La gravità quantistica, spesso definita come il Sacro Graal della fisica, potrebbe celarsi in una nuova ricetta per la formazione dei buchi neri. È quanto suggerisce una recente ricerca, pubblicata sulla rivista A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics. (rif.) che introduce correzioni quantistiche alla teoria della relatività generale formulata da Einstein nel 1916.
Il ruolo dei buchi neri
I buchi neri rivestono un ruolo centrale in questo contesto. Questi mostri galattici sono emersi originariamente proprio come soluzioni delle equazioni di campo di Einstein, che costituiscono il fondamento della relatività generale. Applicare correzioni quantistiche a queste equazioni offre quindi un nuovo metodo per descrivere la nascita dei buchi neri. Inoltre fornisce indizi su come unificare le due grandi teorie che governano la fisica: la relatività generale e la meccanica quantistica.
Attualmente, la relatività generale rappresenta il miglior modello disponibile per spiegare la gravità e l’universo su grande scala. Invece la fisica quantistica descrive in modo efficace il comportamento delle particelle subatomiche. Tuttavia, queste due teorie non riescono a fondersi in una sola struttura coerente, nonostante entrambe siano consolidate da oltre un secolo e abbiano superato innumerevoli verifiche sperimentali. Manca ancora una teoria della gravità quantistica che possa descrivere il comportamento della gravità su scala microscopica.
Ciò risulta particolarmente evidente con dei buchi neri, dove le due teorie entrano in conflitto. “I buchi neri sono regioni dello spazio in cui la gravità è così intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Di solito li descriviamo utilizzando la teoria della relatività generale, in cui i buchi neri compaiono come soluzioni delle equazioni di Einstein” spiega Xavier Calmet, fisico teorico dell’Università del Sussex e autore principale dello studio. Tuttavia, proprio al centro dei buchi neri, le leggi della fisica sembrano crollare. Noti come singolarità, sono le regioni in cui la densità diventa infinita. E gli infiniti, in fisica, sono considerati segnali di fallimento delle equazioni sottostanti. Come osserva Calmet: “C’è una singolarità al centro dei buchi neri, dove le leggi della fisica come le conosciamo cessano di funzionare”.
Questa singolarità indica dunque che la relatività generale è una teoria incompleta. Secondo Calmet, “Crediamo che la relatività generale funzioni solo su scale macroscopiche, ma che su distanze molto brevi. Su microscopiche, debba essere sostituita da una teoria quantistica della gravità che unifichi le equazioni di Einstein con la fisica quantistica”.
Una nuova ricetta quantistica
La ricerca della gravità quantistica e di una teoria unificata va avanti da decenni. Tra le principali candidate vi è la teoria delle stringhe, che sostituisce le particelle con stringhe vibranti di energia e promette una sintesi tra relatività generale e meccanica quantistica. Tuttavia, finora non è stato possibile verificarla sperimentalmente. La teoria presuppone inoltre l’esistenza di almeno 11 dimensioni, delle quali non è ancora stata trovata alcuna traccia.
Sorprendentemente, però, la mancanza di una teoria unificata non ha rappresentato un ostacolo per Calmet e i suoi colleghi. Come spiega lo stesso fisico: “Anche se non abbiamo ancora una teoria della gravità quantistica, sappiamo che qualunque essa sia — la teoria delle stringhe o qualcosa di completamente diverso — deve coincidere con la relatività generale su scala macroscopica”. Questa considerazione è sufficiente per effettuare calcoli nel contesto della gravità quantistica, grazie ai metodi moderni della teoria quantistica dei campi. “Utilizzando queste tecniche, possiamo calcolare correzioni alle equazioni di Einstein che devono valere per qualunque teoria della gravità quantistica” continua Calmet. Da queste correzioni emergono nuove soluzioni dei buchi neri, soluzioni che non sono presenti nella relatività generale.
“Possiamo costruire queste soluzioni analiticamente vicino all’orizzonte degli eventi, la superficie esterna che intrappola la luce del buco nero, e anche molto lontano da esso” spiega il fisico. Tuttavia, ammette che il metodo ha dei limiti. “Uno svantaggio del nostro approccio alla gravità quantistica è che non possiamo costruire le nostre soluzioni vicino alla singolarità, poiché è proprio lì che è necessaria una conoscenza completa della gravità quantistica”.
Nonostante questa limitazione, il risultato è significativo. “È comunque importante aver dimostrato che esistono nuove soluzioni di buchi neri nella gravità quantistica che non esistono nella relatività generale” afferma Calmet. E aggiunge: “Queste nuove soluzioni non sono semplici modifiche di quelle vecchie: sono buchi neri completamente nuovi che esistono in un mondo governato dalla gravità quantistica”.
Un Passo Avanti, anche se Invisibile
Anche se non è ancora possibile distinguere tra buchi neri descritti dalla relatività generale e quelli previsti dalla nuova teoria quantistica, questa ricerca rappresenta un passo importante verso la comprensione della gravità quantistica. Come conclude Calmet: “I buchi neri astrofisici che osserviamo potrebbero benissimo essere descritti dalle nostre nuove soluzioni, piuttosto che da quelle della relatività generale. Poiché le due teorie coincidono su grandi distanze, sarà difficile proporre test in grado di distinguere tra i due tipi di soluzioni”. Per il momento, dunque, i segreti della gravità quantistica restano nascosti all’interno dei buchi neri, in attesa di essere svelati.
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