Come la gravità agisce sulle particelle quantistiche

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Che cos’è la gravità quantistica? Leggiamo in moltissimi articoli sulla necessità dei fisici di trovare una teoria della “gravità quantistica” in grado di unificare la teoria della relatività con la meccanica quantistica. Cos’è, però, questa benedetta gravità quantistica che tutti vanno cercando? Proviamo a capirlo ed immergiamoci in questa branca del sapere stretta tra relatività e teoria delle stringhe…

La gravità è stata la prima forza fondamentale riconosciuta dall’umanità, ma rimane la meno compresa. I fisici possono prevedere l’influenza della gravità sulle palle da bowling, stelle e pianeti con una precisione squisita, ma nessuno sa come questa forza interagisce con particelle minute o quanti.

La ricerca, che ormai dura da quasi un secolo, di una teoria della gravità quantistica, una teoria che descriva con precisione come la gravità opera con le particelle più piccole dell’universo, è ispirata dalla semplice aspettativa che debba esistere una regola che governi a livello di particelle fondamentali le galassie, i quark e tutto il resto.

Se non esiste una teoria [della gravità quantistica], allora l’universo è solo caos. È solo casuale“, spiega Netta Engelhardt, un fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology. “Non posso nemmeno dire che sarebbe caotico o casuale perché quelli sono in realtà processi fisici legittimi“.

gravità-quantisticaIl limite della relatività generale

Al cuore del problema più spinoso della fisica teorica si trova uno scontro tra i due più grandi trionfi del campo. La teoria della relatività generale di Albert Einstein sostituì la nozione di Isaac Newton della semplice attrazione tra oggetti, con una descrizione della materia o dell’energia che piegano lo spazio e il tempo attorno a loro, e gli oggetti vicini che seguono quei percorsi curvi, agendo come se fossero attratti l’uno dall’altro. Nelle equazioni di Einstein, la gravità è la forma dello spazio stesso. La sua teoria ha mantenuto la descrizione tradizionale di un universo uniforme e classico, in cui è sempre possibile ingrandire ulteriormente una piccola porzione di spazio.

La relatività generale continua a superare ogni prova cui gli astrofisici la sottopongono, comprese situazioni che Einstein non avrebbe mai immaginato. Ma la maggior parte degli esperti si aspetta che, prima o poi, la teoria di Einstein fallisca, perché l’universo alla fine appare irregolare, non liscio. I pianeti e le stelle sono in realtà raccolte di atomi, che a loro volta sono costituiti da elettroni e fasci di quark. Quelle particelle si uniscono o si rompono scambiando altri tipi di particelle, dando origine a forze di attrazione e repulsione.

Le forze elettriche e magnetiche, ad esempio, provengono da oggetti che scambiano particelle note come fotoni virtuali. Ad esempio, la forza che attacca un magnete al frigorifero può essere descritta come un campo magnetico classico liscio, ma i dettagli precisi del campo dipendono dalle particelle quantistiche che lo creano.

Delle quattro forze fondamentali dell’universo (gravità, elettromagnetismo e forze nucleari forti e deboli), solo la gravità manca della descrizione “quantistica”. Di conseguenza, nessuno sa con certezza (anche se ci sono molte idee) da dove provengono i campi gravitazionali o come le singole particelle agiscono al loro interno.

La strana forza

Il problema è che anche se la gravità ci tiene bloccati a terra e generalmente agisce come una forza, la relatività generale suggerisce che è qualcosa di più: la forma dello spazio stesso.

Altre teorie quantistiche trattano lo spazio come uno sfondo piatto per misurare la distanza e la velocità delle particelle. Ignorare la curvatura dello spazio per le particelle funziona perché la gravità è molto più debole delle altre forze e quindi lo spazio appare piatto quando viene proiettato su qualcosa di piccolo come un elettrone. Gli effetti della gravità e della curvatura dello spazio sono relativamente evidenti a livelli macroscopici, come pianeti e stelle. Ma quando i fisici cercano di calcolare la curvatura dello spazio attorno a un elettrone, per quanto lieve, la matematica diventa impossibile.

Alla fine degli anni ’40 i fisici svilupparono una tecnica, chiamata rinormalizzazione, per affrontare i capricci della meccanica quantistica, che consentono a un elettrone di rendere piccante un viaggio noioso in un’infinita varietà di modi. Ad esempio, può sparare a un fotone. Quel fotone può dividersi in un elettrone e nel suo gemello di antimateria, il positrone. Queste coppie possono quindi sparare a più fotoni, che possono dividersi in più gemelli e così via. Mentre un calcolo perfetto richiederebbe il conteggio dell’infinita varietà di viaggi stradali di elettroni, la rinormalizzazione consente ai fisici di riunire le possibilità indisciplinate in pochi numeri misurabili, come la carica e la massa degli elettroni. Non potevano prevedere questi valori, ma potevano collegare i risultati degli esperimenti e usarli per fare altre previsioni, come dove sta andando l’elettrone.

La rinormalizzazione smette di funzionare quando particelle di gravità teoriche, chiamate gravitoni, entrano in scena. Anche i gravitoni hanno la propria energia, che crea più deformazioni dello spazio e più gravitoni, che creano più deformazioni e più gravitoni, e così via, generando in genere un gigantesco pasticcio matematico. Anche quando i fisici provano a mettere insieme alcuni degli infiniti per misurare sperimentalmente, finiscono per affogare in un numero infinito.

Significa effettivamente che hai bisogno di un numero infinito di esperimenti per determinare qualsiasi cosa“, ha detto Engelhardt, “e questa non è una teoria realistica“.

In pratica, questo fallimento nell’affrontare la curvatura attorno alle particelle diventa fatale in situazioni in cui molta massa ed energia torcono lo spazio così strettamente che persino gli elettroni e i loro simili non possono fare a meno di esserne influenzati, come nel caso dei buchi neri. Ma qualsiasi particella molto vicina – o peggio, dentro – le fosse dello spazio-tempo certamente conosce le regole di ingaggio, anche se i fisici non le sanno.

La natura ha trovato un modo per fare in modo che i buchi neri esistano,ha scritto Robbert Dijkgraaf, direttore dell’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, in una pubblicazione. “Tocca a noi scoprire ciò che la natura sa ma non ne siamo stati ancora capaci“.

La teoria della relatività generale dice che l’universo è un tessuto liscio e la meccanica quantistica dice che è un disordine irregolare di particelle. I fisici dicono che non può essere vere entrambe le affermazioni. – (Credito immagine: Shutterstock)
La teoria della relatività generale dice che l’universo è un tessuto liscio e la meccanica quantistica dice che è un disordine irregolare di particelle. I fisici dicono che non può essere vere entrambe le affermazioni. – (Credito immagine: Shutterstock)

Portare la gravità nella piega

Usando un’approssimazione della relatività generale (Engelhardt l’ha definita un “cerotto”), i fisici hanno sviluppato una nozione di come potrebbero apparire i gravitoni, ma nessuno si aspetta di vederne uno presto. Un esperimento mentale suggerisce che occorrerebbero 100 anni di sperimentazione da parte di un collettore di particelle pesante come Giove per rilevarne uno. Quindi, nel frattempo, i teorici stanno ripensando la natura degli elementi fondamentali dell’universo.

Una teoria, nota come gravità quantistica ad anello, mira a risolvere il conflitto tra particelle e spazio-tempo spezzando lo spazio e il tempo in piccoli pezzi, la risoluzione definitiva oltre la quale non sarà possibile scendere.

La teoria delle stringhe, un altro framework popolare, adotta un approccio diverso e sostituisce le particelle con stringhe simili a fibre, che si comportano meglio matematicamente rispetto alle loro controparti puntuali. Questo semplice cambiamento ha conseguenze complesse, ma una bella caratteristica è che la gravità cade dalla matematica. Anche se Einstein e i suoi contemporanei non avessero mai sviluppato la relatività generale, ha spiegato Engelhardt, i fisici si sarebbero imbattuti in essa in seguito attraverso la teoria delle stringhe. “Lo trovo piuttosto miracoloso“, ha detto.

E i teorici delle stringhe hanno scoperto ulteriori indizi sul fatto che sono su una strada interessante negli ultimi decenni, secondo Engelhardt. In poche parole, l’idea dello spazio stesso può distrarre i fisici da una struttura più fondamentale dell’universo.

I teorici hanno scoperto alla fine degli anni ’90 che le descrizioni di un universo semplice, simile a una scatola, compresa la gravità, erano matematicamente equivalenti a un’immagine di un universo piatto con solo fisica quantistica (e nessuna gravità). La capacità di saltare avanti e indietro tra le descrizioni suggerisce che lo spazio potrebbe non essere un ingrediente fondamentale del cosmo ma piuttosto un effetto collaterale che emerge dalle interazioni delle particelle.

Per quanto possa essere difficile per noi mortali incorporati nel tessuto dello spazio immaginarla, la relazione tra spazio e particelle potrebbe essere qualcosa di simile a quella tra temperatura ambiente e molecole d’aria. I fisici una volta pensavano al calore come a un fluido che scorreva da una stanza calda a una stanza fredda, ma la scoperta delle molecole ha rivelato che ciò che percepiamo come temperatura “emerge” dalla velocità media delle molecole d’aria.

Lo spazio (ed equivalentemente, la gravità) può rappresentare allo stesso modo la nostra esperienza su larga scala di alcuni fenomeni su piccola scala. “All’interno della teoria delle stringhe, ci sono abbastanza buone indicazioni a questo punto che lo spazio sia effettivamente emergente“, ha detto Engelhardt.

Ma l’universo della teoria delle stringhe in una scatola ha una forma diversa da quella che vediamo (anche se Engelhardt ha detto che questa differenza potrebbe non essere un problema, poiché la gravità quantistica potrebbe agire allo stesso modo per tutte le possibili forme dell’universo). Anche se le lezioni dall’universo a scatola si applicano nella realtà, la struttura matematica rimane approssimativa. I fisici sono molto lontani dal tagliare i loro legami teorici allo spazio e ottenere una descrizione accurata della gravità quantistica in tutta la sua gloria sconnessa.

Mentre continuano a elaborare i sostanziali nodi matematici nelle loro rispettive teorie, alcuni fisici nutrono la speranza che le loro osservazioni astrofisiche possano un giorno spingerli nella giusta direzione.

Finora nessun esperimento si è discostato dalle previsioni della relatività generale, ma in futuro una vasta gamma di rilevatori di onde gravitazionali sensibili a molte dimensioni d’onda potrebbe catturare i sottili sussurri dei gravitoni. Tuttavia, ha concluso Engelhardt, “il mio istinto sarebbe quello di guardare il cosmo piuttosto che guardare i collettori di particelle“.

Fonte: Space.com 

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