Un recente studio propone un’ipotesi rivoluzionaria che potrebbe ridefinire la nostra comprensione dell’universo. La ricerca suggerisce che le informazioni quantistiche, intrinsecamente codificate nell’entropia dell’entanglement, modellano direttamente la struttura dello spaziotempo.

Questa idea innovativa apre un nuovo orizzonte verso l’ambiziosa unificazione della gravità, descritta dalla relatività generale di Einstein, e della meccanica quantistica, il regno dell’infinitamente piccolo.

Entanglement quantistico: la chiave per unificare gravità e meccanica quantistica?

Il cuore di questo studio risiede in una riformulazione delle celebri equazioni di campo di Einstein. La prospettiva convenzionale vede la gravità come una manifestazione della risposta dello spaziotempo alla presenza di massa ed energia. Tuttavia, la nuova ricerca introduce un concetto audace: la gravità non sarebbe determinata unicamente da questi fattori, ma anche dalla sottile struttura informativa intrinseca ai campi quantistici. Se questa ipotesi dovesse trovare conferma, rappresenterebbe un cambiamento paradigmatico nel modo in cui i fisici interpretano sia la forza di gravità che i principi fondamentali del calcolo quantistico.

Lo studio, pubblicato da Florian Neukart del Leiden Institute of Advanced Computer Science, Università di Leida, e Chief Product Officer di Terra Quantum, introduce la nozione di un inedito “tensore energia-stress informativo“. Questo tensore deriverebbe direttamente dall’entropia dell’entanglement quantistico. L’entropia dell’entanglement è una misura del grado di correlazione quantistica che intercorre tra diverse regioni dello spazio.

Essa gioca un ruolo cruciale sia nella teoria dell’informazione quantistica che nel campo del calcolo quantistico. Proprio perché l’entanglement cattura la maniera in cui l’informazione viene condivisa attraverso i confini spaziali, esso si configura come un ponte naturale che connette il mondo della teoria quantistica con il tessuto geometrico dello spaziotempo.

Nella relatività generale classica, la curvatura dello spaziotempo è univocamente determinata dalla distribuzione di energia e quantità di moto della materia e della radiazione presenti nell’universo. Il nuovo modello proposto aggiunge a questo quadro un ulteriore elemento fondamentale: l’informazione quantistica condivisa tra i campi. Questo termine aggiuntivo apporta una modifica significativa alle equazioni di Einstein, offrendo potenzialmente una spiegazione per alcuni dei comportamenti più sfuggenti e misteriosi della gravità, inclusa la possibilità di correzioni alla costante gravitazionale di Newton.

Per i ricercatori attivi nel campo del calcolo quantistico, questo studio rafforza un’idea già emergente: l’entanglement non è semplicemente una risorsa computazionale da sfruttare, ma potrebbe rappresentare un elemento strutturale fondamentale dell’universo stesso. La ricerca implica che, nel momento in cui i sistemi di calcolo quantistico manipolano l’entanglement, essi attingono agli stessi meccanismi che influenzano e plasmano la forma dello spaziotempo.

Questa profonda dualità tra la geometria dello spaziotempo e l’informazione quantistica, come sottolinea lo studio, ha implicazioni di vasta portata per la nostra comprensione del cosmo. In particolare, suggerisce con forza che la gravità potrebbe emergere dall’intricato fenomeno dell’entanglement a livello quantistico. Questa visione si allinea con le attuali ricerche in corso nel campo della gravità quantistica, che includono promettenti teorie come l’approccio olografico e la corrispondenza AdS/CFT.

Correzioni alla costante di Newton e campi quantistici

A sostegno della sua audace ipotesi, lo studio condotto da Neukart presenta calcoli dettagliati riguardanti le correzioni alla fondamentale costante gravitazionale di Newton. Questi calcoli si basano sull’entropia di entanglement derivante da diverse tipologie di campi quantistici, che includono campi scalari, spinoriali e bosoni di gauge.

Sebbene le correzioni numeriche risultanti siano estremamente piccole, esse rivelano una dipendenza cruciale: la loro entità è legata al contenuto quantistico dei campi che permeano l’universo e varia significativamente con la scala energetica considerata. Questa scoperta suggerisce un’implicazione profonda: l’intensità della forza di gravità potrebbe non essere una costante universale e immutabile, come tradizionalmente assunto.

Nel suo lavoro, Neukart impiega strumenti ben consolidati e potenti della teoria quantistica dei campi. Tra questi spiccano il “trucco della replica” e i sofisticati “metodi del kernel di calore“. Queste tecniche avanzate permettono di modellare con precisione il modo in cui regioni dello spazio intrinsecamente entangled influenzano la curvatura dello spaziotempo. In sostanza, questi metodi consentono ai fisici di calcolare la propagazione e l’interazione dell’informazione quantistica all’interno di uno spaziotempo curvo, analogamente a come si studierebbe la diffusione del calore attraverso sistemi complessi.

I risultati ottenuti dai meticolosi calcoli del ricercatore indicano che persino regioni infinitesime di correlazione quantistica possono esercitare un’influenza non trascurabile sulla dinamica gravitazionale. Questo effetto si manifesterebbe in modo particolarmente significativo in prossimità di oggetti celesti estremi come i buchi neri e nelle condizioni energetiche estreme che caratterizzavano l’universo primordiale.

Una delle implicazioni più sorprendenti di questa ricerca riguarda la termodinamica dei buchi neri, un campo di studio affascinante che fonde concetti di gravità, termodinamica e meccanica quantistica. Le equazioni tradizionali che descrivono l’entropia e la temperatura dei buchi neri si basano sull’assunzione che la costante di Newton sia un valore fisso. Tuttavia, se la forza di gravità dovesse “correre” con la scala energetica, come suggerito dallo studio, anche queste grandezze termodinamiche subirebbero delle modifiche. In particolare, l’entropia di un buco nero tenderebbe a diminuire leggermente alle alte energie, mentre la sua temperatura aumenterebbe, portando potenzialmente a tassi di evaporazione più lenti di quanto previsto.

Sebbene queste sottili correzioni siano al di là della portata della nostra attuale tecnologia di rilevamento, esse aprono una promettente finestra teorica sul celebre paradosso dell’informazione dei buchi neri. Questo paradosso rappresenta una delle tensioni irrisolte più profonde e stimolanti tra i pilastri fondamentali della fisica moderna: la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein.

Le implicazioni di questa ricerca potrebbero estendersi ben oltre il regno dei buchi neri. La dipendenza della gravità dalla scala energetica potrebbe aver influenzato in modo significativo fenomeni cosmologici cruciali come l’inflazione, la fase di rapida espansione dell’universo primordiale governata da equazioni che includono la costante di Newton. Se quest’ultima fosse stata leggermente inferiore alle energie estreme dell’universo neonato, la dinamica dell’inflazione potrebbe essere stata differente. Allo stesso modo, processi fondamentali come la nucleosintesi primordiale, la formazione degli elementi leggeri, e persino le caratteristiche della radiazione cosmica di fondo a microonde potrebbero conservare tracce di questa variazione della forza di gravità.

Inoltre, la ricerca suggerisce una connessione interessante: l’entanglement quantistico potrebbe addirittura fornire un contributo significativo alla costante cosmologica, il misterioso parametro spesso invocato per spiegare l’enigmatica energia oscura e l’accelerata espansione dell’universo che osserviamo oggi.

Rilevanza alla scala di Planck e limiti delle tecniche perturbative

Nonostante l’indubbia eleganza e la profonda portata concettuale della teoria proposta, essa si confronta con sfide significative, in particolare per quanto riguarda la verifica sperimentale delle sue previsioni. Le variazioni previste nella costante di Newton, elemento centrale della teoria, risultano essere straordinariamente piccole, collocandosi ben al di sotto della soglia di sensibilità degli strumenti di misurazione attualmente disponibili.

È importante sottolineare che la maggior parte delle correzioni derivate da questo studio acquisisce una rilevanza significativa unicamente in prossimità della cosiddetta scala di Planck. Questa scala energetica estrema è il punto in cui si prevede che gli effetti gravitazionali e quantistici si manifestino congiuntamente e in modo inestricabile.

Inoltre, i risultati presentati si basano sull’impiego di tecniche perturbative, la cui validità e accuratezza tendono a diminuire drasticamente in regimi di energia così elevati. Lo studio stesso riconosce apertamente questa intrinseca limitazione e sottolinea l’urgente necessità di sviluppare approcci teorici non perturbativi, come i potenti metodi del gruppo di rinormalizzazione esatta, al fine di estendere l’applicabilità e la solidità della teoria in questi contesti estremi.

Un altro aspetto cruciale da considerare è che il quadro teorico proposto si basa su specifiche ipotesi riguardanti il contenuto di particelle fondamentali che costituiscono l’universo. Prendendo come punto di partenza il Modello Standard della fisica delle particelle, le correzioni calcolate risultano essere minime.  Teorie che vanno oltre i confini del Modello Standard – come quelle che postulano l’esistenza di nuovi campi fondamentali o di dimensioni spaziali extra – potrebbero potenzialmente amplificare in modo significativo questi effetti previsti.

In definitiva, è fondamentale riconoscere che questo studio pionieristico non ambisce a fornire una soluzione completa e definitiva al complesso problema della gravità quantistica. Piuttosto, il suo valore risiede nella riformulazione radicale del problema stesso. Dimostrando come l’enigmatica entropia dell’entanglement possa essere integrata matematicamente all’interno delle consolidate equazioni di campo di Einstein, la ricerca apre una promettente e inedita via che connette intrinsecamente la struttura dello spaziotempo con il concetto di informazione – un’idea familiare e centrale sia per gli informatici quantistici che per i fisici teorici.

Le future direzioni di ricerca richiederanno un programma di indagine ampio e approfondito per consolidare e sviluppare ulteriormente le basi concettuali gettate da questo studio innovativo. L’autore stesso suggerisce che gli esperimenti quantistici emergenti, tra cui le misurazioni di precisione della forza di gravità a distanze estremamente brevi e le tecniche avanzate di imaging dei buchi neri, potrebbero in futuro fornire un supporto indiretto, ma cruciale, alla validità della teoria proposta.

Dati astrofisici sempre più precisi, segnali provenienti da onde gravitazionali e osservazioni condotte ad altissime energie potrebbero offrire ulteriori indizi e vincoli sperimentali, soprattutto con il continuo miglioramento della sensibilità e della risoluzione degli strumenti osservativi. La proposta incoraggia inoltre attivamente i ricercatori che lavorano nel campo dell’informazione quantistica a considerare il proprio lavoro all’interno di un contesto teorico più ampio, contribuendo potenzialmente a far luce su una delle questioni irrisolte più interessanti e profonde della fisica fondamentale.

Come alcuni ricercatori descrivono con suggestiva metafora, questi sforzi congiunti alludono all’esistenza di un vero e proprio “sistema operativo informativo” sottostante al cosmo, in cui la struttura fondamentale della realtà emergerebbe non solo dalla materia o dall’energia, ma dal dinamico flusso e dall’intricata struttura dell’informazione stessa.

Lo studio è stato pubblicato su Annals of Physics.

Nel cuore pulsante della fisica delle alte energie, all’interno del complesso labirintico del Large Hadron Collider (LHC) del CERN, un risultato scientifico di portata epocale ha scosso le fondamenta della nostra comprensione della materia e delle sue trasformazioni.

Un’antica aspirazione alchemica, inseguita per secoli da menti curiose e avventurose, ha trovato una sua, seppur fugace, realizzazione non nei forni fumosi e tra gli alambicchi degli alchimisti, bensì negli acceleratori di particelle più potenti mai costruiti dall’umanità.

I fisici del CERN, attraverso esperimenti meticolosamente orchestrati e analisi sofisticate, sono riusciti a trasmutare, anche se per un istante infinitesimale, nuclei di piombo in atomi di oro.

La trasmutazione del piombo in oro: un miracolo della fisica moderna al CERN

Il segreto di questa moderna “pietra filosofale” risiede nelle collisioni ad altissima energia di nuclei di piombo, accelerate fino a velocità prossime a quella della luce all’interno dell’anello di 27 chilometri dell’LHC. Questi scontri, che generano una densità di energia e una temperatura inimmaginabili, paragonabili a quelle esistenti frazioni di secondo dopo il Big Bang, innescano processi nucleari di una complessità sbalorditiva.

In queste condizioni estreme, i nuclei di piombo, composti da 82 protoni e un numero variabile di neutroni, si frantumano in un mare di quark e gluoni, le particelle elementari che costituiscono la materia nucleare. Questo stato della materia, noto come plasma di quark e gluoni, è un ambiente primordiale in cui le forze fondamentali della natura si manifestano in modo diretto e intenso.

È proprio all’interno di questo calderone di particelle elementari che, attraverso una serie di interazioni complesse e fluttuazioni quantistiche, si verifica la trasmutazione alchemica. Alcuni dei frammenti nucleari risultanti dalle collisioni, riaggregandosi e riorganizzandosi sotto l’influenza delle forze nucleari, danno origine a nuclei atomici con un numero di protoni diverso da quello del piombo originario.

. In particolare, alcuni di questi nuclei neoformati acquisiscono esattamente 79 protoni nel loro nucleo. Questo numero magico definisce l’elemento oro. Sebbene questi nuclei di oro siano estremamente instabili e decadano in altri elementi in un lasso di tempo brevissimo, la loro formazione rappresenta una prova tangibile della possibilità di trasformare un elemento in un altro attraverso processi fisici ad altissima energia.

Questi esperimenti pionieristici sono condotti nell’ambito della collaborazione ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno dei quattro grandi esperimenti presso l’LHC specificamente progettato per studiare le collisioni di ioni pesanti come il piombo. L’obiettivo primario di ALICE non è certo la produzione di oro su scala industriale, ma piuttosto l’esplorazione delle proprietà fondamentali del plasma di quark e gluoni e la ricostruzione delle condizioni fisiche presenti nei primissimi istanti di vita dell’Universo.

La capacità di osservare la formazione, seppur transitoria, di elementi come l’oro in questi esperimenti fornisce informazioni cruciali sulla nucleosintesi primordiale, ovvero sui processi attraverso i quali i primi elementi chimici si sono formati dopo il Big Bang.

Comprendere come la materia si è organizzata a partire dal brodo primordiale di particelle elementari è una delle sfide più grandi della fisica moderna, e gli esperimenti ALICE al CERN stanno fornendo tasselli fondamentali per risolvere questo affascinante enigma cosmico. La trasmutazione del piombo in oro, quindi, non è solo un trionfo tecnologico, ma una finestra privilegiata sull’alba del nostro Cosmo.

Un’eco del Big Bang: ricreare le condizioni primordiali in laboratorio

Immagina di poter scrutare indietro nel tempo, fino a frazioni infinitesime di secondo dopo il Big Bang. l’Universo primordiale era un ambiente incredibilmente caldo e denso, un vero e proprio “brodo” di particelle elementari in costante interazione.

In questo scenario estremo, le forze fondamentali che oggi conosciamo, come la forza forte e la forza debole, giocavano un ruolo dominante nel plasmare la materia. La nucleosintesi primordiale, ovvero la formazione dei primi nuclei atomici leggeri come l’idrogeno, l’elio e tracce di litio, è avvenuta proprio in questo periodo caotico e dinamico.

Gli esperimenti ALICE, ricreando in miniatura le condizioni di temperatura e densità energetica simili a quelle dell’universo primordiale attraverso le collisioni ultra-relativistiche, ci offrono una sorta di “istantanea” di quel periodo cruciale.

Osservando la formazione di elementi più pesanti, seppur instabili, come l’oro, possiamo ottenere indizi preziosi sui meccanismi attraverso i quali i nuclei atomici si sono aggregati e trasformati nei primi istanti cosmici. È come analizzare le increspature lasciate da un sasso lanciato in uno stagno per dedurre le caratteristiche dell’impatto originario.

Sebbene la nucleosintesi primordiale si concentri principalmente sulla formazione degli elementi più leggeri, comprendere come, in condizioni estreme, nuclei pesanti come il piombo possano temporaneamente trasformarsi in oro ci fornisce informazioni fondamentali sulla stabilità e l’instabilità dei nuclei atomici, sulle forze che li tengono insieme e sui processi che possono indurre la loro trasformazione.

Questi dati sperimentali, raccolti con una precisione sbalorditiva, permettono ai fisici teorici di affinare i modelli che descrivono le interazioni nucleari e di estendere la nostra comprensione della formazione degli elementi ben oltre la fase primordiale dell’Universo.

Inoltre, lo studio del plasma di quark e gluoni, il substrato da cui emergono questi nuclei transitori, ci svela aspetti inediti del comportamento della materia in condizioni estreme, un regime fisico completamente diverso da quello a cui siamo abituati nel nostro mondo quotidiano. Comprendere le proprietà di questo stato primordiale della materia è essenziale per ricostruire la storia termica ed evolutiva del Cosmo.

Non sappiamo esattamente cosa sia l’energia oscura, una forza che sarebbe responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.

Molti teorici preferiscono definirla come il risultato dell’azione di un misterioso campo quantistico che sarebbe responsabile di questa misteriosa energia, anche se è difficile conciliare queste idee con le intuizioni di un’altra teoria che cerca di spiegare l’universo, la teoria delle stringhe.

In ogni caso, non dobbiamo scoraggiarci, infatti una nuova ricerca propone una soluzione radicale: l’energia oscura potrebbe avere più di un agente cosmologico che ne spieghi la natura.

La miscela di questi agenti avrebbe strani effetti nel nostro universo, rendendola in futuro potenzialmente rilevabile.

Un centinaio di anni fa abbiamo capito di vivere in un universo in espansione. Grazie alle osservazioni di Edwin Hubble abbiamo appreso che tutte le galassie si allontanano dalla nostra e l’una dalle altre a velocità crescente tanto più sono lontane. Ma non basta, nuove misurazioni ci hanno mostrato qualcosa di straordinario, il nostro universo non solo si espande ma lo fa in maniera accelerata. Negli ultimi 5 miliardi di anni, il tasso di espansione del nostro universo è aumentato.

Non sappiamo cosa stia causando l’espansione accelerata. Lo abbiamo notato per la prima volta circa 20 anni fa quando studiando supernove distanti, e da allora un
crescente numero di misurazioni indipendenti basate sul fondo cosmico a microonde, le oscillazioni acustiche barioniche, i vuoti cosmici e altro ancora hanno confermato che il nostro universo si espande in maniera accelerata.

Non sappiamo spiegare l’espansione accelerata, e non sappiamo cosa sia l’energia oscura, quel qualcosa che apparentemente fa espandere sempre più velocemente il nostro universo. Nel corso degli anni i teorici hanno cercato di spiegare l’energia oscura cercando di capire quale processo fisico in natura la produce. Ci deve essere un qualche meccanismo che ne spiega la genesi, anche se le ricerche per ora non hanno ancora chiarito il mistero.

Una delle migliori spiegazioni è che nell’universo esiste un campo quantistico responsabile dell’energia oscura. I campi quantistici sono piuttosto utili: assorbono ogni pezzetto di spazio-tempo e sono responsabili della generazione delle forze e delle particelle che compongono tutto ciò che ci circonda, per questo non è così pazzesco immaginare che ci sia un nuovo campo quantistico che ha le proprietà giuste per innescare un’espansione accelerata.

Quindi, a produrre la misteriosa energia oscura potrebbe essere un qualche campo quantistico che permea completamente lo spaziotempo. Questa ipotesi sembra semplice, ma se si prende in considerazione la teoria delle stringhe si palesano all’evidenza alcuni aspetti negativi.

La teoria delle stringhe è uno dei tentativi di riunire sotto un’unica entità tutte le forze della natura. Nella teoria delle stringhe, ogni particella e ogni forza è una manifestazione di minuscole stringhe vibranti. Ma per spiegare tutto ciò che osserviamo dell’universo fisico, queste stringhe non possono semplicemente vibrare in tre dimensioni. Hanno bisogno di più dimensioni extra tutte minuscole e ripiegate su se stesse. Tutto questo accade a una scala microscopica, ecco perché non l’abbiamo ancora notato.

Non abbiamo idea di come queste dimensioni extra siano ripiegate su se stesse. Potrebbero esserci fino a 10 ^ 200 possibili configurazioni, e ogni configurazione di dimensioni raggomitolate fornisce un nuovo insieme di fisica. Poiché viviamo in un solo universo con un insieme di fisica, solo una di queste configurazioni può essere la nostra. Ma non sappiamo quale sia. Un problema: sembra che gli universi che consentono l’energia oscura causata da un campo quantistico non siano compatibili con alcune cose che sappiamo sulla teoria delle stringhe.

L’enigma si può risolvere, come? Se l’energia oscura esiste allora è la teoria delle stringhe a non avere consistenza nel nostro universo. Come risolvere questo dilemma? Forse non stiamo pensando all’energia oscura nel modo corretto, come affermato da un recente articolo apparso sul giornale di prestampa arVix. Forse non esiste solo un campo quantistico responsabile dell’energia oscura, ma diversi.

Consentendo a più campi quantistici di generare energia oscura, potrebbe essere possibile che la teoria delle stringhe sia ancora rilevante nel nostro universo, poiché questi modelli potrebbero non essere bloccati nella “palude”. Ma questo significa che dobbiamo trovare le prove che ci sia più di un agente responsabile dell’energia oscura.

Si scopre che in questi modelli che generano energia oscura, fanno si che la stessa energia oscura si accumuli su se stessa, il che significa che puoi viaggiare per l’universo e trovare “macchie” di energia oscura inferiore alla media o superiore alla media. In totale, in tutto il cosmo, l’effetto su larga scala è sempre lo stesso (vale a dire, espansione accelerata), ma un eccesso di energia oscura in un punto o un deficit in un altro potrebbero influenzare il modo in cui le strutture più grandi dell’universo, come ammassi di galassie e grandi vuoti cosmici, crescono ed evolvono.

Non abbiamo ancora la sensibilità per misurare queste differenze di energia oscura, ma esperimenti futuri come il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA potrebbero fornire alcune intuizioni, aiutandoci a determinare se viviamo davvero nella palude o no.