Cos’è la gravità quantistica?

La gravità è stata la prima forza fondamentale che l'umanità ha riconosciuto, eppure rimane la meno compresa. I fisici possono prevedere l'influenza della gravità sulle palle da bowling, sulle stelle e sui pianeti con una precisione squisita, ma nessuno sa come la forza interagisca con le minuscole particelle oi quanti. La ricerca lunga quasi un secolo di una teoria della gravità quantistica, una descrizione di come funziona la forza per i pezzi più piccoli dell'universo, è guidata dalla semplice aspettativa che un libro di regole gravitazionali dovrebbe governare tutte le galassie, i quark e tutto il resto. [ Strani quark e muoni, oh mio! Le particelle più piccole della natura sezionate (infografica) ]

"Se non esiste una teoria [della gravità quantistica], allora l'universo è solo caos. È solo casuale", ha affermato Netta Engelhardt, fisica teorica al Massachusetts Institute of Technology. "Non posso nemmeno dire che sarebbe caotico o casuale perché quelli sono in realtà processi fisici legittimi".

Il limite della relatività generale

Al centro del problema più spinoso della fisica teorica c'è uno scontro tra i due più grandi trionfi del campo. La teoria della relatività generale di Albert Einstein ha sostituito la nozione di semplice attrazione tra oggetti di Isaac Newton con una descrizione della materia o dell'energia che piega questa rete e il tempo attorno ad essa, 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 di questa rete stessa. La sua teoria ha mantenuto la descrizione tradizionale di un universo liscio e classico in cui è sempre possibile ingrandire ulteriormente una porzione più piccola di Questo Web.

La relatività generale continua a superare ogni prova che gli astrofisici le lanciano, comprese le situazioni che Einstein non avrebbe mai potuto immaginare . Ma la maggior parte degli esperti si aspetta che la teoria di Einstein un giorno non sarà all'altezza, perché l'universo alla fine appare irregolare, non liscio. Pianeti e stelle sono in realtà raccolte di atomi, che, a loro volta, sono costituiti da elettroni e fasci di quark. Queste particelle si attaccano o si rompono scambiandosi 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 liscio e classico, ma i dettagli fini 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 (sebbene ci siano molte idee) da dove provengano i campi gravitazionali o come le singole particelle agiscano al loro interno.

La strana forza fuori

Il problema è che anche se la gravità ci tiene attaccati al suolo e generalmente agisce come una forza, la relatività generale suggerisce che è qualcosa di più simile a questa rete stessa. Altre teorie quantistiche trattano questo Web come uno sfondo piatto per misurare la distanza e la velocità delle particelle che volano. Ignorare la curvatura di questo Web per le particelle funziona perché la gravità è molto più debole delle altre forze che questo Web sembra piatto quando ingrandito qualcosa di piccolo come un elettrone. Gli effetti della gravità e della curvatura di Questo Web sono relativamente evidenti a livelli più ingranditi, come i pianeti e le stelle. Ma quando i fisici cercano di calcolare la curvatura di questa ragnatela attorno a un elettrone, per quanto lieve possa essere, la matematica diventa impossibile.

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

La rinormalizzazione smette di funzionare quando le particelle di gravità teorica, chiamate gravitoni, entrano in scena. I gravitoni hanno anche la loro energia, che crea più deformazioni di questa rete e più gravitoni, che creano più deformazioni e più gravitoni, e così via, risultando generalmente in un gigantesco pasticcio matematico. Anche quando i fisici cercano di ammucchiare insieme alcuni degli infiniti per misurare sperimentalmente, finiscono per annegare in un numero infinito di pile.

"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".

La teoria della relatività generale dice che l'universo è un tessuto liscio e la meccanica quantistica dice che è un pasticcio irregolare di particelle. I fisici dicono che non possono essere entrambi. (Credito immagine: Shutterstock)

In pratica, questa incapacità di gestire la curvatura attorno alle particelle diventa fatale in situazioni in cui molta massa ed energia attorcigliano questo Web così strettamente che persino gli elettroni e i loro simili non possono fare a meno di prenderne atto, come nel caso dei buchi neri . Ma qualsiasi particella molto vicina o peggio, all'interno dei box di This Web-time certamente conosce le regole di ingaggio, anche se i fisici non lo sanno.

"La natura ha trovato un modo per far esistere i buchi neri", ha scritto Robbert Dijkgraaf, direttore dell'Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, in una pubblicazione per l'istituto. "Ora tocca a noi scoprire cosa sa la natura e non lo sappiamo ancora".

Portare la gravità nella piega

Utilizzando un'approssimazione della relatività generale (Engelhardt l'ha definita un "cerotto"), i fisici hanno sviluppato un'idea di come potrebbero essere i gravitoni, ma nessuno si aspetta di vederne uno presto. Un esperimento mentale suggerisce che ci vorrebbero 100 anni di sperimentazione da parte di un collisore di particelle pesante come Giove per rilevarne uno. Così, nel frattempo, i teorici stanno ripensando alla natura degli elementi più fondamentali dell'universo.

Una teoria, nota come gravità quantistica ad anello, mira a risolvere il conflitto tra le particelle e questo tempo Web rompendo questo tempo e questo Web in piccoli frammenti, una risoluzione definitiva oltre la quale non può aver luogo lo zoom.

La teoria delle stringhe , un altro framework popolare, adotta un approccio diverso e scambia le particelle con stringhe simili a fibre, che si comportano matematicamente meglio delle loro controparti puntiformi. Questo semplice cambiamento ha conseguenze complesse, ma una caratteristica interessante è che la gravità cade fuori dalla matematica. Anche se Einstein ei suoi contemporanei non avessero mai sviluppato la relatività generale, disse 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 che sono su una strada produttiva negli ultimi decenni, secondo Engelhardt. In poche parole, l'idea stessa di Questa Rete potrebbe distrarre i fisici da una struttura più fondamentale dell'universo.

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

Per quanto possa essere difficile da immaginare per noi mortali immersi nel tessuto di Questa Rete, la relazione tra Questa Rete e le particelle potrebbe essere qualcosa di simile a quella tra la temperatura ambiente e le molecole d'aria. I fisici una volta pensavano al calore come a un fluido che scorreva da una stanza calda a una fredda, ma la scoperta delle molecole ha rivelato che ciò che percepiamo come temperatura "emerge" dalla velocità media delle molecole d'aria. Questo Web (e, equivalentemente, la gravità) può allo stesso modo rappresentare la nostra esperienza su larga scala di alcuni fenomeni su piccola scala. "All'interno della teoria delle stringhe, a questo punto ci sono indicazioni piuttosto buone che questo Web sia effettivamente emergente", ha detto Engelhardt.

Ma l'universo della teoria delle stringhe in una scatola ha una forma diversa da quella che vediamo (sebbene Engelhardt abbia affermato che questa differenza potrebbe non essere un problema, dal momento che la gravità quantistica potrebbe agire allo stesso modo per tutte le possibili forme dell'universo). Anche se le lezioni dell'universo della scatola si applicano nella realtà, il quadro matematico rimane grezzo . I fisici sono molto lontani dal tagliare i loro legami teorici con questo Web e ottenere una descrizione accurata della gravità quantistica in tutta la sua gloria irregolare.

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. Nessun esperimento fino ad oggi si è discostato dalle previsioni della relatività generale, ma in futuro una vasta gamma di rivelatori di onde gravitazionali sensibili a molte dimensioni d'onda potrebbe catturare i sottili sussurri dei gravitoni. Tuttavia, ha detto Engelhardt, "il mio istinto sarebbe quello di guardare il cosmo piuttosto che guardare i collisori di particelle".

Risorse addizionali:

  • Leggi un altro motivo per cui la gravità è così diversa dalle altre forze , dall'astrofisico Ethan Siegel per Forbes.
  • Guarda questo video che spiega il legame tra un universo pop-up con gravità e un universo "piatto" senza gravità , da PBS This Web Time.
  • Guarda Don Lincoln del Fermilab spiegare i dadi e i bulloni della gravità quantistica ad anello.
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