluzione piuttosto che altre. E la teoria falliva nello spiegare come mai ci siano nel mondo solo tre dimensioni spaziali e non nove o dieci. Questo problema tuttora esistente viene detto della degenerazione. Un'altra caratteristica scoraggiante della teoria eterotica delle stringhe era la pratica impossibilità di essere verificata sperimentalmente: tale considerazione coinvolge analisi dimensionali riguardanti le tipiche dimensioni di una stringa, che risulta di 19 ordini di grandezza inferiore alle dimensioni di un nucleo atomico: così l'energia che sarebbe necessaria per sondare tale dimensione risulta di 16 ordini di grandezza superiore a quella fornita dai maggiori acceleratori attuali, e perciò al di là delle nostre capacità. Tuttavia c'erano dei buchi in questi argomenti e negli anni 90 si fece strada l'idea che a causa del problema della degenerazione la teoria potesse generare dinamicamente numeri molto grandi o molto piccoli: cadeva perciò in particolare l'assunzione che le dimensioni compattate fossero dello stesso ordine di grandezza della dimensione delle stringhe, ma al contrario potessero essero molto maggiori e tali che gli effetti fossero evidenti ad energie accessibili. Sfortunatamente il modello non riuscì a incorporare le tre ben note forze di gauge elettromagnetica, nucleare debole e forte: ma fu precursore interessante dei piu notevoli recenti sviluppi.

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Il MONDO è un "BRANA"

Fino a qui si assumeva che la gravità insieme con le forze elettromagnetica, nucleare debole e forte dominasse ovunque in uno spaziotempo a 10-D. Tuttavia una nuova possibilità venne avanzata nel 1998 da Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos e Gia Dvali: essi si chiesero se la gravità potesse essere la sola forza che fosse in grado di sperimentare le extra dimensioni. In tal caso quanto grandi sarebbero queste extra dimensioni ? Se solo la gravità fosse sensibile alle extra dimensioni allora il quadro del mondo vedrebbe che le tre forze rimanenti e tutta la materia dell'universo sarebbero intrappolate su una superficie a 3 dimensioni spaziali come particelle di polvere su bolle di sapone. Solo i gravitoni potrebbero uscire dalla superficie e muovere attraverso l'intero volume: la superficie 3-D è detta "brana", un nome derivato dall'equivalente bidimensionale per membrana. Se le tre forze di gauge sono intrappolate sul brana, la risposta a quanto siano grandi le dimensioni extra è sorprendente. La sola forza che noi possiamo usare per provare le extra dimensioni (sensibili solo alla gravità) è la gravità stessa: inoltre noi non abbiamo praticamente nessuna conoscenza della gravità a scale di distanza a meno di circa 1 millimetro. Questo poichè le prove dirette della forza gravitazionale sono basate su esperimenti con la bilancia di torsione che misura l'attrazione tra due sfere sospese. La minima dimensione alla quale questo esperimento è stato eseguito è di 0,2 mm. Pertanto sotto al mm gli oggetti potrebbero gravitare in 5 o più dimensioni. Tuttavia noi sappiamo che la forza elettromagnetica, la nucleare forte e la debole sono invarianti fino a distanze di 10¹⁵ mm. Ciò ha spinto gli autori a suggerire che tali forze siano intrappolate in un brana che ha le tre dimensioni spaziali grandi a sufficienza da incorporare l'universo intero, e cioè uno spessore di 10¹⁵ mm. Guardiamo in maggior dettaglio a come le forze agiscono in un brana con una singola extra dimensione di grandezza L. Le forze elettromagnetica e nucleari non sono sensibili alla dimensione extra e pertanto si comportano normalmente. La gravità invece si comporta molto diversamente. Se ci avviciniamo a un corpo massivo a meno di una distanza L, sentiremmo gli effetti di una legge di forza in quattro dimensioni spaziali piuttosto che in tre. In questo caso i gravitoni che escono dal corpo massivo sono distribuiti su una sfera a 4-D con raggio r e la cui superficie cresce con r³. Troveremmo perciò che la forza gravitazionale segue una legge proporzionalmente inversa al cubo del raggio r. Tuttavia, allontanandoci dal corpo, funzionerebbe ancora la usuale legge dell'inverso del quadrato del raggio r. Così si spiega che, essendo distribuita su più dimensioni, la forza di gravità è molto più debole delle altre. In altre parole la sola ragione per cui la forza di gravità risulta essere così debole è perchè essa è diluita da più dimensioni extra. Questo aspetto della teoria del mondo come brana ha interessato particolarmente poichè ha riformulato la domanda di come mai sia così debole la gravità rispetto alle altre forze. Il numero delle dimensioni extra dà anche una stima delle loro dimensioni di compattazione, più alto è il numero di dimensioni extra e più alto è il grado di compattazione. Se ci fosse solo una dimensione extra allora essa sarebbe più grande del sistema solare e questo lo si può facilmente escludere. Due extra dimensioni danno una scala di compattazione di circa un millimetro, che è vicino al corrente limite di sperimentazione. La possibilità di sperimentazione è uno degli aspetti eccitanti della teoria: siamo improvvisamente passati dal credere che la gravità quantistica sarebbe stata per sempre al di fuori della nostra portata a invece pensare che si possano esguire esperimenti da laboratorio in cui la usuale forza newtoniana dovrebbe cambiare dalla dipendenza "secondo l'inverso del quadrato del raggio" a "secondo l'inverso della quarta potenza del raggio", caratteristico di una situazione a 2 extra dimensioni. Si possono costruire diversi tipi di brana detti p-brana con p che varia a seconda del numero di dimensioni spaziali dell'oggetto. Così 0-brana è simile a una particella normale puntiforme, 1-brana è come una stringa, 2-brana assomiglia a una membrana e così via. Le teorie delle stringhe a p-brana sono buone candidate per i mondi brana poichè possiedono simmetria di gauge sulle loro superficie ed automaticamente incorporano la teria quantistica della gravità. La simmetria di gauge nasce da stringhe aperte, stringhe che hanno la loro parte terminale incollata sul brana. Nel contempo due di queste stringhe aperte possono collidere per formare un laccio chiuso che può viaggiare nel volume multidimensionale. Il più semplice modo di vibrazione di questo laccio chiuso corrisponde esattamente ai gravitoni.

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I PROBLEMI con la teoria dei BRANA

La toria è molto attraente ma presenta alcuni problemi che hanno a che fare con la Cosmologia e con l'Astrofisica. Altri sono problemi di tipo estetico. Prima di tutto lo stabilire semplicemente che due extra dimensioni, grandi 0,2 mm, siano permesse, non è corretto. Queste dimensioni influenzerebbero il comportamento di oggetti astrofisici come le supernove, poichè permetterebbero all'oggetto di perdere energia con l'emissione di gravitoni nel volume multidimensionale. Questa emissione si mostrerebbe come un anomalo raffreddamento dell'interno dell'oggetto. Una precisa valutazione di ciò mostra che le due dimensioni dovrebbero essere più piccole del valore sub millimetrico indicato ed accessibile con esperimenti di laboratorio. Tuttavia il volume multi-D deve possedere certamente altri campi oltre alla gravità. Per esempio se ci sono campi di gauge nel volume, associati con nuove forze, allora la loro intensità si prevede che sia circa un milione di volte superiore a quella gravitazionale. Sarebbe perciò tale intensità accessibile a esperimenti di laboratorio. Inoltre le forze di gauge tra particelle di carica uguale sono per natura repulsive e per questo noi si potrebbe addirittura trovare che a scale sub millimetriche la gravità diventi repulsiva. In secondo luogo, sebbene sia ispirata dalla fisica delle particelle, la teoria del mondo brana ha drammatiche implicazioni per le fasi iniziali evolutive dell'universo. Così la cosmologia può fissare limiti stretti al quadro brana. Per capire ricordiamo che nella cosmologia tradizionale quando noi guardiamo lontano noi guardiamo ai resti di un'epoca precedente, quando l'universo era più piccolo e caldo. Le teorie evolutive dell'universo sono molto efficienti in molti dettagli come per esempio nel calcolo delle abbondanze relative degli elementi leggeri idrogeno, elio, deuterio, litio, e berillio. Il calcolo si confà con le misure purchè l'universo si sia evoluto in modo convenzionale da temperature al di sotto di circa 3MeV (nota che 1 MeV corrisponde a circa 10¹⁰ Kelvin = 10.000.000.000 Kelvin). Questo pone un limite al modello a causa di un sorprendente effetto che limita di quanto indietro nel tempo il nostro univesro abbia potuto evolvere normalmente. Se l'universo è intrappolato su un brana, allora può raffreddarsi emettendo gravitoni nel volume multi-D: oltre all'espansione, ora anche il fenomeno di evaporazione di gravitoni nel volume multi-D contribuisce al raffreddamento. L'evaporazione dovrebbe essere stata dominante nelle prime epoche quando l'universo era caldissimo. Questo pone un limite di massima temperatura T al di sopra della quale l'universo si sarebbe raffreddato in modo non convenzionale. I calcoli dicono che T va da 1 MeV a 500 MeV al crescere delle dimensioni extra da due a sei. Per due dimensioni extra questa temperature è inferiore a quella di nucleosintesi primordiale e ciò porta a valori delle abbondanze incompatibili con le misure. Si può aggirare l'ostacolo alzando il valore di scala della gravità a 1000 GeV e più, nel qual caso i valori di temperatura per l'evoluzione sono più sicuri. L'evaporazione dei gravitoni è anche pericolosa perchè riempie il volume di gravitoni energetici, che poi decadono in fotoni gamma sul brana, andando a distorcere in modo inaccettabile lo spettro di diffusione gamma misurato. Il risultati di questo scenario è che l'universo non dovrebbe mai aver avuto temperature superiori a 1GeV. Inoltre è difficile ma non impossibile accomodare per tale scenario gli altri ingredienti cosmologici incluso l'inflazione e la bariogenesi.

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La ricerca dell' UNIFICAZIONE

Il terzo problema è più estetico ed ha a che fare con l'unificazione delle forze elettromagnetica, nucleare debole e forte. Uno dei più attraenti successi della visione tradizionale del mondo, impostato dal Modello Standard (MS), è che l'unificazione delle forze avviene praticamente gratis al di sopra di 1000 GeV. Questo usando la fisica convenzionale in 4-D. Inoltre il modo convenzionale soddisfa altre condizioni importanti e per esempio predice il rapporto delle intensità delle forze elettromagnetica e nucleari. È difficile rinunciare a cotanto successo e abbracciare la nuova teoria senza ancora sapere se essa si comporterà al riguardo altrettanto bene: al momento ci sono solo barlumi di speranza. Questo limite invalicabile dei 1000 GeV sembra distruggere l'unificazione delle forze, a meno che, come suggerito, le forze di gauge possano essere sensibili a qualche extra dimensione, ma non la grande dimensione che spiega la debolezza della gravità. In tal caso sarebbe possibile riguadagnare qualche forma di unificazione nei pressi della scala fondamentale dei 1000 GeV e rimarrebbe solo la preoccupazione che il decadimento del protone non è predicibile in modo affidabile. Rimane anche la domanda di come mai il modello standard funzioni così bene: è solo questione di una coincidenza fortunata ?

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Nuove soluzioni a VECCHI PROBLEMI

La nuova teoria può spiegare la materia oscura nel senso che essa sarebbe intrappolata in un altro mondo-brana e sarebbe invisibile poichè può solo comunicare con noi tramite gravitoni. L'esistenza di altri brana-paralleli nel volume multi dimensionale è richiesta dalla teoria. La teoria spiega anche perchè la massa delle particelle fondamentali vari così tanto da particella a particella: per esempio il neutrino, che risulta senza massa o di massa veramente infinitesima, potrebbe essere così leggero per la stessa ragione per cui la gravità è così debole. In questo scenario, la grande dimensione delle dimensioni extra potrebbe sopprimere le interazioni che conferiscono massa alle particelle. Infine resta il più serio dei problemi fisici e cosmologici, la costante cosmologica di Einstein. Sembra che la natura l'abbia regolata ad un valore estremamente piccolo, risultando questo numero la più piccola costante di natura. Questo problema ha occupato i fisici per lungo tempo nel tentativo di spiegazione della sua piccolezza. Ora la nuova teoria lo può spiegare ammettendo che le extra dimensioni del volume multi-D siano estremamente curve ma non necessariamente compattate.

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I Gravitoni di KALUZA KLEIN e i BUCHI NERI

Quali altri segni può lasciare negli esperimenti la nuova teoria ? Una possibilità è che compaiano nuovi stati di eccitazione, detti di Kaluza Klein, nelle collisioni di alta energia. Questi stati sono una caratteristica dei modelli con dimensioni compattate, e si possono immaginare con l'analogia di una piscina infinitamente lunga ma larga solo 1 millimetro. La larghezza è la dimensione compattata mentre la lunghezza infinita è una buona analogia con le dimensioni normali che sperimentiamo tutti i giorni. Le onde nella direzione della lunghezza possono avere ogni lunghezza d'onda possibile mentre nell'altra dimensione solo certe onde possono esistere e cioè aventi lunghezza 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm eccetera. Questi sono gli stati di Kaluza Klein. Essi devono essere osservabili vicino alla scala fondamentale di 1000 GeV e potrebbero essere rivelati al Tevatron del Fermilab o al Large Hadron Collider (LHC) che sarà completato al CERN per il 2005. Anche le particella confinate sul brana hanno stati di K-K ma per esse la scala di riferimento è lo spessore del brana. Un altro importante aspetto della nuova teoria è che, essendo l' interazione gravitazionale più forte a più corte distanze, esiste la possibilità che si producano microscopici buchi neri. Fortunatamente essi evaporerebbero velocemente senza creare situazioni pericolose: in effetti assomiglierebbero a particelle esotiche che decadono molto velocemente. Cionondimeno sarebbe davvero straordinario che la natura ci voglia offrire la possibilità di studiare dei buchi neri in laboratorio !

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DIGRESSIONE...

Sulla COSTANTE COSMOLOGICA

Quella di un universo in accelerazione è una delle (presunte) scoperte scientifiche più clamorose degli ultimi anni. Ripercorro brevemente le tappe della scoperta per i lettori che non fossero informati sull'argomento.

E' noto che l'universo viene da una fase molto densa e calda, le cui vestigia sono giunte fino a noi sotto forma di radiazione fossile di fondo (o cosmic background). Il satellite COBE ha dimostrato che questa radiazione ha spettro planckiano, come ci si aspetterebbe da un corpo che si è raffreddato, ed è estremamente omogenea (possiede disomogeneità di solo una parte su diecimila), cosa che avvalla il modello di universo inflazionario. D'altro canto, questo promettente modello avanza una richiesta molto stringente perché sia applicabile, e cioè che la densità media dell'universo sia esattamente uguale a quella necessaria per rendere la geometria dello spazio-tempo piatta. Mi spiego meglio: è noto dalla relatività generale che la massa (e non solo essa) curva lo spazio attorno a se, per cui ci si attende che la materia dell'universo ne curvi lo spazio. Se però l'universo è passato attraverso una fase inflativa, questa deve aver "stirato" lo spazio rendendolo praticamente piatto, oltre che aver reso molto più omogeneo ed isotropo l'universo stesso, come COBE ha dimostrato. Ora, è possibile calcolare quale sia la densità media di materia che è necessaria affinché l'universo risulti piatto ed esprimere la curvatura dello spazio servendosi del rapporto tra la densità reale dell'universo e quella teorica. Questo rapporto è convenzionalmente indicato con la lettera greca maiuscola omega (W). Se W >1 l'universo è più denso del necessario, per cui ha una geometria chiusa, se invece W <1 esso è troppo poco denso e la sua geometria è aperta. Se computiamo tutta la materia visibile nello spazio, essa risulta troppo poca per chiudere lo spazio, in quanto essa è circa il 20% del valore critico; si esprime questo fatto dicendo che W_M=0,2 dove il pedice M sta per "materia". Questo fatto è però in contraddizione col modello di universo inflativo che richiede W =1, perciò si è cominciato a pensare che esista nello spazio una grande quantità di "materia oscura", cioè una qualche forma di materia che non emette luce ma che ha effetti gravitazionali consistenti, che contribuiscono al computo di W (per la verità, esiste anche tutta una serie di prove sperimentali che conferma l'esistenza della materia oscura). Da questa valutazione è nato un intero filone della cosmologia sia teorica che sperimentale, nel tentativo di capire di che genere di materia si tratti e quali osservazioni potrebbero metterla in luce. Alcuni astronomi hanno pensato a nane brune ed a nane rosse, altri ad una massa dei neutrini, altri ancora a particelle non ancora scoperte perché interagiscono poco con la materia ordinaria (le cosiddette WIMPs - Weak Interacting Massive Particles), altri ancora alle particelle supersimmetriche teorizzate dai modelli di unificazione delle forze in fisica. Malgrado gli sforzi, però, nessuna osservazione ha mai dimostrato un contributo preponderante al valore di W. In teoria, le leggere fluttuazioni residue della radiazione fossile di fondo possono dare un suggerimento sulla quantità totale di materia presente nell'universo, in quanto alcuni studi teorici hanno dimostrato che il valore di W_M influenza la distribuzione di queste fluttuazioni; sfortunatamente il satellite COBE non possedeva una sufficiente risoluzione spaziale per valutare questa distribuzione e dipanare il mistero; perciò in questi anni è in via di progettazione il suo successore, battezzato Planck, il cui lancio è previsto per il 2007 e che dovrebbe essere il grado, grazie alla risoluzione molto più elevata, di tracciare una mappa dettagliata della distribuzione del cosmic background. C'è però un'altra possibilità da prendere in considerazione, per colmare il gap che separa l'attuale stima di W_M da 0,2 fino al fatidico e richiesto 1: originariamente, quando Einstein formulò la teoria della relatività, introdusse nelle sue equazioni un parametro (L) il cui effetto sarebbe equivalente ad una forza repulsiva che agisce sulle grandi distanze. Egli giustificò la sua scelta sostenendo che, altrimenti, un universo statico avrebbe dovuto collassare su se stesso e spiegò che la natura fisica di questo parametro, noto come "costante cosmologica", avrebbe dovuto essere cercata nella pressione che si sviluppa a causa dell'energia del vuoto quantistico. In altre parole, una delle previsioni della fisica quantistica è l'esistenza di un'"energia di punto zero", non nulla, che si presenta anche nel vuoto assoluto ed il cui effetto può essere percepito sulla geometria dello spazio. Pochi anni dopo, Hubble scoprì l'espansione dell'universo e la costante cosmologica non era più necessaria per spiegarne il mancato collasso, così Einstein la cancellò dalle sue equazioni e la definì "il più grande errore della mia vita". Eppure la costante cosmologica, oltre ad avere un effetto repulsivo, introdurrebbe un computo positivo al parametro di densità W, costituendo proprio quello che noi cosmologi stiamo cercando. Nel 1998 gli astronomi del Supernova Cosmology Project hanno annunciato che, osservando alcune supernovae molto distanti, avrebbero trovato un indizio di un'espansione accelerata dell'universo, il che avvalorerebbe l'ipotesi dell'esistenza di L e contemporaneamente renderebbe conto del perché il termine W_M risulti irrimediabilmente minore di 1: in tal caso, il requisito da soddisfare sarebbe W _M+W _L=1 e non più semplicemente W_M=1. L'idea di questi astronomi parte dalla considerazione che le supernovae di tipo Ia hanno tutte circa la stessa magnitudine assoluta nel punto di massima luminosità, perciò rappresentano una buona "candela standard" per misurarne la distanza, partendo dal presupposto che la loro luminosità apparente è legata solo a quella assoluta ed alla distanza. E' dunque possibile correlare il redshift della galassia che ospita la supernova con la sua distanza e testare così la legge di Hubble: se l'universo è in espansione accelerata le supernovae risulteranno leggermente più deboli di quanto atteso in base al redshift, se invece è in decelerazione esse saranno un poco più luminose. La scoperta consiste proprio nell'aver notato che le supernovae distanti risultavano sempre un poco più deboli di quanto aspettato (circa mezza magnitudine), suggerendo un'espansione accelerata dell'universo e dunque tutte le citate conseguenze sulle teorie cosmologiche.

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FINE DIGRESSIONE...

09.05.2003 L'universo come "membrana"

Il 7 aprile il Dipartimento di Fisica dell'Università di Roma La Sapienza consegnerà un premio prestigioso a Lisa Randall, giovane (e bella) studiosa della Harvard University, che alla passione per le vette della fisica accomuna quella per le vette alpine. Le sue ricerche nel settore della fisica delle alte energie (che le hanno valso l'assegnazione del riconoscimento di 13mila euro intitolato a Felice Pietro Chisesi e Caterina Tomassoni), riguardano uno dei temi più complessi della scienza e l'hanno condotta ad elaborare, con Raman Sundrum della J.Hopkins University, il modello di un "universo a membrana". La teoria ipotizza un spazio a 3+1 dimensione incastonato in un iperspazio a più dimensioni. Questa concezione di un universo (spazio-tempo) a molte dimensioni, proprio in virtù della nuova ed intricata geometria che disegna, suggerisce spiegazioni 'possibili' per problemi 'impossibili', tuttora privi di risposta: il modello delle extra-dimensioni soddisfa infatti un'esigenza culturale unanimemente condivisa, ma non é ancora supportato da alcuna evidenza sperimentale. Le prime prove a favore di teorie (come la supersimmetria) appartenenti a questo stesso filone di ricerca, potrebbero arrivare con gli esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), il potente acceleratore di particelle che partirà nel 2006 al CERN di Ginevra: LHC consentirà infatti di raggiungere le energie necessarie a vedere nuove strutture destinate a completare il disegno della materia e delle forze della natura. L'esigenza culturale é quella di superare il "Modello Standard” su cui ancora oggi si basa la fisica delle interazioni fondamentali. Questo modello non é pienamente soddisfacente e non spiega tutto: "per esempio non spiega perché la carica elettrica del protone e quella dell'elettrone siano esattamente uguali e contrarie, tali da garantire che la materia sia elettricamente neutra" Così si va oggi alla ricerca di nuovi modelli formali che forniscano un'unica e coerente spiegazione tanto per la forza gravitazionale quanto per i fenomeni quantistici, per i quali occorre fare riferimento a teorie diverse, e per questo 'epistemologicamente' insoddisfacenti: "La teoria della Gravitazione Universale di Einstein e il Modello Standard non forniscono un quadro teorico consistente che includa sia la Relatività Generale che la Meccanica Quantistica, né spiegano perché ci siano scale di energia fondamentali così diverse tra loro. Le Teorie delle Stringhe, elaborate successivamente alla Gravitazione Universale, potrebbero fornire una soluzione a questi problemi". Una teoria capace di unificare schemi concettuali che appaiono tra loro inconciliabili fu invano cercata da Einstein e poco dopo da Theodor Kaluza e Oskar Klein, cui si deve il primo modello di spazio non a tre ma a quattro dimensioni, nel quale potevano trovare posto tanto il gravitone (particella portatrice della forza di gravità) quanto il fotone (messaggero dell'interazione elettromagnetica). Questi tentativi di esplorazione di nuovi territori non ottennero grande fortuna, ma furono ripresi con maggior successo negli anni '80 nella Teoria prima delle Stringhe e poi delle Superstringhe. In questo promettente filone si inseriscono gli studi della Randall, che descrivono un universo in cui: "tutta la materia ordinaria, dai pianeti alle particelle subatomiche, e le forze fondamentali (elettromagnetica, debole e forte) sono confinate nel familiare spazio-tempo a quattro dimensioni, mentre le forze gravitazionali agiscono in tutto lo spazio tempo a molte dimensioni". Il bello di questo modello infatti risiede proprio nella possibilità di unificare le leggi che governano tanto i fenomeni del macrocosmo (descritte dalla relatività generale) quanto quelli del microcosmo (descritte dalla meccanica quantistica): una possibilità che fa di questa teoria una tappa importante nella marcia di avvicinamento che dal Modello Standard condurrebbe alla Teoria della Grande Unificazione (GUT), cui da sempre si aspira. Resta da chiedersi perché queste dimensioni extra non siano in alcun modo percepibili, e siano anzi lontanissime dalla nostra esperienza empirica. Proverò a spiegarlo con un esempio che banalizza al massimo: se vivessimo sulla superficie di una bolla di sapone, potendo muoverci solo avanti-indietro o a destra-sinistra, ne percepiremmo solo due dimensioni, sebbene la bolla sia immersa in uno spazio tridimensionale. Proviamo ora a immaginare di vivere in un universo strutturato come una membrana, in cui si intrecciano più dimensioni; noi soggetti 'tridimensionali' percepiremmo solo tre dimensioni. Nello scenario tracciato da Randall e Sundrum la membrana ha più di quattro dimensioni: mentre le tre ordinarie, che ci é dato di percepire, hanno dimensioni grandissime ed anzi infinite, le dimensioni extra non solo agiscono su un altro livello, ma sono segmenti o cerchietti talmente piccoli (dell'ordine di un miliardesimo di miliardesimo di cm) da sfuggire completamente ai nostri sensi. I "complicatissimi conti" ;-) proposti da Randall e Sundrum, tornano: questo modello é quindi affidabile ed ha tutte le carte in regola per essere 'potenzialmente' vero ;-)°°°°. Non é poco. Ma proprio l'inimmaginabile piccolezza ed insondabilità delle dimensioni extra costituisce il punto di debolezza di questo "affascinante modello": per penetrare in strutture tanto compatte occorrono infatti energie elevatissime, irraggiungibili con gli attuali apparati e, oltre certi limiti, irraggiungibili in assoluto. La nuova generazione di acceleratori -e in particolare LHC- potrà risolvere alcuni importanti problemi e confermare (o smentire) teorie che oggi appassionano noi scienziati e fanno "soffrire" ;-), per la loro difficile verifica sperimentale, i discepoli di Galileo. A tutt'oggi sono leciti i dubbi di quanti, con Frank Wiczeck, temono che si tratti solo di "allucinazioni d'alta montagna". Da buona alpinista e da fisica di razza, la mia simpaticissima collega Randall con tutta calma: "La nostra é una teoria che raccoglie l'interesse non solo di fisici delle particelle ma anche di esperti di fisica relativistica e di cosmologia, molti dei quali oggi pensano che sia un modello possibile. E' il modello del mondo ? E chi lo sa ?" E' certamente un modello elegante -grappini a parte-. E non sarebbe la prima volta che la bellezza e l'eleganza di una teoria guidano un ricercatore verso l'intuizione più giusta: é accaduto a molti dei più grandi scienziati della storia. Semplicemente perché quello della bellezza é anche il metodo che guida madre natura.

Lisa Randall's research in theoretical high energy physics is primarily related to the question of what is the physics underlying the standard model of particle physics. This has involved studies of strongly interacting theories, supersymmetry, and most recently, extra dimensions of space. In this latter work, she investigates “warped” geometries. The focus of this work has been a particular class of theories based on five-dimensional AdS space which has the remarkable property that the graviton is localized and the space need not be compactified. Related work demonstrates that this theory yields a very natural resolution to the hierarchy problem of particle physics (the large ratio of the Planck and electroweak scales) and furthermore, is compatible with unification of gauge couplings. This latter class of theories suggests interesting experimental tests. The study of further implications of this work has involved string theory, holography, and cosmology. Lisa Randall also continues to work on supersymmetry and other beyond-the-standard-model physics.

Lisa Randall Insegna fisica alla Harvard university (Cambridge, Massachusetts)

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15.04.2004 Un rivelatore sotterraneo di onde gravitazionali

Si trova esattamente al di sotto di SuperKamiokande. Un team di fisici ha costruito in Giappone il primo rivelatore di onde gravitazionali sotterraneo. I test preliminari hanno mostrato che la riduzione del rumore ambientale dovuta al collocamento sottoterra farà sì che LISM (Laser Interferometer gravitational-wave Small observatory in a Mine) possa operare bene quanto gli strumenti già esistenti. (S.Sato et al., 2004, arXiv.org/abs/gr-qc/0403080). Il rivelatore è stato costruito a 1000 metri in profondità, nello stesso sito del rivelatore di neutrini SuperKamiokande. Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo, prodotte quando corpi massivi accelerano attraverso lo spazio. Si tratta tuttavia di onde molto deboli, anche per eventi estremi come esplosioni di supernova o collisioni fra stelle di neutroni e buchi neri, e sono pertanto estremamente difficili da rivelare. Gli interferometri utilizzano raggi laser per monitorare il movimento di masse di test posizionate alle estremità delle braccia perpendicolari dello strumento. Le braccia di LISM sono lunghe soltanto 20 metri, una misura relativamente breve se confrontata con i tre chilometri del rivelatore VIRGO in Italia, e i quattro chilometri dei due rivelatori LIGO negli Stati Uniti. Quando un'onda gravitazionale passa attraverso il rivelatore, provoca un incremento della distanza fra le masse di test in una direzione e una diminuzione nell'altra. I cambiamenti sono estremamente piccoli - dell'ordine di 10^-21 metri - e perciò il rivelatore deve essere molto sensibile e rischia di essere disturbato da rumori ambientali come i movimenti sismici e le variazioni di temperatura circostanti. Ora Shuichi Sato e colleghi della collaborazione LISM hanno tentato di superare il problema trasferendosi sottoterra. I primi test mostrano che, nonostante le braccia corte, LISM ha una sensibilità confrontabile con quelle del rivelatore TAMA in Giappone e dell'esperimento GEO600 in Germania. La collaborazione intende anche costruire un secondo rivelatore con strumentazione criogenica per ridurre gli effetti del rumore termico. [VEDI anche: OG3: Gravitational Waves]

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Clues to theory may be visible in Big Bang aftermath
YALE UNIVERSITY NEWS RELEASE
Posted: May 14, 2004

Scientists studying the Big Bang say that it is possible that string theory may one day be tested experimentally via measurements of the Big Bangs afterglow. Richard Easther, assistant professor of physics at Yale University discussed the possibility at a meeting at Stanford University Wednesday, May 12, titled Beyond Einstein: From the Big Bang to Black Holes. Easthers colleagues are Brian Greene of Columbia University, William Kinney of the University at Buffalo, SUNY, Hiranya Peiris of Princeton University and Gary Shiu of the University of Wisconsin. String theory attempts to unify the physics of the large (gravity) and the small (the atom). These are now described by two theories, general relativity and quantum theory, both of which are likely to be incomplete. Critics have disdained string theory as a philosophythat cannot be tested. However, the results of Easther and his colleagues suggest that observational evidence supporting string theory may be found in careful measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB), the first light to emerge after the Big Bang. In the Big Bang, the most powerful event in the history of the Universe, we see the energies needed to reveal the subtle signs of string theory. String theory reveals itself only over extreme small distances and at high energies. The Planck scale measures 10^-35 meters, the theoretical shortest distance that can be defined. In comparison, a tiny hydrogen atom, 10^-10 meters across, is ten trillion trillion times as wide. Similarly, the largest particle accelerators generate energies of 10^-15 electron volts by colliding sub-atomic particles. This energy level can reveal the physics of quantum theory, but is still roughly a trillion times lower than the energy required to test string theory. Scientists say that the fundamental forces of the Universe gravity (defined by general relativity), electromagnetism, "weak" radioactive forces and "strong" nuclear forces (all defined by quantum theory) were united in the high-energy flash of the Big Bang, when all matter and energy was confined within a sub-atomic scale. Although the Big Bang occurred nearly 14 billion years ago its afterglow, the CMB, still blankets the entire universe and contains a fossilized record of the first moments of time. The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) studies the CMB and detects subtle temperature differences, within this largely uniform radiation, glowing at only 2.73 degrees Celsius above absolute zero. The uniformity is evidence of inflation,a period when the expansion of the Universe accelerated rapidly, around 10^-33 seconds after the Big Bang. During inflation, the Universe grew from an atomic scale to a cosmic scale, increasing its size a hundred trillion trillion times over. The energy field that drove inflation, like all quantum fields, contained fluctuations. These fluctuations, locked into the cosmic microwave background like waves on a frozen pond, may contain evidence for string theory. Easther and his colleagues compare the rapid cosmic expansion that occurred just after the Big Bang to enlarging a photograph to reveal individual pixels. While physics at the Planck scale made a "ripple" 10^-35 meters across, thanks to the expansion of the Universe the fluctuation might now span many light years. Easther stressed it is a long shot that string theory might leave measurable effects on the microwave background by subtly changing the pattern of hot and cold spots. However, string theory is so hard to test experimentally that any chance is worth trying. Successors to WMAP, such as CMBPol and the European mission, Planck, will measure the CMB with unprecedented accuracy. The modifications to the CMB arising from string theory could deviate from the standard prediction for the temperature differences in the cosmic microwave background by as much as 1%. However, finding a small deviation from a dominant theory is not without precedent. As an example, the measured orbit of Mercury differed from what was predicted by Isaac Newton's law of gravity by around seventy miles per year. General relativity, Albert Einstein's law of gravity, could account for the discrepancy caused by a subtle warp in spacetime from the Sun's gravity speeding Mercury's orbit.

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NOTA: LA M-teoria

La teoria delle superstringhe comprende ben cinque varianti denominate tipo I, tipo IIA, tipo IIB, eterotica O ed eterotica E, tutte teorie molto simili fra loro ma non identiche. Di simile hanno ad esempio il fatto che tutte quante necessitano di nove dimensioni dello spazio (oltre a quella temporale) entro cui poter agire e non solo delle tre di cui abbiamo percezione diretta. Di queste complessive dieci dimensioni sei sono invisibili, risultando strettamente accartocciate su sé stesse (con termine tecnico si dicono compattificate, un obbrobrio lessicale) perché “strangolate” dalle stringhe che si avvolgono intorno ad esse (come fossero elastici che stringono la camera d'aria di una bicicletta) impedendo loro di espandersi. L’aggiunta di dimensioni nascoste a quelle osservabili può apparire una cosa bizzarra e indimostrabile, ma in realtà si tratta di una buona ipotesi: non servono infatti osservazioni sperimentali a confermare un’ipotesi se questa può essere utile per fornire una chiara descrizione del mondo fisico. Qualcosa di simile era già successo in passato quando uno sconosciuto matematico polacco di nome Theodor Kaluza inviò ad Einstein un articolo in cui avanzava il convincimento che l’Universo avrebbe potuto avere una quarta dimensione spaziale oltre a quella temporale già inserita nella sua teoria della relatività. Kaluza notò che la presenza di una dimensione extra dava luogo ad una serie di equazioni aggiuntive a quelle indicate da Einstein che non erano altro che le equazioni formulate da Maxwell per descrivere la teoria elettromagnetica. In altre parole in uno spazio a cinque dimensioni si unificavano gravitazione ed elettricità. I cinque sottotipi della teoria delle superstringhe mostrano però anche alcune differenze sostanziali. Differiscono fra l’altro per il modo in cui incorporano la supersimmetria o per la forma delle stringhe: la teoria di tipo I ad esempio, a differenza delle altre, prevede la presenza anche di stringhe aperte, cioè con gli estremi liberi, oltre che di stringhe chiuse ad anello. Nel 1995 il fisico teorico Edward Witten scoprì che le cinque teorie di superstringa erano intimamente connesse l’una all’altra tanto da poter essere raggruppate in un unico schema concettuale a cui fu assegnato il nome di M-teoria, dove M starebbe per madre: quindi si tratterebbe della “madre di tutte le teorie”. Questa nuova scoperta potrebbe portare alla tanto agognata Teoria del Tutto (TOE, come la chiamano gli anglosassoni, Theory of everything) ma molte delle sue proprietà non sono state ancora comprese a fondo. La M-teoria esibisce alcune caratteristiche aggiuntive rispetto a quelle presenti nelle superstringhe. Innanzitutto essa postula che le dimensioni passino da dieci ad undici: alle nove dimensioni spaziali e a quella temporale presenti nelle teorie delle superstringhe se ne aggiunge quindi un’altra la cui presenza consente di portare a termine calcoli esatti e non solo approssimati come erano quelli che si ottenevano in precedenza. Una seconda caratteristica della M-teoria è quella di contenere, oltre a strutture unidimensionali di cui si è detto, anche altri elementi che si possono estendere in più dimensioni: nell’insieme questi oggetti vengono definiti brane (termine misterioso di cui si ignora l'etimologia). Usando questa nuova e originale terminologia le stringhe sono chiamate 1-brane, le 2-brane sono membrane ovvero superfici bidimensionali, ma esistono anche masserelle tridimensionali (tri-brane) e altri oggetti a più dimensioni tutti in frenetica e incessante vibrazione. A causa della presenza di oggetti più estesi delle stringhe, l’M-teoria viene anche detta “teoria delle membrane”, ma a questo punto i più maliziosi assegnano alla lettera M della teoria il significato di “mistero”.

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DIGRESSIONE...

p-brane

Nessuno sa che cosa sia la M-theory. Si sa solo che tutte le teorie di stringa consistenti sono collegate tra di loro a livello non-perturbativo, e devrebbero essere legate ad una teoria "unificante", nel senso che riprodurrebbe in opportuni regimi, le cinque teorie di stringa consistenti che abbiamo. Queste teorie, come detto, sono legate tra di loro da delle cosiddette "dualita'", cioè dei particolari tipi di trasformazioni. A questo livello divulgativo, non è possibile scrivere "senza formule" qualcosa di più preciso. Le dualità sono proprietà molto profonde delle teorie di stringa. Per quanto riguarda le p-brane, queste fanno parte di una classe di oggetti già noti ai fisici matematici come "solitoni". Sono infatti soluzioni non perturbative delle equazioni di supergravità, con particolari caratteristiche. Anzitutto sono oggetti dotati di un volume p+1-dimensionale. Esempio, una 1-brana è una superficie bidimensionale, una 2-brana è una ipersuperficie 3-dimensionale ecc. Queste hanno anche la caratteristica di avere una loro massa, e una loro carica. Questa carica è una generalizzazione della carica elettrica e della carica magnetica. La generalizzazione consiste sia nel considerare che cambiando il numero di dimensioni cambia il legame tra la dimensionalità delle cariche elettriche e di quelle magnetiche, sia nel considerare campi più generali di quello elettromagnetico, tecnicamente noti come "p-form fields" cioè sono campi a valori nelle p-forme, e qui si entra nel matematichese ma purtroppo non c'è altra via (o meglio non ce ne sono di più semplici). Per completezza cito il fatto che esistono anche altri oggetti, di origine diversa dalle p-brane, ma con un'apparenza estremamente simile che sono le "Dp-brane" (si, anche il nome richiama il concetto). Queste nascono in un contesto invece di teoria di stringa, sono le ipersuperfici sulle quali le stringhe aperte terminano: cioe' gli estremi delle stringhe aperte sono vincolati a muoversi su queste brane. Anche queste hanno massa e carica, ma stavolta non emergono come soluzioni di supergravità ma come condizioni al contorno per le equazioni di stringa aperta. La "teconlogia" delle D-brane permette di costruire teorie di gauge utilizzando il limite a basse energie di opportune teorie di stringa in presenza di un certo numero di D-brane. Anche queste brane sono vincolate a essere oggetti supersimmetrici. Entrambi gli studi servono a capire come sono fatti i settori non-perturbativi delle teorie di stringa in maniera abbastanza approfondita da potere poi alla fine formulare la teoria M.

Further reading...

I Antoniadis 1990 Phys. Lett. B246 377.
I Antoniadis et al. 1994 Phys. Lett. B331 313.
I Antoniadis and K Benakli 1994 Phys. Lett. B326 69 (www.arxiv.org/abs/hep-th/9310151).
I Antoniadis et al. 1998 Phys. Lett. B436 263 (hep-ph/9804398).
I Antoniadis et al. 1999 Phys. Lett. B460 176 (hep-ph/9403290 ).
N Arkani-Hamed et al. 1998 Phys. Lett. B429 263 (hep-ph/9803315 ).
G F Giudice et al. 1999 Nucl. Phys. B544 3 (hep-ph/9811291).
M B Green et al. 1987 Superstring Theory, Vols 1 & 2 (Cambridge University Press).
C D Hoyle et al. 2001 Phys. Rev. Lett. 86 1418 (hep-ph/0011014 ).
T Kaluza 1921 Preuss. Akad. Wiss. 966.
O Klein 1926 Z. Phys. 37 895.
J C Long et al. 2002 hep-ph/0210004 (and references therein).
J D Lykken 1996 Phys. Rev. D54 3693 (hep-th/9603133).
E A Mirabelli et al. 1999 Phys. Rev. Lett. 82 2236 (hep-ph/9811337).
J Polchinski 1995 Phys. Rev. Lett. 75 4724 (hep-th/9510017).
E Witten 1995 Nucl. Phys. B443 85 (hep-th/9503124).

FINE DIGRESSIONE

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07.07.2004 Theory of everything

In physics a Theory Of Everything (TOE) is a theory that unifies the four fundamental forces of nature: gravity, the strong nuclear force, the weak nuclear force, and the electromagnetic force, and is the goal of researchers in quantum gravity. Previous names for similar concepts include grand unified theory and unified field theory. A theory of everything is needed to explain phenomena such as the big bang or gravitational singularities in which the current theories of general relativity and quantum mechanics break down. Theoretical motivations for finding a theory of everything include the Platonic belief that the ultimate nature of the universe is simple and therefore the current models of the universe such as the standard model cannot be complete because they are too complicated. One of the most popular candidates for a theory of everything at the moment is string theory / M-theory (current research on loop quantum gravity may eventually play a fundamental role in a TOE, but that is not its primary aim). These theories attempt to deal with the renormalization problem by setting up some lower bound on the length scales possible. Also, early 21st century theories of everything tend to suppose that the universe actually has more dimensions than the easily observed three of space and one of time. The motivation behind this approach began with the Kaluza-Klein theory in which it was noted that adding one dimension to general relativity would produce the electromagnetic Maxwell's equations. This has led to efforts to work with theories with large number of dimensions in the hopes that this would produce equations which are similar to known laws of physics. In the late 1990's, it was noted that one problem with several of the candidates for theories of everything was that they did not constrain the characteristics of the predicted universe. For example, many theories of quantum gravity can create universes with arbitrary numbers of dimensions or with arbitrary cosmological constants. One bit of speculation is that there may indeed be a huge number of universes, but that only a small number of them are habitable, and hence the fundamental constants of the universe are ultimately the result of the anthropic principle rather than a consequence of the theory of everything. There is also a philosophical debate within the physics community as to whether or not a theory of everything should be seen as the fundamental law of the universe. One view is the hard reductionist view [Reductionism in philosophy describes a number of related, contentious theories that hold, very roughly, that the nature of complex things can always be reduced to (explained by) simpler or more fundamental things. This is said of objects, phenomena, explanations, theories, and meanings. The term is often used to criticize an imagined position rather than to describe a real one.] that the TOE is the fundamental law of the universe and that all other theories of the universe are a consequence of the TOE. Another view is that there are laws which Steven Weinberg calls free floating laws which govern the behavior of complex systems, and while these laws are related to the theory of everything, they cannot be seen as less fundamental than the TOE. Theories of everything must be distinguished from grand unified theories (or GUTs), which attempt to unite all the fundamental forces except gravity. A unified field theory that unites the electromagnetic and weak nuclear forces into a single electroweak force has already been established; GUTs attempt to unify the strong nuclear and electroweak forces. Many alternative thinkers have attempted to create "theories of everything". Attempts to create theories of everything are common among people outside the professional physics community. Unfortunately some of these theories suffer from the inability to make quantifiable and/or falsifible predictions. Unlike professional physicists, who are generally aware that their proposed theory is incomplete, untested, and possibly wrong, amateurs who create TOE's tend to be unaware of the need and mechanisms for testing scientific theories and the fact that most proposed theories (logically, all but one) are wrong.

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