(leggi la Parte 1 e la Parte 2)
Vuoto quantico e dipoli gravitazionali virtuali
Esiste un modo sottile per un forte impatto gravitazionale dell’antimateria in un universo dominato dalla materia.
Invece dell’antimateria nascosta nei vuoti cosmici (che è la pietra miliare di Dirac-Milne Cosmology e Lattice Universe), l’impatto dell’antimateria può provenire dal vuoto quantistico che contiene lo stesso numero di particelle e antiparticelle virtuali.
Storicamente, questo è il primo paradigma proposto, ma lo presentiamo come l’ultimo per ragioni pedagogiche.
È noto che il vuoto quantico e la materia immersi in esso interagiscono attraverso interazioni elettromagnetiche, forti e deboli. La domanda aperta è se: ci sono anche interazioni gravitazionali tra il vuoto quantistico e la materia immersa?
Il cuore del paradigma è la seguente ipotesi : (1) Per loro natura, le fluttuazioni del vuoto quantistico sono dipoli gravitazionali virtuali. A proposito, la motivazione per questa ipotesi deriva dalla domanda su qual è la soluzione più semplice possibile al problema della costante cosmologica.
Sappiamo che la carica elettrica del vuoto quantistico è zero poiché particelle virtuali e antiparticelle (che hanno la carica elettrica opposta e fanno un dipolo elettrico) appaiono sempre in coppia. Di conseguenza, è ovvio che la carica gravitazionale del vuoto quantistico sarebbe zero (cioè il vuoto quantistico sarebbe privo del problema della costante cosmologica) se particelle e antiparticelle hanno carica gravitazionale di segno opposto. Naturalmente, non sappiamo se questa soluzione logicamente più semplice e la vera soluzione fisica al problema della costante cosmologica siano le stesse.
Secondo l’ipotesi di cui sopra, una fluttuazione quantistica del vuoto è un sistema di due cariche gravitazionali (vedi una figura 1 molto schematica) del segno opposto; di conseguenza, la carica gravitazionale totale di una fluttuazione del vuoto è zero, ma ha un momento di dipolo gravitazionale diverso da zero.
L’entità della carica gravitazionale, mentre, il vettore 𝒅 è diretto dall’antiparticella alla particella, ha un’intensità uguale alla distanza tra di loro. La disuguaglianza deriva dal fatto che la dimensione di una fluttuazione quantistica è inferiore alla lunghezza d’onda Compton ridotta.
Se esistono dipoli gravitazionali, la densità di polarizzazione gravitazionale 𝑷𝑔, cioè il momento di dipolo gravitazionale per unità di volume, può essere attribuita al vuoto quantistico. È ovvio che l’entità della densità di polarizzazione gravitazionale 𝑷𝑔 soddisfa la disuguaglianza 0 ≤ | 𝑷𝒈 | ≤ 𝑃𝑔𝑚𝑎𝑥 dove 0 corrisponde agli orientamenti casuali dei dipoli, mentre la magnitudine massima 𝑃𝑔𝑚𝑎𝑥 corrisponde al caso di saturazione (quando tutti i dipoli sono allineati con il campo esterno).
Il valore 𝑃𝑔𝑚𝑎𝑥 deve essere una costante universale correlata alle proprietà gravitazionali del vuoto quantistico.
Se il campo gravitazionale esterno è zero, il vuoto quantistico può essere considerato come un fluido di dipoli gravitazionali orientati casualmente (Figura 2a). In questo caso tutto è uguale a zero: la carica gravitazionale totale, la densità di carica gravitazionale e la densità di polarizzazione gravitazionale 𝑷𝑔.
Naturalmente, un tale vuoto non è una sorgente di gravitazione (si noti ancora che questa è la soluzione più semplice possibile al problema della costante cosmologica). Tuttavia, l’orientamento casuale dei dipoli virtuali può essere interrotto dal campo gravitazionale della materia del Modello standard immerso. Corpi massicci (particelle, stelle, pianeti, buchi neri …) ma anche sistemi a molti corpi come le galassie sono circondati da un alone invisibile di vuoto quantistico polarizzato gravitazionalmente, cioè una regione di orientamento non casuale di dipoli gravitazionali virtuali.
Mentre il comportamento delineato di un fluido di dipoli gravitazionali orientati casualmente è ovvio per dipoli gravitazionali permanenti, se non si ha familiarità con il vuoto quantistico, ci si potrebbe chiedere se è corretto anche per dipoli virtuali di breve durata.
Fortunatamente, il fenomeno della polarizzazione elettrica del vuoto quantistico è ben radicato nell’elettrodinamica quantistica e ciò rende molto plausibile un’analoga polarizzazione gravitazionale del vuoto quantistico. Più precisamente, l’elettrodinamica quantistica (QED) è la nostra prima teoria dei campi quantistici e il vuoto quantistico (come parte intrinseca del QED) è una delle più grandi scoperte nella storia della scienza.
Uno dei fenomeni più importanti è la sua polarizzazione elettrica; in particolare, lo screening di una carica elettrica da parte dei dipoli elettrici virtuali circostanti. È immediatamente ovvio (per chiunque abbia familiarità con la polarizzazione elettrica del vuoto quantistico) che possano esistere anche altri tipi di polarizzazione.
La polarizzazione gravitazionale del vuoto quantistico è evidente se le sue fluttuazioni sono dipoli gravitazionali virtuali (definiti in piena analogia con i dipoli elettrici).
La variazione spaziale della densità di polarizzazione gravitazionale genera una densità di carica gravitazionale legata al vuoto quantistico. Si può considerare questa densità di carica legata alla gravità come un’effettiva densità di carica gravitazionale, che agisce come se ci fosse una vera carica gravitazionale diversa da zero. Ecco come funziona la magia della polarizzazione; il vuoto quantistico è una sorgente di gravità grazie alla materia del Modello Standard immersa.
L’ipotesi (1) può essere combinata con una seconda ipotesi: (2) la materia del modello standard (cioè la materia fatta di quark e leptoni che interagiscono attraverso lo scambio di bosoni di gauge) è l’unico contenuto dell’Universo.
L’ipotesi (2) esclude la materia oscura e l’energia oscura come contenuto dell’Universo, mentre l’ipotesi (1) postula il vuoto quantistico come un fluido cosmologico privo del problema della costante cosmologica. Insieme, queste due ipotesi hanno le seguenti serie di conseguenze intriganti.
I fenomeni generalmente attribuiti all’ipotetica materia oscura e all’energia oscura possono essere considerati come risultato della polarizzazione gravitazionale del vuoto quantistico da parte della materia del Modello Standard immerso.
A livello locale, ogni alone di materia oscura può essere sostituito dall’alone del vuoto quantistico polarizzato. A livello globale, tutti gli aloni del vuoto quantistico polarizzato sono un fluido cosmologico che, durante l’espansione dell’Universo si converte da un fluido a pressione negativa – permettendo un’espansione accelerata dell’Universo – in un fluido a pressione zero, che significa fisicamente la fine dell’espansione accelerata.
Inoltre, le due ipotesi aprono la possibilità che viviamo in un universo ciclico con cicli alternativamente dominati dalla materia e dall’antimateria. La conversione della materia (o antimateria) di un ciclo in antimateria (o materia) del ciclo successivo, avviene in un evento cataclismico simile al Big Bang, ma a dimensioni macroscopiche significative (più precisamente a dimensioni macroscopiche del fattore di scala 𝑅 dell’Universo); la causa della conversione è una creazione estremamente rapida ed eccezionale di coppie particella-antiparticella dal vuoto quantistico in un campo gravitazionale estremamente forte con un fattore di scala relativamente piccolo 𝑅 dell’Universo.
Di conseguenza, almeno matematicamente, non c’è singolarità iniziale, non c’è bisogno di inflazione cosmica e c’è un’elegante spiegazione dell’asimmetria materia-antimateria nell’universo: il nostro universo è dominato dalla materia perché il ciclo precedente era dominato dall’antimateria e il prossimo sarà nuovamente dominato dall’antimateria.
Prospettive e osservazioni astronomiche
Se, negli esperimenti nei nostri laboratori, l’antimateria dovesse cadere verso l’alto, sarebbe una rivoluzione scientifica, ma non la conferma di nessuna delle conseguenze astrofisiche e cosmologiche proposte.
È ovvio che l’eventuale scoperta della repulsione gravitazionale tra materia e antimateria non sarebbe la conferma di altre ipotesi nelle teorie proposte; gli esperimenti con antiidrogeno, muonium e positronium non possono dirci se c’è antimateria nascosta nei vuoti, se c’è repulsione gravitazionale tra antimateria e antimateria, se le fluttuazioni del vuoto quantistico si comportano come dipoli gravitazionali.
I fenomeni astrofisici e cosmologici possono essere rivelati solo da osservazioni astronomiche e siamo fortunati che i telescopi di nuova generazione (dal James Webb Space Telescope al telescopio ExtraLarge) saranno operativi quasi immediatamente dopo una sorprendente scoperta che può venire dal CERN.
In generale, una precisione significativamente più elevata delle misurazioni astronomiche aumenterà la nostra capacità di distinguere tra predizioni di diverse teorie. Oltre alle considerazioni cosmologiche è illuminante considerare un buco nero dal punto di vista della repulsione gravitazionale tra materia e antimateria e tre teorie concorrenti descritte in questa recensione
Buchi neri-bianchi
Consideriamo un buco nero fatto di materia. Se c’è repulsione gravitazionale tra materia e antimateria, un tale oggetto è un buco nero per la materia, ma non è un buco nero per l’antimateria; qualsiasi antimateria all’interno dell’orizzonte sarebbe espulsa violentemente dalla repulsione.
Proponiamo il nome di “buco nero-bianco” per tale entità, ma si noti che le parole bianco e nero non hanno lo stesso significato in Relatività generale.
Tutti pensano che gli esperimenti al CERN siano solo una misura dell’accelerazione gravitazionale dell’antiidrogeno. È divertente che nessuno abbia notato che, in effetti, gli esperimenti al CERN sono un test per l’esistenza di buchi neri-bianchi nell’universo. Se l’antiidrogeno cade verso l’alto, i buchi neri devono essere rinominati in buchi neri-bianchi; un buco nero fatto da materia è un buco nero per la materia ma un buco bianco per l’antimateria.
Se l’antiidrogeno cade verso l’alto è un fenomeno inevitabile indipendente da qualsiasi teoria. Immaginiamo che la materia cada in un buco bianco-nero. Una piccola frazione di materia che cade verrà espulsa sotto forma di antiparticelle ad alta energia. Vale a dire, come risultato delle collisioni del materiale in caduta (analogo alle collisioni nei nostri acceleratori), si possono creare diversi tipi di antiparticelle all’interno dell’orizzonte e le antiparticelle di lunga durata verrebbero espulse violentemente fuori dall’orizzonte.
Se esistono buchi neri-bianchi, sono una sorgente inevitabile di positroni e antiprotoni ad alta energia nei raggi cosmici. Una domanda interessante è se sono già state viste delle firme di questi buchi neri-bianchi.
La prima firma potrebbe essere un eccesso inspiegabile di positroni e antiprotoni ad alta energia nei raggi cosmici rivelati da misurazioni con Alpha Magnetic Spectrometer sulla Stazione Spaziale Internazionale.
La seconda firma potrebbe essere una recente rivelazione, presso il telescopio per neutrini IceCube al polo sud, di (anti)neutrini ad altissima energia provenienti dal centro galattico; apparentemente il buco nero supermassiccio della Via Lattea funge da misteriosa “fabbrica” di (anti)neutrini ad alta energia.
Esiste un secondo meccanismo più sottile per la creazione di coppie particella-antiparticella in profondità all’interno dell’orizzonte della materia. Ricordiamo che il vuoto quantistico è una parte intrinseca del Modello standard di particelle e campi e che in determinate condizioni coppie virtuali di particelle / antiparticelle del vuoto quantistico possono essere convertite in particelle reali; apparentemente possiamo creare qualcosa dal nulla. Ad esempio, un elettrone e un positrone in una coppia virtuale possono essere convertiti in reali in un campo elettrico sufficientemente forte, accelerandoli nella direzione opposta. Lo stesso (cioè la creazione di coppie particella-antiparticella dal vuoto quantistico) può essere fatto dal campo gravitazionale se particelle e antiparticelle hanno carica gravitazionale del segno opposto; l’unica differenza è che l’accelerazione opposta necessaria è causata da un campo gravitazionale.
Quindi, i buchi neri-bianchi potrebbero irradiarsi a causa della creazione di particelle-antiparticelle dal vuoto quantistico. È ovvio che si tratta di un meccanismo dipendente dal modello (ad esempio non valido in Dirac-Milne Cosmology e nell’Universo Reticolo).
Una domanda importante è se la radiazione Hawking può coesistere con la radiazione del vuoto quantistica?
La risposta è: No. La radiazione di Hawking dipende dal modello finora assunto delle proprietà gravitazionali del vuoto quantistico. I calcoli di Hawking corrispondono al caso dei monopoli gravitazionali e non possono essere validi se il vuoto quantistico è composto da dipoli gravitazionali.
Binari transnettuniani e vuoto quantistico
Come fenomeno dipendente dal modello (non esistente in Dirac-Milne Cosmology e nell’Universo Reticolo) citiamo che il vuoto quantistico potrebbe avere un piccolo impatto sulle orbite dei corpi celesti nel Sistema Solare; è l’analogo gravitazionale del Lamb shift (ovvero dell’impatto del vuoto quantistico sui livelli di energia degli elettroni negli atomi) nell’elettrodinamica quantistica.
Apparentemente, il modo più promettente per rivelare un tale impatto del vuoto quantistico è lo studio delle orbite di piccoli satelliti in alcuni binari trans-nettuniani. Il punto chiave è che in un binario isolato, il vuoto quantistico provoca uno spostamento del perielio per orbita che è direttamente proporzionale alla magnitudine massima 𝑃𝑔𝑚𝑎𝑥 della densità di polarizzazione gravitazionale 𝑷𝑔.
La nostra attuale comprensione dell’Universo (Λ𝐶𝐷𝑀 Cosmologia) è sia un affascinante risultato intellettuale sia la fonte della più grande crisi nella storia della fisica. Non conosciamo la natura di ciò che chiamiamo campo di inflazione, materia oscura ed energia oscura; non sappiamo perché la materia domini l’antimateria nell’Universo e quale sia la radice del problema della costante cosmologica.
Tra circa tre anni gli esperimenti porteranno a termine la disputa teorica già vecchia di 6 decenni su come cade l’antimateria. Gli esperimenti ci diranno se la gravità dell’antimateria è cruciale o meno nella comprensione dei più grandi misteri della fisica, dell’astrofisica e della cosmologia contemporanee.
Finora ci sono tre teorie pionieristiche (Dirac-Milne Cosmology, Lattice Universe e Cosmologia con fluttuazioni quantistiche del vuoto come dipoli gravitazionali virtuali) che anticipano la gravità repulsiva come il risultato dei prossimi esperimenti.
Fonti:
- https://www.researchgate.net/publication/337401789_Antimatter_gravity_and_the_Universe
- https://indico.psi.ch/event/7277/?print=1
- https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217732320300013
