Una nuova teoria, chiamata spazio-tempo ondulato, suggerisce l’unificazione tra fisica quantistica e relatività generale. Il principio è sfuggito agli scienziati per 100 anni perché enormi fluttuazioni, fanno sì che la gravità, non rispetti le regole quantistiche. Dall’inizio del XX secolo, due teorie rivoluzionarie hanno definito la nostra comprensione fondamentale della fisica che governa l’universo.
La fisica quantistica descrive la fisica del piccolo, raccontandoci come le particelle fondamentali, elettroni e fotoni, interagiscono e sono governate. La relatività generale, d’altro canto, descrive l’universo su scala enorme. Racconta come i pianeti si muovono attorno alle stelle, come le stelle possono dare vita a buchi neri e come le galassie si raggruppano per costruire le strutture più grandi del cosmo.
I due pilastri della fisica
Dalla loro nascita, queste due teorie, sono diventate sempre più solide. La meccanica quantistica ha dimostrato che il mondo è pieno di contraddizioni. La relatività generale, invece ha rivelato che il tessuto dello spazio-tempo è modellato dalla materia che lo ricopre. Inoltre, le interazioni violente tra corpi di grande massa, possono creare increspature nello spazio-tempo, note come onde gravitazionali, che viaggiano per miliardi di chilometri.
Tuttavia, c’è un problema, che incombe su queste discipline. Mentre i due pilastri della fisica vengono ancora oggi perfezionati, gli scienziati non sono ancora in grado di colmare il divario che li separa.
“I due pilastri della fisica moderna sono incoerenti tra loro. Significa che esiste una contraddizione fondamentale che risiede nel fondamento stesso delle nostre leggi della natura”, ha detto il professor Jonathan Oppenheim dell’University College di Londra (UCL). Oppenheim è il pioniere di una teoria che potrebbe finalmente riunire questi due concetti. Una riconciliazione che ha sfidato le più grandi menti scientifiche per oltre 100 anni.
La nuova teoria unificatrice
In passato, unire la relatività generale con la fisica quantistica, significava sommare lo spazio-tempo tridimensionale e la dimensione del tempo. Creare un’unica entità 4D e scomporlo in unità discrete, o quanti. Tuttavia, la relatività si basa sullo spazio-tempo come un attore dinamico, modellato dalla presenza di materia ed energia che si muovono attraverso la curvatura e la gravità che ne derivano.
L’idea di Oppenheim è uno spazio-tempo ondulato. La teoria si chiede il perché la gravità dovrebbe avere una natura quantistica come le altre forze fondamentali dell’universo. La gravità, sostiene, non è come l’elettromagnetismo e la forza nucleare forte e debole. Infatti è l’unica forza che può definire la geometria stessa dello spazio-tempo e la fisica quantistica si evolvono su questa geometria.
“Percepiamo la gravità perché la materia fa piegare lo spazio-tempo. Il tempo scorre a velocità divesi in luoghi diversi”, scrive Oppenheim in un articolo su Physical Review X (rif.). “La velocità con cui scorre il tempo e la struttura causale che essa fornisce, potrebbe richiedere una descrizione classica affinché la teoria quantistica sia ben formulata.”
Questo significa, che nella sua teoria spazio-tempo ondulato, la gravità, non ha una descrizione quantistica. Questo perché le fluttuazioni casuali dello spazio-tempo, provocano cambiamenti nel flusso del tempo, infrangendo così il concetto di prevedibilità. “Sia nella gravità quantistica che nella gravità classica, lo spazio-tempo deve subire fluttuazioni violente. Ma su una scala che non siamo ancora stati in grado di rilevare”, ha detto Zach Weller-Davies ricercatore di fisica teorica in una dichiarazione (rif.).
Le teorie alternative
La teoria delle stringhe è uno dei concetti più noti per unire questi due pilastri della fisica. In breve, vede le particelle che riempiono l’universo come manifestazioni di oggetti vibranti unidimensionali chiamati stringhe. La teoria delle stringhe descrive come si propagano nello spazio e interagiscono tra loro, dando origine a una particella chiamata gravitone. Questa particella trasporta la forza gravitazionale e quindi fornisce una spiegazione quantistica di questa forza fondamentale.
Un altra teoria di unificazione alternativa è la gravità a loop quantistico. Questa modifica la formulazione della relatività generale per quantizzare lo spazio-tempo in blocchi. Il sostenitore della gravità ad anello quantistico Carlo Rovelli e il sostenitore della teoria delle stringhe Geoff Penington dubitano della teoria post-quantistica della gravità classica di Oppenheim.
Questo scetticismo è inspiegabile per Oppenheim poichè dubita della validità delle due teorie come unione alla relatività generale e alla fisica quantistica. Il motivo risiede nel fatto che entrambe richiedono di ingredienti extra all’universo, come dimensioni aggiuntive, di cui la sua teoria dello spazio-tempo ondulato, non ha bisogno.
“Non mi è chiaro se qualcuno degli approcci attuali riconcili in modo coerente la teoria quantistica e la relatività generale”, ha detto Oppenheim. “Se la teoria delle stringhe riuscisse a farlo, richiederebbe dimensioni extra e supersimmetria. Nessuna delle quali abbiamo osservato in natura, anche se è ancora possibile che siano lì.”
La ricerca di ulteriori prove
Inoltre le teorie unitarie, come quella delle stringhe e la gravità quantistica a loop, sembrano richiedere la rottura del famoso principio di equivalenza di Einstein. Ciò si riferisce all’equità tra due forme di massa. La massa gravitazionale, sperimentata stando su un corpo come la Terra, e la massa inerziale, sperimentata in un sistema di riferimento in accelerazione.
Oppenheim ha spiegato che questa rottura dell’equivalenza è necessaria per conciliare queste teorie con il paradosso dell’informazione del buco nero, che chiede dove va l’informazione trasportata dalla materia inghiottita dai buchi neri. Oltre a testare la fluttuazione di una massa determinata dalla teoria postquantistica della gravità classica, Oppenheim è alla ricerca di elementi che potrebbero supportare ulteriormente la nuova teoria.
“Abbiamo dimostrato che se lo spazio-tempo non ha una natura quantistica, allora devono esserci fluttuazioni casuali che hanno una firma particolare da verificare”, ha detto Zach Weller-Davies. “Se lo spazio-tempo è classico, le fluttuazioni devono essere più grandi di una certa scala.“
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