“Nessuna simmetria”: mistero della gravità al livello quantistico

“Molti fisici credono che ci debba essere un bellissimo insieme di leggi nella Natura e che sia possibile quantificare la bellezza attraverso la simmetria. Alcune simmetrie potrebbero non essere visibili nella nostra esperienza quotidiana, ma dovrebbero manifestarsi guardando alla Natura ad un livello più fondamentale”.

“Abbiamo dimostrato che questa aspettativa è sbagliata una volta presa in considerazione la gravità“, ha affermato Hirosi Ooguri del Caltech, direttore dell’Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell’universo, parlando di un nuovo studio che ha scoperto che, quando la gravità è combinata con la meccanica quantistica, la simmetria non è possibile.

Esistono quattro tipi di forze fondamentali in natura: elettromagnetismo, forza forte, forza debole e gravità. Di queste, solo la gravità non è ancora spiegabile a livello quantistico. Né il modello newtoniano né la relatività riescono a dare una spiegazione fondamentale per la gravità.

Non sappiamo ancora come le proprietà quantiche fondamentali di massa, energia e spazio-tempo si combinino per creare il fenomeno.

Pensiamo che dovrebbero esserci particelle che trasportano la forza gravitazionale allo stesso modo in cui la forza elettromagnetica, ad esempio, viene erogata dai fotoni. Questa immagine è nota come teoria dei campi quantistici.

Ma non abbiamo ancora trovato alcuna prova dell’esistenza di queste ipotetiche particelle, che sono state soprannominate “gravitoni“.

Principio olografico e gravità quantistica

In fisica, il principio olografico è una congettura riguardante la gravità quantistica, proposta da Gerardus ‘t Hooft e sviluppata da Leonard Susskind, secondo cui l’intera informazione contenuta in un volume di spazio a tre o più dimensioni può essere rappresentata da una teoria a due dimensioni che si situa sul bordo dell’area esaminata. Juan Maldacena ha collegato il principio olografico alla teoria delle stringhe, per cui nella dimensione compattata a livello di stringa, bidimensionale, vi sarebbe l’informazione che si dispiega olograficamente nel nostro universo tridimensionale. Recentemente, il principio olografico nella versione quantistica (QHP) è stato dimostrato in un lavoro di Paola Zizzi.

I ricercatori ritengono che il principio olografico potrebbe fornire una traccia importante per combinare con successo la gravità e la meccanica quantistica.

Un ologramma fa uscire le immagini tridimensionali da uno schermo bidimensionale. Allo stesso modo, il principio olografico consente ai fisici di studiare i sistemi gravitazionali proiettandoli su un confine che circonda l’intero universo. 

La corrispondenza AdS / CFT (anti-de Sitter / conformal field theory), sviluppata alla fine degli anni ’90 da Juan Maldacena, si è rivelata particolarmente utile perché fornisce una precisa definizione matematica del principio olografico.

Nel documento pubblicato lo scorso 17 maggio, Ooguri e Daniel Harlow, Assistant Professor presso il Massachusetts Institute of Technology, hanno dimostrato che la simmetria non è possibile in una teoria gravitazionale se obbedisce al principio olografico.

Il diagramma qui sopra viene usato per dimostrare che la gravità quantistica non può avere alcuna simmetria globale. La simmetria, se esistita, potrebbe agire solo sulle regioni ombreggiate nel diagramma e non provoca alcun cambiamento attorno alla macchia nera nel mezzo.

Le regioni ombreggiate possono essere ridotte a piacimento dividendo il cerchio di confine sempre di più. Pertanto, la presunta simmetria non agirebbe in alcun punto all’interno del cerchio. Contraddizione.

Un lavoro precedente di Harlow e altri aveva scoperto una precisa analogia matematica tra il principio olografico e i codici di correzione dell’errore quantico, che protegge le informazioni in un computer quantico.

Nel nuovo documento, Ooguri e Harlow hanno dimostrato che tali codici di correzione degli errori quantistici non sono compatibili con alcuna simmetria, il che significa che la simmetria non è possibile nella gravità quantistica.

Questo risultato ha diverse conseguenze importanti. In particolare, predice che i protoni sono stabili contro il decadimento in altre particelle elementari e che esistono monopoli magnetici.

I dettagli del loro studio sono stati pubblicati su Physical Review Letters il 17 maggio e selezionati per il suggerimento dell’Editor “per la loro particolare importanza, innovazione e ampio appeal“.