L’illusione quantistica dello spazio-tempo che crea la realtà

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Spazio: l’illusione finale. Una comprensione più profonda della fisica quantistica non solo è possibile, ma è anche inevitabile nel progresso della fisica stessa. Il completamento della meccanica quantistica sarà una parte importante della risoluzione di un altro problema profondo: quello di unificare le nostre comprensioni della gravità, spaziotempo e quantistica.

Il progredire della scienza ci ha mostrato un aspetto della natura che pensavamo fondamentale ma che in realtà è un’illusione, la conseguenza delle percezioni superficiali dei nostri sensi. L’aria e l’acqua ci sembrano fluidi continui, ma con accurati esperimenti abbiamo scoperto che sono composti da atomi e molecole.

Una delle illusioni difficili da abbattere è che gli oggetti interagiscano solo con altri oggetti vicini. Questo è detto principio di località. Esprimiamo questa idea più precisamente con la forza in gioco tra due oggetti che diminuisce di una certa potenza all’aumentare della loro distanza.

Questo può essere spiegato ipotizzando che i corpi non interagiscano direttamente ma attraverso la mediazione di un campo, come un campo elettromagnetico, che si propaga da un corpo all’altro. I campi si espandono mentre si propagano, con le linee di campo che coprono un’area sempre più grande, fornendo una spiegazione naturale per le leggi che dicono che le forze tra le cariche e le masse diminuiscono con il quadrato della distanza tra loro.

La località è un aspetto di un’illusione ancora più avvincente: che esistiamo all’interno di uno spazio assoluto, rispetto al quale segniamo le nostre posizioni mentre ci muoviamo “attraverso” di esso. Pertanto, Isaac Newton affermò che il movimento è definito come cambiamento di posizione rispetto allo spazio assoluto.

Spazio: l'illusione finaleGottfried Wilhelm Leibniz andò oltre dichiarando che tutto ciò che esiste sono le posizioni e i movimenti relativi. Propose il principio che qualsiasi scienza del moto  debba essere formulata in termini di soli moti relativi. E questo è ciò che ci affermò Albert Einstein nella sua teoria della relatività generale due secoli dopo.

Queste relazioni sono definite dalla causalità. Gli elementi dello spaziotempo sono eventi, la massima espressione di località, e ciascuno di questi è causato da eventi avvenuti nel loro passato. La maggior parte delle informazioni nella geometria dello spaziotempo è una codifica delle relazioni di causalità che mettono in relazione gli eventi.

Quindi, vediamo che l’idea che le forze fisiche debbano agire localmente è una conseguenza di un principio più profondo, cioè che gli effetti fisici hanno processi causali. E i principi di base della teoria della relatività insistono sul fatto che le cause possono propagarsi solo attraverso lo spazio a una velocità finita, che non può superare la velocità della luce. Lo chiamiamo principio di causalità relativistica.

Di tutti gli aspetti della fisica quantistica finora scoperti, il più strano è la scoperta che il principio di causalità relativistica è violato dai fenomeni quantistici. In parole povere, se due particelle interagiscono e poi si separano  l’una dall’altra, possono comunque continuare a condividere proprietà che possono essere attribuite alla coppia, senza che ciascuna di esse abbia proprietà definite. Diciamo in quel caso che le due particelle sono “entangled”.

Quando due particelle sono nello stato di entanglement, è possibile influenzare le proprietà di una delle particelle, direttamente e immediatamente, scegliendo di misurare una particolare proprietà corrispondente dell’altra. Non importa che il processo richieda un segnale molto più veloce della luce per influenzare direttamente tale proprietà.

Questo è stato dimostrato in esperimenti condotti a partire dagli anni ’70, che testano una nozione di località formulata da John Bell nel 1964, e tutti i risultati stabiliscono che le coppie entangled violano il concetto di località.

Oggi la meccanica quantistica predice solo le medie statistiche per i risultati di molti tipi di esperimenti, compresi questi. Di conseguenza, non è possibile utilizzare la non località presente nelle coppie entangled per inviare un segnale più veloce della luce. Ma molti fisici aspirano a scoprire una versione migliorata della teoria quantistica.

Una nuova teoria sostituirebbe l’attuale teoria statistica e fornirebbe una descrizione completa di ciò che accade in ogni singolo processo quantistico. Affinché una teoria del genere funzioni, dovrebbe essere basata su influenze che viaggiano arbitrariamente più velocemente della luce, infrangendo così il principio di causalità relativistica, così come le nostre nozioni intuitive di influenza locale.

Una comprensione più profonda della fisica quantistica non solo è possibile, ma è anche inevitabile nel progresso della fisica stessa. Il completamento della meccanica quantistica sarà una parte importante della risoluzione di un altro problema profondo: quello di unificare le nostre comprensioni della gravità, spaziotempo e quantistica, per arrivare a una teoria quantistica della gravità.

La ragione è che ci sono buone prove che la teoria quantistica della gravità genererà grandi violazioni di località. E come Fotini Markopoulou, anche lui allora al Perimeter Institute, e Lee Smolin hanno proposto per la prima volta nel 2003, le violazioni di località che vengono imposte dalla gravità quantistica sono ciò che è necessario per spiegare la non località causata dall’entanglement quantistico.

Per avere una fisica completa, si deve unificare l’immagine geometrica dello spaziotempo data dalla relatività generale con la fisica quantistica. Ci sono alcune prove teoriche che realizzare una teoria quantistica della gravità richiederà che lo spazio e lo spaziotempo diventino discreti, quantizzati e non più continui.

Come un liquido è solo una descrizione dei moti collettivi di miriadi di molecole, lo spaziotempo si rivelerà essenzialmente un modo per spiegare le proprietà collettive del gran numero di eventi atomici. Il loro continuo divenire, causerà eventi successivi che costituiranno la costruzione continua del mondo, nota anche come flusso del tempo.

Lo scopo di una teoria quantistica della gravità è quello di ipotizzare le leggi che governano gli eventi elementari, per mezzo delle quali essi vengono continuamente in essere e poi si ritirano nel passato. Si deve quindi mostrare come emerge un quadro su larga scala, in cui questi eventi discreti vengono ricondotti in una descrizione più generale di uno spaziotempo regolare e continuo, come descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein del 1915.

Inizialmente non c’è spazio, solo una rete di singoli eventi elementari, insieme alle relazioni che esprimono quali di questi erano le cause dirette di quali altri eventi. Deve emergere la nozione del flusso di eventi che collettivamente danno luogo a una descrizione fluida in termini di geometria di uno spaziotempo, e l’aspetto più importante di questo è la località. La nozione di distanza deve emergere e in modo tale che gli eventi vicini tra loro abbiano, in media, maggiori probabilità di influenzarsi a vicenda. Ottenere questo è il Santo Graal dei teorici della gravità quantistica.

Se ciò è corretto, ci sono due nozioni di località: una località fondamentale, che si basa sui fatti effettivi di cui gli eventi fondamentali sono stati le cause di cui, e una nozione approssimativa, collettiva, emergente di quali eventi sono vicini l’uno all’altro nello spazio e nello spaziotempo. La familiare nozione macroscopica di distanza si basa quindi su una media collettiva di tutta la miriade di processi causali fondamentali. Per avere un’idea di quanto è coinvolto in questa media, ci aspettiamo che durante ogni secondo ci siano circa 10 120 eventi

In effetti, un modo per avvicinarsi alla gravità quantistica è mirare a derivare le equazioni di Einstein, che sono le leggi che la relatività generale applica allo spaziotempo, dalle leggi della termodinamica, applicate a miriadi di eventi elementari. Questa strategia è stata introdotta nel 1995 da Ted Jacobson dell’Università del Maryland, College Park, in uno dei pochi articoli ammirati dai teorici della gravità quantistica di tutti i tipi.

Ma qui abbiamo una sorpresa e, molto probabilmente, un’opportunità. Per la nozione collettiva su larga scala di vicinanza si intende solo corrispondere alla nozione fondamentale di causalità se mediata su un vasto numero di eventi. Ciò conferisce agli eventi fondamentali individuali e alle loro relazioni causali una grande libertà di discostarsi dalle medie.

Ad esempio, scegliamo solo due eventi elementari, uno nella tazza di caffè che stai bevendo e l’altro in una tazza di qualunque cosa bevono su uno dei pianeti di Proxima Centauri. Questi eventi possono essere separati da quattro anni luce, ma nulla impedisce che l’uno sia una causa elementare dell’altro.

Possiamo scegliere questi due eventi in modo che siano quasi simultanei mentre noi (o i Proximas) misuriamo il tempo. Pertanto, il fatto che uno di questi eventi sia la causa dell’altro viola i principi delle teorie della relatività di Einstein. Ma non deve esserci contraddizione se consideriamo le leggi della relatività come regolarità emergenti per governare la media collettiva su larga scala. Questo è proprio il modo in cui consideriamo le leggi della termodinamica come derivanti da medie su grandi raccolte di atomi, i cui individui seguono leggi diverse.

Quando una legge emerge da una media statistica, ci sono sempre eventi relativamente rari, in cui i singoli atomi violano la regola che vale in media. Chiamiamo queste “fluttuazioni“. Un buon esempio è la tendenza delle raccolte di atomi, una volta raffreddate, a formare schemi cristallini regolari. Ma di tanto in tanto un atomo finisce nel posto sbagliato, interrompendo la bellissima simmetria della disposizione dei cristalli. Diciamo che lo schema è disordinato.

Possiamo quindi riassumere dicendo che quando la località e lo spazio stesso emergono dalla media su processi fondamentali che coinvolgono una miriade di eventi individuali, è inevitabile che la località sarà disordinata. Per lo più, le influenze saranno locali perché la maggior parte delle volte gli eventi causalmente correlati finiranno l’uno vicino all’altro nella descrizione approssimativa emergente che chiamiamo spazio. Ma ci saranno molte coppie di eventi che sono causalmente correlati, che finiranno lontani gli uni dagli altri, quindi “disordinando” lo spazio e la località.

Potrebbe questo disordine di località servire a spiegare la non località quantistica inerente alle particelle entangled? la risposta potrebbe essere sì.

La lezione da trarre è che l’idea intuitiva che gli oggetti si influenzino a vicenda perché sono vicini nello spazio presto diventerà un’altra di quelle convinzioni facili che si rivelano sbagliate quando osserviamo più in profondità. La levigatezza dello spazio diventerà presto un’illusione che nasconde un mondo minuscolo e complesso di interazioni causali, che non vivono nello spazio, ma che piuttosto definiscono e creano lo spazio mentre creano il futuro dal presente.

Fonte: https://blogs.scientificamerican.com/observations/space-the-final-illusion/

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