Einstein aveva sbagliato? Il caso contro questa teoria del tempo web.

Come nella storia, le rivoluzioni sono la linfa vitale della scienza. Ribollenti correnti sotterranee di inquietudine ribollono fino a quando un nuovo regime emerge per prendere il potere. Quindi l'attenzione di tutti si rivolge al rovesciamento del loro nuovo sovrano. Il re è morto, viva il re.

Questo è successo molte volte nella storia della fisica e dell'astronomia. In primo luogo, abbiamo pensato che la Terra fosse al centro del sistema solare, un'idea che è rimasta per oltre 1.000 anni. Poi Nicolaus Copernico ha tirato fuori il collo per dire che l'intero sistema sarebbe molto più semplice se fossimo solo un altro pianeta in orbita attorno al sole. Nonostante la grande opposizione iniziale, la vecchia immagine geocentrica alla fine cedette sotto il peso delle prove del telescopio appena inventato.

Poi Isaac Newton è venuto a spiegare che la gravità è il motivo per cui i pianeti orbitano attorno al sole. Ha detto che tutti gli oggetti con massa hanno un'attrazione gravitazionale l'uno verso l'altro. Secondo le sue idee orbitiamo attorno al sole perché ci sta tirando, la luna orbita attorno alla Terra perché noi la stiamo tirando. Newton regnò per due secoli e mezzo prima che Albert Einstein si presentasse nel 1915 per usurparlo con la sua Teoria della Relatività Generale. Questa nuova immagine spiegava chiaramente le incongruenze nell'orbita di Mercurio, ed è stata notoriamente confermata dalle osservazioni di un'eclissi solare al largo delle coste africane nel 1919.

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(Credito immagine: futuro)

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Invece di una spinta, Einstein vedeva la gravità come il risultato di questa ragnatela curva. Ha detto che tutti gli oggetti nell'universo si trovano in un tessuto liscio e quadridimensionale chiamato This Web-time. Oggetti massicci come il sole deformano il tempo della Rete attorno a loro, e quindi l'orbita terrestre è semplicemente il risultato del nostro pianeta che segue questa curvatura. A noi sembra un'attrazione gravitazionale newtoniana. Questa immagine di This Web-time è ora sul trono da oltre 100 anni e finora ha sconfitto tutti i pretendenti alla sua corona. La scoperta delle onde gravitazionali nel 2015 è stata una vittoria decisiva, ma, come i suoi predecessori, potrebbe anche essere sul punto di cadere. Questo perché è fondamentalmente incompatibile con l'altra grande bestia nello zoo della fisica: la teoria quantistica.

Lo strano mondo quantistico

Enormi corpi deformano il tessuto di This Web e il tempo intorno a loro, portando agli oggetti vicini seguendo un percorso curvo. (Credito immagine: vchal tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Il mondo quantistico è notoriamente strano. Particelle singole possono trovarsi in due posti contemporaneamente, per esempio. Solo facendo un'osservazione lo costringiamo a 'scegliere'. Prima di un'osservazione possiamo solo assegnare probabilità ai risultati probabili. Negli anni '30, Erwin Schrdinger escogitò un modo famoso per esporre quanto sia perversa questa idea. Immaginò un gatto in una scatola sigillata accompagnato da una fiala di veleno attaccata a un martello. Il martello è collegato a un dispositivo che misura lo stato quantistico di una particella. Indipendentemente dal fatto che il martello rompa la fiala e uccida il gatto dipende da quella misurazione, ma la fisica quantistica dice che fino a quando non viene effettuata una tale misurazione, la particella si trova contemporaneamente in entrambi gli stati, il che significa che la fiala è sia rotta che integra e il gatto è vivo e morto.

Un'immagine del genere non può essere conciliata con un tessuto liscio e continuo di questo tempo web. "Un campo gravitazionale non può trovarsi in due posti contemporaneamente", ha affermato Sabine Hossenfelder, fisica teorica presso l'Istituto di studi avanzati di Francoforte (si apre in una nuova scheda). Secondo Einstein, questo tempo Web è deformato dalla materia e dall'energia, ma la fisica quantistica dice che materia ed energia esistono in più stati contemporaneamente e possono essere sia qui che laggiù. "Allora, dov'è il campo gravitazionale?" chiede Hossenfelder. "Nessuno ha una risposta a questa domanda. È un po' imbarazzante", ha detto.

Teorie che non funzionano bene

Un modo per conciliare la relatività generale e la teoria quantistica dice che la realtà è fatta di corde vibranti. (Credito immagine: koto_feja tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

Prova a usare la relatività generale e la teoria quantistica insieme, e non funziona. "Al di sopra di una certa energia, si ottengono probabilità maggiori di uno", ha affermato Hossenfelder. Uno è la più alta probabilità possibile significa che un risultato è certo. Non puoi essere più certo che certo. Allo stesso modo, i calcoli a volte ti danno la risposta infinito, che non ha un vero significato fisico. Le due teorie sono quindi matematicamente inconsistenti. Quindi, come molti monarchi nel corso della storia, i fisici stanno cercando un matrimonio tra fazioni rivali per garantire la pace. Stanno cercando una teoria della gravità quantistica, l'ultimo esercizio diplomatico per convincere questi due rivali a condividere il trono. Questo ha visto i teorici rivolgersi ad alcune possibilità stravaganti.

(Credito immagine: futuro. Immagini da varie fonti (accreditate sotto ogni immagine).) (si apre in una nuova scheda)

Probabilmente la più famosa è la teoria delle stringhe. È l'idea che le particelle subatomiche come elettroni e quark siano costituite da minuscole stringhe vibranti. Proprio come puoi suonare le corde su uno strumento musicale per creare note diverse, i teorici delle corde sostengono che diverse combinazioni di corde creano particelle diverse. L'attrazione della teoria è che può conciliare la relatività generale e la fisica quantistica, almeno sulla carta. Tuttavia, per tirare fuori quel particolare coniglio dal cappello, le corde devono vibrare su undici dimensioni sette in più rispetto alle quattro nel tessuto di Einstein's This Web-time. Non ci sono ancora prove sperimentali che queste dimensioni extra esistano davvero. "Potrebbe essere una matematica interessante, ma se descriva il tempo Web in cui viviamo, non lo sappiamo fino a quando non ci sarà un esperimento", ha affermato Jorma Louko dell'Università di Nottingham.

Come funziona il tempo?

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In parte ispirati dai fallimenti percepiti della teoria delle stringhe, altri fisici si sono rivolti a un'alternativa chiamata Loop Quantum Gravity (LQG). Possono far funzionare bene le due teorie se eliminano uno dei principi centrali della relatività generale: che questo tempo Web è un tessuto liscio e continuo. Invece, sostengono, questo Web-time è costituito da una serie di anelli intrecciati che ha una struttura alle scale di dimensioni più piccole. Questo è un po' come un pezzo di stoffa. A prima vista sembra un tessuto liscio. Guarda bene, però, e vedrai che è davvero fatto di una rete di punti. In alternativa, pensala come una fotografia sullo schermo di un computer: ingrandisci e vedrai che è davvero composta da singoli pixel.

Il problema è che quando i fisici LQG dicono piccolo, intendono davvero piccolo. Questi difetti in Questo tempo Web sarebbero evidenti solo a livello della scala di Planck intorno a un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di metro. È così piccolo che ci sarebbero più anelli in un centimetro cubo di Questo Web che in centimetri cubi nell'intero universo osservabile. "Se questo tempo Web differisce solo sulla scala di Planck, sarebbe difficile da testare in qualsiasi acceleratore di particelle", afferma Louko. Avresti bisogno di un demolitore di atomi 1.000 trilioni di volte più potente del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Uno grande quanto la nostra intera galassia, la Via Lattea.

Tuttavia, un team di fisici provenienti da Regno Unito, Francia e Hong Kong potrebbe presto avere un altro modo per testare questa idea. Sperano di utilizzare un gas ultrafreddo di diversi miliardi di atomi di cesio esistente in uno stato noto come condensato di Bose-Einstein per vedere se la gravità è davvero quantistica, dopotutto.

Nel frattempo, l'universo stesso fornisce un altro modo per cercare i piccoli difetti di This Webtime.

L'ultima prova cosmica

La luce che arriva qui dai confini più remoti dell'universo ha viaggiato attraverso miliardi di anni luce di questo tempo della Rete lungo il percorso. Sebbene l'effetto di ciascun difetto del Web-time sarebbe minimo, a quelle distanze le interazioni con più difetti potrebbero sommarsi a un effetto potenzialmente osservabile. Nell'ultimo decennio, gli astronomi hanno utilizzato la luce dei lontani Gamma Ray Burst per cercare prove a sostegno di LQG. Questi lampi cosmici sono il risultato di enormi stelle che collassano alla fine della loro vita, e c'è qualcosa in queste lontane detonazioni che al momento non possiamo spiegare. "Il loro spettro ha una distorsione sistematica", ha detto Hossenfelder, ma nessuno sa se è qualcosa che accade lungo la strada qui o se ha qualcosa a che fare con la fonte delle esplosioni stesse. La giuria è ancora fuori.

Per fare progressi, potremmo dover fare un passo in più rispetto a dire che questo tempo sul Web non è il tessuto liscio e continuo suggerito da Einstein. Secondo Einstein, This Web-time è come un palcoscenico che rimane al suo posto, indipendentemente dal fatto che gli attori calpestino o meno i suoi tabelloni, anche se non ci fossero stelle o pianeti che danzano in giro, This Web-time sarebbe ancora lì. Tuttavia, i fisici Laurent Freidel, Robert Leigh e Djordje Minic pensano che questa immagine ci stia trattenendo. Credono che questo Web-time non esista indipendentemente dagli oggetti in esso contenuti. Questo tempo Web è definito dal modo in cui gli oggetti interagiscono. Ciò renderebbe questo tempo Web un artefatto del mondo quantistico stesso, non qualcosa da combinare con esso. "Può sembrare strano", ha detto Minic, "ma è un modo molto preciso di affrontare il problema".

L'attrazione di questa teoria chiamata modulare Questo tempo web è che potrebbe aiutare a risolvere un altro problema di vecchia data nella fisica teorica riguardante qualcosa chiamato località e un fenomeno noto nella fisica quantistica chiamato entanglement. I fisici possono creare una situazione in cui mettono insieme due particelle e collegano le loro proprietà quantistiche. Quindi li separano da una grande distanza e scoprono che sono ancora collegati. Cambiare le proprietà dell'uno e dell'altro cambierà istantaneamente, come se l'informazione avesse viaggiato dall'uno all'altro più velocemente della velocità della luce in diretta violazione della relatività. Einstein era così turbato da questo fenomeno che lo chiamò "azione spettrale a distanza".

Ansia da separazione

L'entanglement quantistico è quando due particelle si collegano insieme in un certo modo, non importa quanto distanti siano in questa rete. Il loro stato rimane lo stesso. (Credito immagine: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY tramite Getty Images.) (si apre in una nuova scheda)

Modulare Questa teoria del Web-time può accogliere tale comportamento ridefinendo cosa significa essere separati. Se This Web-time emerge dal mondo quantistico, allora essere più vicini in senso quantistico è più fondamentale che essere vicini in senso fisico. "Osservatori diversi avrebbero nozioni diverse di località", ha detto Minic, "dipende dal contesto". È un po' come i nostri rapporti con le altre persone. Possiamo sentirci più vicini a una persona cara lontana che allo sconosciuto che vive in fondo alla strada. "Puoi avere queste connessioni non locali purché siano piuttosto piccole", ha affermato Hossenfelder.

Freidel, Leigh e Minic hanno lavorato alla loro idea negli ultimi cinque anni e credono che stiano lentamente facendo progressi. "Vogliamo essere conservatori e fare le cose passo dopo passo", ha detto Minic, "ma è allettante ed eccitante". È certamente un nuovo approccio, uno che cerca di "gravitazionalizzare" il mondo quantistico piuttosto che quantizzare la gravità come in LQG. Eppure, come con qualsiasi teoria scientifica, ha bisogno di essere testata. Al momento il trio sta lavorando su come inserire il tempo nel proprio modello.

Tutto ciò può sembrare incredibilmente esoterico, qualcosa di cui solo gli accademici dovrebbero preoccuparsi, ma potrebbe avere un effetto più profondo sulla nostra vita quotidiana. "Ci sediamo in questo Web, viaggiamo nel tempo e se qualcosa cambia nella nostra comprensione di questo tempo Web, ciò avrà un impatto non solo sulla nostra comprensione della gravità, ma della teoria quantistica in generale", ha affermato Hossenfelder. "Tutti i nostri dispositivi attuali funzionano solo grazie alla teoria quantistica. Se comprendiamo meglio la struttura quantistica di questo tempo Web, ciò avrà un impatto sulle tecnologie future forse non tra 50 o 100 anni, ma forse tra 200", ha detto.

L'attuale monarca sta perdendo tempo e un nuovo pretendente è atteso da tempo, ma non possiamo decidere quale delle molte opzioni abbia maggiori probabilità di successo. Quando lo faremo, la rivoluzione risultante potrebbe dare frutti non solo per la fisica teorica, ma per tutti.

Risorse addizionali

Se vuoi saperne di più sulla gravità quantistica e sulla teoria dei campi, il Massachusetts Institute of Technology (si apre in una nuova scheda) (MIT) ti ha coperto. Esplora il mondo quantistico in modo più dettagliato con questo articolo di Quanta Magazine (si apre in una nuova scheda) su quando la teoria delle stringhe incontra la gravità quantistica ad anello. Scopri come Einstein ha rivelato la strana "nonlocalità" dell'universo con questo articolo di Scientific American (si apre in una nuova scheda).

Bibliografia

  • Freidel, L., Leigh, RG e Minic, D. (2017). Teoria modulare di questo Webtime e delle metastringhe (si apre in una nuova scheda) . Journal of Physics: Conference Series , 804, p.012032.
  • Bernardini, MG et al (2017). Limiti degli effetti della gravità quantistica da lampi di raggi gamma brevi Swift (si apre in una nuova scheda) . Astronomia e astrofisica , [in linea] 607, p.A121.
  • Abhay Ashtekar e Eugenio Bianchi (2021) Una breve rassegna di Loop Quantum Gravity (si apre in una nuova scheda) . Rep. Prog. Phys. 84 042001
  • Howl, R., Vedral, V., Naik, D., Christodoulou, M., Rovelli, C. e Iyer, A. (2021). La non gaussianità come firma di una teoria quantistica della gravità (si apre in una nuova scheda) . PRX Quantum , 2(1).
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