Gravità: superare la dicotomia, abbracciare la teoria unificata

La comunità scientifica si avvicina con crescente speranza alla realizzazione di un obiettivo a lungo perseguito: la formulazione di una teoria unificata capace di inglobare la gravità insieme alle altre forze fondamentali che governano l’Universo conosciuto – l’elettromagnetismo e le interazioni nucleari, sia quella forte che quella debole.

Integrare la gravità in un quadro teorico coerente ha rappresentato una sfida monumentale per generazioni di fisici teorici, i quali si sono strenuamente confrontati con l’apparente inconciliabilità tra due pilastri concettuali della fisica moderna: la teoria quantistica dei campi, che descrive le interazioni delle particelle elementari, e la teoria della relatività generale di Albert Einstein, che fornisce una descrizione geometrica della gravità.

Un nuovo quadro quantistico per la gravità

Un significativo passo avanti in questa direzione è stato compiuto dai ricercatori dell’Università Aalto, i quali hanno sviluppato una nuova teoria quantistica della gravità. Questa innovativa formulazione descrive la gravità in un modo che risulta compatibile con il Modello Standard della fisica delle particelle, il quadro teorico che descrive le particelle elementari conosciute e le loro interazioni attraverso le forze elettromagnetica, debole e forte. Questa promettente compatibilità apre nuove e concrete possibilità per una comprensione più profonda delle origini e dell’evoluzione dell’Universo primordiale.

Sebbene il regno della fisica teorica possa apparire distante dalle applicazioni tecnologiche immediate, è fondamentale sottolineare come progressi concettuali di questa portata costituiscano il fondamento stesso della tecnologia moderna. Un esempio emblematico è rappresentato dal sistema di posizionamento globale (GPS) presente nei nostri smartphone, il cui funzionamento si basa intrinsecamente sulla teoria della relatività generale di Einstein.

Mikko Partanen e Jukka Tulkki sono gli artefici di questa nuova teoria, con Partanen come autore principale. Egli esprime un cauto ma motivato ottimismo, prevedendo che entro pochi anni i risultati derivanti da questa teoria forniranno una comprensione critica di fenomeni ancora avvolti nel mistero. “Se questo dovesse portare a una teoria quantistica completa della gravità, allora prima o poi darà risposte ai difficilissimi problemi della comprensione delle singolarità nei buchi neri e del Big Bang“, afferma Partanen, evidenziando il potenziale rivoluzionario di questa linea di ricerca.

Egli riconosce che “una teoria che descrive in modo coerente tutte le forze fondamentali della natura viene spesso chiamata la teoria del tutto“, pur manifestando una certa reticenza nell’utilizzare questa etichetta. Partanen conclude sottolineando come “alcune domande fondamentali della fisica rimangano ancora senza risposta. Ad esempio, le teorie attuali non spiegano ancora perché nell’Universo osservabile ci sia più materia che antimateria”, suggerendo che la nuova teoria quantistica della gravità potrebbe rappresentare un passo cruciale anche verso la risoluzione di questo annoso enigma cosmologico.

Riconciliare la meccanica quantistica e la relatività generale

Il fulcro della nuova teoria sviluppata dai ricercatori dell’Università Aalto risiede nell’aver individuato un modo inedito per descrivere la forza di gravità all’interno del formalismo di una teoria di gauge appropriata. Le teorie di gauge costituiscono un quadro teorico fondamentale nella fisica delle particelle, in cui le interazioni tra le particelle elementari sono mediate da campi.

Come spiega Jukka Tulkki, “il campo di gauge più familiare è il campo elettromagnetico. Quando le particelle elettricamente cariche interagiscono tra loro, lo fanno attraverso il campo elettromagnetico, che è il campo di gauge pertinente“. Estendendo questo concetto alla gravità, Tulkki aggiunge: “Quindi, quando abbiamo particelle dotate di energia, le interazioni che hanno, semplicemente perché hanno energia, avverrebbero attraverso il campo gravitazionale”.

Una delle sfide più ardue che i fisici hanno affrontato per decenni è stata la formulazione di una teoria di gauge della gravità che risultasse intrinsecamente compatibile con le teorie di gauge che descrivono le altre tre forze fondamentali della natura: la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. Il Modello Standard della fisica delle particelle rappresenta un esempio emblematico di teoria di gauge di successo, in grado di descrivere queste tre interazioni fondamentali e di presentare un ricco spettro di simmetrie.

Come sottolinea Partanen, autore principale dello studio, “l’idea principale è quella di avere una teoria di gauge della gravità con una simmetria simile alle simmetrie del Modello Standard, invece di basare la teoria sul tipo molto diverso di simmetria spaziotemporale della relatività generale“.

La mancanza di una teoria di gauge della gravità ha rappresentato un ostacolo insormontabile per la completa unificazione dei due pilastri più potenti della fisica contemporanea: la teoria quantistica dei campi, che descrive il mondo microscopico delle particelle elementari e le loro interazioni probabilistiche, e la relatività generale, che fornisce una descrizione macroscopica dello spaziotempo, degli oggetti familiari e della loro interazione gravitazionale.

Queste due teorie, sebbene entrambe verificate sperimentalmente con una precisione straordinaria, offrono descrizioni del nostro universo da prospettive radicalmente diverse e risultano, a livello teorico, incompatibili tra loro. Inoltre, la debolezza intrinseca delle interazioni gravitazionali ha reso necessaria una precisione sperimentale sempre maggiore per poter studiare gli effetti genuinamente quantistici della gravità al di là della descrizione classica fornita dalla relatività generale.

Come evidenzia Partanen, “una teoria quantistica della gravità è necessaria per capire che tipo di fenomeni si verificano nei casi in cui sono presenti un campo gravitazionale e alte energie“. Queste condizioni estreme si realizzano in regioni dello spaziotempo come l’interno dei buchi neri e nell’universo primordiale, subito dopo l’evento del Big Bang – contesti in cui le teorie fisiche attualmente a nostra disposizione cessano di essere valide e di fornire descrizioni accurate.

L’interesse di Partanen per le grandi domande fondamentali della fisica lo ha condotto alla scoperta di un nuovo approccio alla teoria della gravità, basato su principi di simmetria. Insieme a Tulkki, ha intrapreso un percorso di sviluppo di questa idea promettente. Il risultato di questa collaborazione possiede un potenziale considerevole per inaugurare una nuova era di comprensione scientifica, analogamente a come la comprensione della gravità classica ha aperto la strada a innovazioni tecnologiche rivoluzionarie come il sistema GPS.

La sfida cruciale della rinormalizzazione

Nonostante l’indubbio potenziale e la promettente architettura concettuale della loro nuova teoria quantistica della gravità, Mikko Partanen e Jukka Tulkki sottolineano con cautela che la dimostrazione matematica completa della sua validità è ancora in fase di elaborazione. La teoria si avvale di una procedura tecnica sofisticata, nota come rinormalizzazione, un metodo matematico essenziale per gestire gli infiniti che inevitabilmente emergono nei complessi calcoli della fisica quantistica dei campi.

Fino a questo punto della loro ricerca, Partanen e Tulkki sono riusciti a dimostrare l’efficacia della loro teoria fino a un certo livello di approssimazione, precisamente per i cosiddetti termini di “primo ordine” nei calcoli perturbativi. Un passaggio fondamentale per la piena validazione della teoria consiste nel dimostrare in modo rigoroso che gli infiniti che compaiono nei calcoli possano essere eliminati in maniera consistente durante l’intero processo computazionale, estendendo la procedura di rinormalizzazione anche ai termini di ordine superiore.

Come chiarisce Tulkki, “se la rinormalizzazione non funziona per termini di ordine superiore, si otterranno infiniti risultati, privi di significato fisico. Quindi è fondamentale dimostrare che questa rinormalizzazione continua a funzionare“. Pur riconoscendo che “dobbiamo ancora fornire una dimostrazione completa”, entrambi i ricercatori esprimono un cauto ma solido ottimismo, basato sulla loro attuale comprensione del problema, ritenendo “molto probabile che ci riusciremo“.

Partanen concorda con questa valutazione, riconoscendo che permangono alcune sfide teoriche da superare. Tuttavia, con la prosecuzione del loro lavoro e l’impiego del tempo e delle risorse necessarie, egli si aspetta che queste difficoltà verranno affrontate con successo. “Non posso dire quando precisamente, ma posso affermare con ragionevole certezza che ne sapremo significativamente di più sull’efficacia della teoria entro i prossimi anni”, afferma Partanen, delineando un orizzonte temporale per ulteriori progressi.

Nel frattempo, i ricercatori hanno deciso di rendere pubblica la loro teoria nello stato attuale, pubblicandola affinché il resto della comunità scientifica internazionale possa prenderne visione, familiarizzare con i suoi concetti fondamentali e i risultati preliminari, verificarne la validità attraverso analisi indipendenti, contribuire attivamente al suo ulteriore sviluppo e utilizzarla come base per nuove ricerche e speculazioni teoriche.

Concludendo con una visione di ampio respiro, Partanen auspica che “come la meccanica quantistica e la teoria della relatività prima di essa, speriamo che la nostra teoria apra innumerevoli nuove strade da esplorare per gli scienziati”, sottolineando il potenziale catalizzatore di progresso scientifico insito nella loro innovativa formulazione teorica.

Lo studio è stato pubblicato su Reports on Progress in Physics.