La fisica quantistica e la gravità

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Adottando un modello di “inflazione stocastica”, un team di fisici teorici dell’università di Portsmouth (UK) ha messo a punto un metodo per derivare le impronte quantistiche dell’universo primordiale. Media INAF ha intervistato il primo autore dello studio, pubblicato su Physical Review Letters.

Vincent Vennin, ricercatore all’Institute of Cosmology and Gravitation dell’università di Portsmouth (UK), primo autore dello studio pubblicato su Physical Review Letters. Sullo sfondo, la mappa della CMB di Planck
Vincent Vennin, ricercatore all’Institute of Cosmology and Gravitation dell’università di Portsmouth (UK), primo autore dello studio pubblicato su Physical Review Letters. Sullo sfondo, la mappa della CMB di Planck

Arriva dal canale della Manica, dall’Institute of Cosmology and Gravitation dell’università di Portsmouth, l’ultimo passo avanti nel tentativo di risolvere il problema con la ‘P’ maiuscola della fisica contemporanea: conciliare i due pilastri della scienza moderna – la fisica quantistica e la gravità. Descritto sulle pagine di Physical Review Letters, è un nuovo sistema per formulare previsioni affidabili sull’effetto che dovrebbero avere le fluttuazioni quantistiche sulle onde di densità primordiali, le increspature nel tessuto dello spazio e del tempo dalle quali hanno avuto origine tutte le strutture presenti oggi nell’universo.

Obiettivo dei ricercatori è arrivare a una teoria quantistica della gravità. Media INAF ha intervistato il primo autore dello studio, Vincent Vennin.

Partiamo dall’inizio, dall’impasse che ha per protagoniste le teorie della gravità e quelle della fisica quantistica. Perché continuano a essere inconciliabili?

«Uno dei motivi è che le circostanze in cui entrano in gioco entrambe, in modo apprezzabile, sono rare. In realtà, conosciamo almeno due esempi in cui questo avviene».

Quali?

«Il primo è quello della radiazione di Hawking, nella quale le particelle sono emesse da un processo quantistico che si verifica sull’orizzonte di un buco nero».

E l’altro?

«Il secondo, per molti versi analogo alla radiazione di Hawking, è l’universo primordiale, quando si verificò una fase d’inflazione durante la quale l’espansione dello spazio-tempo venne accelerata a velocità spaventose».

In che senso gravità e fenomeni quantistici giocano un ruolo nell’inflazione?

«La ragione è che, nell’universo primordiale, l’espansione dello spazio è guidata dalla forza di gravità, mentre le strutture cosmologiche derivano da fluttuazioni quantistiche. Ora, dal momento che lo spazio si sta espandendo, gli oggetti che osserviamo oggi separati da distanze astrofisiche (per esempio, due galassie in cielo), in un lontano passato – quando l’universo emerse dal Big Bang – si trovavano a distanze microscopiche. E a distanze microscopiche la teoria dominante è la meccanica quantistica».

Questo cosa comporta?

«Poiché tutto ciò che vediamo oggi – la ragnatela cosmica, le galassie, i pianeti, le persone, gli atomi, tutto – è emerso da fluttuazioni quantistiche “stirate” a distanze enormi, quello dell’inflazione è un processo fondato sia sulle teorie quantistiche che su quelle della gravità. Dunque, osservandolo, possiamo vedere ciò che accade quando le due teorie si combinano».

Ma com’è possibile osservarlo?

«Qualunque misura in grado di dirci qualcosa sulla distribuzione di materia ed energia nell’universo può essere d’aiuto. Quelle più nitide sono le misure delle fluttuazioni di temperatura nella “prima luce” emessa nell’Universo, la cosiddetta radiazione cosmica di fondo, o CMB. La CMB è stata misurata di recente dal satellite Planck, ed è ciò che ci ha permesso di conoscere meglio quell’epoca primordiale in cui fisica quantistica e gravità erano entrambe in scena».

Concretamente, come avete proceduto?

«Non disponendo di una teoria generale della gravità quantistica, ci siamo concentrati sul fatto che le fluttuazioni quantistiche dell’universo primordiale hanno una proprietà molto speciale: possono essere descritte come un processo stocastico, cioè casuale. Non accade spesso che la fisica quantistica risulti equivalente a processi casuali, ma nell’universo primordiale vediamo che è così. Questo ci consente di arrivare a una descrizione efficace nella quale ogni porzione di spazio – ogni patch – è soggetto a una storia d’espansione casuale. Ora questa casualità codifica la fisica quantistica, mentre l’espansione codifica la gravità: dunque l’insieme si avvicina molto a una teoria “efficace” della gravità quantistica.

E questo a quali risultati ha portato?

«Tramite questo approccio, noto come inflazione stocastica, abbiamo mostrato come calcolare quantità osservabili quali le onde di densità primordiali dell’universo: quelle viste da Planck, dunque, ma anche quelle osservabili nella struttura a grande scala dell’universo che verrà mappata, con precisione elevatissima, da esperimenti futuri come Euclid o SKA. Abbiamo identificato un fenomeno, che abbiamo chiamato inflazione infinita, nel quale l’espansione media all’interno di ogni patch potrebbe essere infinita. Ma abbiamo dimostrato che, se la densità di energia dell’universo rimane al di sotto della scala di gravità quantistica, è possibile derivare previsioni osservabili, confrontabili con i dati astronomici. Questo approccio permette di rilevare le impronte quantistiche lasciate sulle strutture cosmologiche nell’universo primordiale, e di far luce su quello che possiamo attenderci da una teoria quantistica della gravità completa».

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