lunedì 4 dicembre 2023
La proposta dagli scienziati dell'University College di Londra: adattare la meccanica quantistica allo spaziotempo della relatività, non il contrario
Illustrazione della fusione di due stelle di neutroni, con un'esplosione di raggi gamma

Illustrazione della fusione di due stelle di neutroni, con un'esplosione di raggi gamma - WikiCommons/CC by 4.0

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La “più bella delle teorie” quella in grado di mettere insieme, individuandone una matrice comune, le principali leggi della fisica, che attraverso la matematica cercano di descrivere il mondo che ci circonda. Un qualcosa di unificante su cui i fisici si spaccano la testa – invano – da decenni, soprattutto da quando in qualche modo hanno provato a mettere insieme la relatività generale di Albert Einstein (che spiega la gravità attraverso la curvatura dello spaziotempo) e la meccanica quantistica di Werner Karl Heisenberg (che governa le particelle più piccole dell’Universo).

Per questo, una nuova teoria che unifica appunto gravità e meccanica quantistica, è stata annunciata in due articoli pubblicati dai fisici dell'University College di Londra (Ucl). La fisica moderna ha come pilastri appunto le trattazioni di Einstein e Heisenberg ma queste due teorie sono in contraddizione tra loro, soprattutto da un punto di vista matematico, tanto che una “riconciliazione” è rimasta sfuggente per oltre un secolo. In particolare, la relatività generale è una teoria classica dei campi, che concepisce lo spazio e il tempo come continui, cioè infinitamente divisibili, e gli eventi che in essi accadono come deterministici, ovvero dipendenti gli uni dagli altri e quantificabili in modo univoco.

Da un punto di vista matematico questa trattazione è da intendersi come “classica”. Non è così per quanto invece teorizzato da Heisenberg. Per lui – e sono state trovate ampie verifiche sperimentali a riguardo – l’osservazione del mondo microscopico andava fatta in modo diverso. Lì secondo il grande scienziato tedesco lo spaziotempo non sono dei “continui” come nella relatività generale ma dei “discreti” (ecco la quantizzazione del campo), in cui esistono appunto limiti alla divisibilità delle grandezze. Non solo, alla base della meccanica quantistica c’è il principio di indeterminazione dello stesso Heisenberg, che sostiene sia impossibile conoscere con precisione assoluta i valori di “grandezze" correlate fra loro, come la quantità di moto e la posizione di una particella. Insomma, nel mondo della meccanica quantistica tutto è incerto.

Per l'unificazione, l'ipotesi era che la teoria della gravità di Einstein doveva essere modificata, o "quantizzata", per adattarsi alla teoria quantistica. Ma non ha funzionato mandando la teoria delle stringhe e la teoria della gravità quantistica su un binario morto. La nuova teoria, sviluppata dal professor Jonathan Oppenheim (UCL Physics & Astronomy), ed esposta in uno dei due articoli, apparsa su Physical Review X (PRX), adotta un approccio alternativo suggerendo che lo spaziotempo potrebbe essere classico - cioè, non affatto governato dalla teoria quantistica. Invece di modificare lo spaziotempo, la nuova teoria - denominata "teoria postquantistica della gravità classica" - modifica la teoria quantistica e prevede un crollo intrinseco della prevedibilità mediato dallo spaziotempo stesso. Un secondo articolo, pubblicato contemporaneamente su "Nature Communications" a firma di ex studenti di dottorato del professor Oppenheim, esamina invece alcune delle conseguenze della teoria e propone un esperimento per testarla: misurare una massa in modo molto preciso per vedere se il suo peso sembra fluttuare col tempo.

"La teoria quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein sono matematicamente incompatibili tra loro, quindi è importante capire come viene risolta questa contraddizione. Lo spaziotempo dovrebbe essere quantizzato, o dovremmo modificare la teoria quantistica, o ancora dovremmo trovare qualcos'altro di completamente diverso?", ha detto Oppenheim. Per Zach Weller-Davies, che come studente di dottorato presso l'UCL ha contribuito a sviluppare la proposta sperimentale e ha dato un contributo chiave alla teoria stessa, ha dichiarato: "Questa scoperta mette alla prova la nostra comprensione della natura fondamentale della gravità. Abbiamo dimostrato che se lo spaziotempo non ha una natura quantistica, allora devono esserci fluttuazioni casuali nella curvatura dello spaziotempo che hanno una firma particolare che può essere verificata sperimentalmente". I coautori, il dottor Carlo Sparaciari e la dottoressa Barbara oda, i cui calcoli analitici e numerici hanno contribuito a guidare il progetto, hanno espresso la speranza che questi esperimenti possano determinare se la ricerca di una teoria quantistica della gravità sia l'approccio giusto.

La proposta di verificare se lo spaziotempo è classico cercando fluttuazioni casuali nella massa è complementare a un'altra proposta sperimentale che mira a verificare la natura quantistica dello spaziotempo cercando qualcosa chiamato "entanglement mediato gravitazionalmente". Il professor Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy), che non è stato coinvolto nell'annuncio, ma è stato tra quelli che per primi hanno proposto l'esperimento di entanglement, ha detto: "Gli esperimenti per testare la natura dello spaziotempo richiederanno uno sforzo su larga scala, ma sono di enorme importanza dal punto di vista della comprensione delle leggi fondamentali della natura. Credo che questi esperimenti siano a portata di mano: queste cose sono difficili da prevedere, ma forse conosceremo la risposta entro i prossimi 20 anni".

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