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Il problema fondamentale con la gravità e la fisica quantistica

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Qualunque cosa tu abbia sentito, non commettere errori: la fisica non è “finita” in nessun senso. Per quanto lontano siamo arrivati ​​nei nostri tentativi di dare un senso al mondo e all’Universo che ci circonda – e siamo arrivati ​​molto lontano – è assolutamente falso fingere di aver risolto e compreso il mondo naturale che ci circonda in modo soddisfacente. Abbiamo due teorie che funzionano incredibilmente bene: in tutti gli anni in cui le abbiamo testate, non abbiamo mai trovato una singola osservazione o effettuato una singola misurazione sperimentale che sia in conflitto con la Relatività Generale di Einstein o con le previsioni del Modello Standard della fisica della particelle.

Se vuoi sapere come funziona la gravitazione o quali saranno i suoi effetti su qualsiasi oggetto nell’Universo, la Relatività Generale non ci ha ancora deluso. Dagli esperimenti da tavolo agli orologi atomici, dalla meccanica celeste alle lenti gravitazionali per la formazione della grande rete cosmica, la sua percentuale di successo è del 100%. Allo stesso modo, per qualsiasi esperimento di fisica delle particelle o interazione concepibile, mediata tramite la forza forte, debole o elettromagnetica, le previsioni del Modello Standard sono sempre risultate in accordo con i risultati. Nei propri ambiti, la Relatività Generale e il Modello Standard possono rivendicare ciascuno di essere la teoria fisica di maggior successo di tutti i tempi.

Ma c’è un enorme problema fondamentale al centro di entrambe le teorie: semplicemente non funzionano insieme. Se vuoi che il tuo Universo sia coerente, questa situazione semplicemente non funzionerà. Ecco il problema fondamentale al centro della fisica nel 21° secolo.

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Da un lato, la Relatività Generale, la nostra teoria della gravità, era un concetto radicale quando è uscita per la prima volta: così radicale che è stata attaccata da molti su basi sia filosofiche che fisiche per molti decenni.

  • Come potrebbero lo spazio e il tempo non essere quantità assolute; come potrebbero essere diversi per ognuno a seconda delle proprietà particolari di chi lo sta osservando?
  • Come potrebbe la gravitazione tra due oggetti non essere istantanea; come può questa interazione propagarsi solo a una velocità finita uguale alla velocità della luce?
  • Come potrebbe la gravità non solo influenzare le masse, ma tutte le forme di energia, compresi gli oggetti privi di massa come la luce?
  • Al contrario, come potrebbero tutte le forme di energia, non solo la massa, influenzare il modo in cui tutti gli altri oggetti nell’Universo hanno sperimentato gli effetti della gravità?
  • E come potrebbe esserci una geometria sottostante, deformata e curva nell’Universo che determini il modo in cui gli oggetti si muovono?

Indipendentemente da come qualcuno avrebbe potuto pensare, la teoria della relatività generale ha portato con sé il comportamento dei fenomeni fisici nell’Universo. Basata su un’intera suite di esperimenti e osservazioni, la Relatività Generale si è rivelata una descrizione dell’Universo di notevole successo, riuscendo in ogni condizione immaginabile che siamo stati in grado di testare, mentre nessun’altra teoria alternativa lo fa.

I risultati della spedizione di Eddington del 1919 mostrarono, in modo conclusivo, che la teoria generale della relatività descriveva la curvatura della luce stellare attorno a oggetti massicci, rovesciando l’immagine newtoniana. Questa fu la prima conferma osservativa della teoria della gravità di Einstein. ( Credito : London Illustrated News, 1919)

Ciò che la Relatività Generale ci dice è che la materia e l’energia nell’Universo – in particolare, la densità di energia, la pressione, la densità di quantità di moto e lo stress di taglio presenti nello spaziotempo – determinano la quantità e il tipo di curvatura dello spaziotempo presente in tutte le quattro dimensioni: le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale. Come risultato di questa curvatura dello spaziotempo, tutte le entità che esistono in questo spaziotempo, comprese (ma non limitate a) tutte le particelle massicce e prive di massa, si muovono non necessariamente lungo linee rette, ma piuttosto lungo geodetiche: i percorsi più brevi tra due punti qualsiasi definiti dallo spazio curvo tra di loro, piuttosto che uno spazio piatto (erroneamente) presunto.

Laddove la curvatura spaziale è ampia, le deviazioni dai percorsi in linea retta sono grandi e anche la velocità con cui passa il tempo può dilatarsi in modo significativo. Esperimenti e osservazioni in laboratorio, nel nostro Sistema Solare e su scala galattica e cosmica lo confermano in grande accordo con le previsioni della Relatività Generale, fornendo ulteriore supporto alla teoria.

Solo questa immagine dell’Universo, almeno finora, funziona per descrivere la gravitazione. Lo spazio e il tempo sono trattati come entità continue, non discrete, e questa costruzione geometrica deve fungere da spazio-tempo “di sfondo” in cui hanno luogo tutte le interazioni, inclusa la gravitazione.

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Le particelle e le antiparticelle del Modello Standard obbediscono a tutti i tipi di leggi di conservazione, ma mostrano anche differenze fondamentali tra le particelle fermioniche e le antiparticelle e quelle bosoniche. Sebbene esista una sola “copia” del contenuto bosonico del Modello Standard, esistono tre generazioni di fermioni del Modello Standard. Nessuno sa perché. Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Dall’altra parte, c’è il Modello Standard della fisica delle particelle. Originariamente formulato partendo dal presupposto che i neutrini fossero entità prive di massa, il Modello Standard si basa sulla teoria quantistica dei campi, dove sono presenti:

  • quanti fermionici (particelle) che hanno cariche,
  • quanti bosonici (anche particelle) che mediano le forze tra le particelle con la relativa carica,
  • e un vuoto (quantistico) dello spaziotempo attraverso il quale tutti i quanti viaggiano e interagiscono.

La forza elettromagnetica si basa su cariche elettriche, quindi tutti e sei i quark ed i tre leptoni carichi (elettrone, muone e tau) sperimentano tutti la forza elettromagnetica, mentre il fotone senza massa la media.

La forza nucleare forte si basa sulle cariche di colore e solo i sei quark le possiedono. Ci sono otto gluoni senza massa che mediano la forza forte e nessun’altra particella è coinvolta in essa.

La forza nucleare debole, nel frattempo, si basa sull’ipercarica debole e sull’isospin debole, e tutti i fermioni possiedono almeno uno dei due. L’interazione debole è mediata dai bosoni W e Z e anche i bosoni W possiedono cariche elettriche, il che significa che sperimentano la forza elettromagnetica (e possono scambiare fotoni).

C’è una regola nella fisica quantistica secondo cui tutti gli stati quantistici identici sono indistinguibili l’uno dall’altro e ciò consente loro di mescolarsi insieme. La miscelazione dei quark era prevista e quindi confermata, con l’interazione debole che determinava vari parametri di questa miscelazione. Una volta appreso che i neutrini hanno massa e non sono privi di massa come inizialmente previsto, ci siamo resi conto che lo stesso tipo di miscelazione doveva verificarsi per i neutrini, determinata anch’essa dalle interazioni deboli. Questo insieme di interazioni – le forze nucleari elettromagnetiche, deboli e forti, che agiscono sulle particelle che hanno le cariche rilevanti e necessarie – descrive tutto ciò che si potrebbe desiderare per prevedere il comportamento delle particelle in qualsiasi condizione immaginabile.

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E le condizioni in cui lo abbiamo testato sono straordinarie. Dagli esperimenti sui raggi cosmici agli esperimenti di decadimento radioattivo, agli esperimenti solari agli esperimenti di fisica ad alta energia che coinvolgono i collisori di particelle, le previsioni del Modello Standard sono state d’accordo con ogni singolo esperimento di questo tipo mai eseguito. Una volta scoperto, il bosone di Higgs ha confermato la nostra immagine che la forza elettromagnetica e debole una volta erano unificate ad alte energie nella forza elettrodebole, che era la prova definitiva del Modello Standard. In tutta la storia della fisica, non c’è mai stato un risultato che il Modello Standard non potesse spiegare.

Oggi, i diagrammi di Feynman vengono utilizzati per calcolare ogni interazione fondamentale che abbraccia le forze forti, deboli ed elettromagnetiche, comprese le condizioni di alta energia e bassa temperatura/condensate. Le interazioni elettromagnetiche, mostrate qui, sono tutte governate da un’unica particella portatrice di forza: possono verificarsi anche accoppiamenti di fotone, ma debole, forte e di Higgs. Questi calcoli sono difficili da eseguire, ma sono ancora molto più complicati nello spazio curvo, piuttosto che piatto. Credito : VS de Carvalho e H. Freire, Nucl. Phys. B, 2013)

Ma c’è un problema. Tutti i calcoli del Modello Standard che eseguiamo sono basati su particelle che esistono nell’Universo, il che significa che esistono nello spaziotempo. I calcoli che eseguiamo in genere vengono eseguiti partendo dal presupposto che lo spaziotempo sia piatto: un presupposto che sappiamo è tecnicamente sbagliato, ma che è utile, perché i calcoli nello spaziotempo curvo sono molto più difficili di quanto lo siano nello spazio piatto, e simili in buona approssimazione delle condizioni che troviamo sulla Terra, per cui andiamo avanti e facciamo comunque questa approssimazione.

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Dopotutto, questo è uno dei grandi metodi che utilizziamo in fisica: modelliamo il nostro sistema nel modo più semplice possibile per catturare tutti gli effetti rilevanti che determineranno il risultato di un esperimento o di una misurazione. Dire “Sto facendo i miei calcoli di fisica ad alta energia in uno spaziotempo piatto” piuttosto che in uno spaziotempo curvo non ti dà una risposta sensibilmente diversa tranne che nelle condizioni più estreme.

Ma nell’Universo esistono condizioni estreme: nello spaziotempo attorno a un buco nero, per esempio. In queste condizioni, possiamo determinare che l’uso di uno sfondo spazio-temporale piatto semplicemente non va bene e siamo costretti ad assumerci l’erculeo compito di eseguire i nostri calcoli di teoria quantistica dei campi nello spazio curvo.

All’interno di un buco nero, la curvatura dello spaziotempo è così grande che la luce non può sfuggire, né le particelle, in nessuna circostanza. Anche se non abbiamo una comprensione di ciò che accade alle singolarità centrali dei buchi neri stessi, la Relatività Generale di Einstein è sufficiente per descrivere la curvatura dello spazio a più di poche lunghezze di Planck dalla singolarità stessa. Credito : JohnsonMartin/Pixabay)

Potrebbe sorprenderti che, in linea di principio, non sia poi così difficile. Tutto quello che devi fare è sostituire lo sfondo spazio-temporale piatto che usi normalmente per eseguire i tuoi calcoli con lo sfondo curvo come descritto da Relatività generale. Dopotutto, se sai come è curvo il tuo spaziotempo, puoi scrivere le equazioni per lo sfondo e se sai quali quanti/particelle hai, puoi scrivere i termini rimanenti che descrivono le interazioni tra loro in quello spaziotempo. Il resto, sebbene sia piuttosto difficile nella pratica nella maggior parte dei casi, è semplicemente una questione di potenza di calcolo.

Puoi descrivere, ad esempio, come si comporta il vuoto quantistico all’interno e all’esterno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Poiché ci si trova in una regione in cui lo spaziotempo è curvo tanto più ci si avvicina alla singolarità di un buco nero, il vuoto quantistico differisce in modo calcolabile. La differenza in ciò che è lo stato del vuoto nelle diverse regioni dello spazio, in particolare in presenza di un orizzonte, sia cosmologico che degli eventi, porta alla produzione di radiazioni e coppie particella-antiparticella ovunque siano presenti campi quantistici. Questa è la ragione fondamentale alla base della radiazione di Hawking: la ragione per cui i buchi neri, in un Universo quantistico, sono fondamentalmente instabili e alla fine decadranno.

Sebbene nessuna luce possa fuoriuscire dall’orizzonte degli eventi di un buco nero, lo spazio curvo al di fuori di esso si traduce in una differenza tra lo stato del vuoto in diversi punti vicino all’orizzonte degli eventi, portando all’emissione di radiazioni tramite processi quantistici. È da qui che provengono le radiazioni di Hawking e, per i buchi neri di massa più piccola, le radiazioni di Hawking porteranno al loro completo decadimento in meno di una frazione di secondo. Anche per i buchi neri di massa più grandi, la sopravvivenza oltre i 10¹⁰³ anni circa è impossibile a causa di questo esatto processo. Credito : Comunicare la scienza dell’UE)

Questo, tuttavia, non ci porta dappertutto. Sì, possiamo far “giocare bene” il Modello Standard e la Relatività Generale in questo modo, ma questo ci permette solo di calcolare come funzionano le forze fondamentali in spazi temporali fortemente curvi che sono sufficientemente lontani dalle singolarità, come quelli al centro dei buchi neri o, in teoria, proprio all’inizio dell’Universo, supponendo che tale inizio sia esistito.

La ragione esasperante è che la gravità colpisce tutti i tipi di materia ed energia. Tutto è influenzato dalla gravitazione, incluse, in teoria, qualunque tipo di particella sia in ultima analisi responsabile della gravitazione. Dato che la luce, che è un’onda elettromagnetica, è composta da singoli quanti sotto forma di fotoni, assumiamo che le onde gravitazionali siano costituite da quanti sotto forma di gravitoni, di cui conosciamo anche molte delle proprietà di particelle in assenza di una teoria quantistica completa della gravitazione.

Ma è proprio quello di cui abbiamo bisogno. Questo è il pezzo mancante: una teoria quantistica della gravità. Senza di essa, non possiamo comprendere o prevedere nessuna delle proprietà quantistiche della gravità. E prima di dire “e se non esistessero“, sappi che in questo caso non potremmo dipingerebbe un’immagine coerente della realtà.

Ad esempio, si consideri il più “intrinsecamente quantistico” di tutti gli esperimenti quantistici che siano mai stati eseguiti: l’esperimento della doppia fenditura. Se invii una singola particella quantistica attraverso l’apparato e osservi quale fenditura attraversa mentre la attraversa, il risultato è completamente determinato, poiché la particella si comporta come se stava per passare/passa attraverso/ha attraversato, la fessura che hai osservato durante ogni passo del percorso. Se quella particella fosse un elettrone, potresti determinare quali fossero i suoi campi elettrici e magnetici durante l’intero viaggio. Potresti anche determinare quale fosse il suo campo gravitazionale (o, equivalentemente, quali fossero i suoi effetti sulla curvatura dello spaziotempo) in ogni momento.

Ma cosa succede se non si osserva da quale fessura passa la particella? Ora la posizione dell’elettrone è indeterminata finché non arriva sullo schermo, e solo allora puoi determinare “dove” si trova. Durante il suo viaggio, anche dopo aver effettuato quella misurazione critica, la sua traiettoria non è completamente determinata. Grazie al potere della teoria quantistica dei campi (per l’elettromagnetismo), possiamo determinare quale fosse il suo campo elettrico. Ma poiché non abbiamo una teoria quantistica della gravitazione, non possiamo determinarne il campo gravitazionale o gli effetti. In questo senso, così come a piccole scale ricche di fluttuazioni quantistiche o a singolarità in cui la Relatività Generale classica fornisce solo risposte senza senso, non comprendiamo appieno la gravitazione.

La gravità quantistica cerca di combinare la teoria generale della relatività di Einstein con la meccanica quantistica. Le correzioni quantistiche alla gravità classica sono visualizzate come diagrammi ad anello, come quello mostrato qui in bianco. Non è ancora deciso se lo spazio (o il tempo) stesso sia discreto o continuo, così come la questione se la gravità sia quantizzata o se le particelle, come le conosciamo oggi, siano fondamentali o meno. Ma se speriamo in una teoria fondamentale del tutto, essa deve includere campi quantizzati, cosa che la Relatività Generale non fa da sola. Credito : Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC)

Funziona in entrambi i modi: poiché non comprendiamo la gravitazione a livello quantistico, ciò significa che non comprendiamo del tutto il vuoto quantistico stesso. Il vuoto quantistico, o le proprietà dello spazio vuoto, è qualcosa che può essere misurato in vari modi. L’effetto Casimir, ad esempio, ci consente di misurare l’effetto dell’interazione elettromagnetica attraverso lo spazio vuoto in una varietà di configurazioni, semplicemente cambiando la configurazione dei conduttori. L’espansione dell’Universo, se la misuriamo su tutta la nostra storia cosmica, ci rivela i contributi cumulativi di tutte le forze all’energia di punto zero dello spazio: il vuoto quantistico.

Ma possiamo quantificare in qualche modo i contributi quantistici della gravitazione al vuoto quantistico?

No. Non capiamo come calcolare il comportamento della gravità ad alte energie, su piccola scala, vicino a singolarità o quando le particelle quantistiche mostrano la loro natura intrinsecamente quantistica. Allo stesso modo, non capiamo come si comporti il ​​campo quantistico alla base della gravità, ammesso che ce ne sia una, in qualsiasi circostanza. Ecco perché i tentativi di comprendere la gravità a un livello più fondamentale non devono essere abbandonati, anche se tutto ciò che stiamo facendo ora si rivelasse sbagliato. Siamo effettivamente riusciti a identificare il problema chiave che deve essere risolto per spingere la fisica oltre i suoi attuali limiti: un enorme risultato che non dovrebbe mai essere sottovalutato. Le uniche opzioni sono continuare a provare o rinunciare. Anche se tutti i nostri tentativi alla fine si rivelassero vani, sarebbe meglio dell’alternativa.

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