La sfida della teoria del tutto: l’IA apre nuove frontiere

Il Dr. Kent Yagi dell’Università della Virginia, grazie al supporto di una prestigiosa borsa di studio CAREER della National Science Foundation, sta utilizzando l’intelligenza artificiale (IA) per affrontare una nuova sfida sulla teoria del tutto.

Teoria del tutto: conciliare relatività e quantistica
Teoria del tutto: conciliare relatività e quantistica

Teoria del tutto, una nuova speranza con l’intelligenza artificiale

La ricerca di una teoria del tutto, che risale a prima di Archimede e significativamente avanzata nel secolo scorso attraverso la teoria della relatività generale di Albert Einstein e la meccanica quantistica, ha incontrato una sfida importante a causa della sua spiegazione contrastante sulla gravità.

La ricerca innovativa di Kent Yagi presso l’Università della Virginia, utilizzando l’intelligenza artificiale e sostenuta da una prestigiosa borsa di studio CAREER della National Science Foundation, mira a colmare questo divario, offrendo nuove conoscenze sulla gravità e sulle forze fondamentali dell’universo, migliorando al tempo stesso l’educazione STEM attraverso la comunità e sensibilizzazione educativa.

Molto prima che Archimede avesse suggerito che tutti i fenomeni a noi osservabili potessero essere comprensibili attraverso principi fondamentali, gli esseri umani hanno immaginato la possibilità di una teoria del tutto.

Nel corso dell’ultimo secolo, i fisici si sono avvicinati sempre più alla soluzione di questo mistero. La teoria della relatività generale di Albert Einstein ha fornito una solida base per comprendere il Cosmo su larga scala, mentre la meccanica quantistica ci ha consentito di coglierne il funzionamento a livello subatomico. Il problema è che i due sistemi non concordano su come funziona la gravità.

Oggi, l’intelligenza artificiale ha offerto una nuova speranza agli scienziati che affrontano importanti problematiche computazionali coinvolte nello svelare i misteri di qualcosa di così complesso come l’Universo e tutto quello che contiene, e Kent Yagi, professore associato presso il College e la Graduate School of Arts & Sciences ha condotto una partnership di ricerca tra fisici teorici e fisici computazionali presso l’UVA, che potrebbe offrire nuove informazioni sulla possibilità di una teoria del tutto o, almeno, una migliore comprensione della gravità, una delle forze fondamentali dell’Universo.

Il lavoro gli è valso una borsa di studio alla CARRIERA da parte della National Science Foundation, uno dei premi più prestigiosi a disposizione dei giovani ricercatori ed educatori più promettenti della nazione.

La teoria del tutto ci ha aiutato a comprendere meglio l'universo
La teoria del tutto ci ha aiutato a comprendere meglio l’universo

La ricerca di una teoria del tutto: gli scienziati mettono alla prova Einstein

Un aspetto della teoria della relatività generale di Einstein è che gli oggetti che si muovono nello spazio generano onde, proprio come una barca che si muove nell’acqua, ma anche quando quelle onde sono create da pianeti, stelle e galassie, o anche da buchi neri che possono creare le più forti forze gravitazionali, sono ancora incredibilmente piccoli. Di conseguenza, quasi cento anni dopoEinstein ha pubblicato per la prima volta le sue idee sulle onde gravitazionali e sono stati sviluppati i mezzi tecnologici per osservarle.

Nel 2015, un programma noto come LIGO, o Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, uno dei più grandi progetti mai finanziati dalla NSF, ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, cosa che ha portato a un premio Nobel per la fisica per i leader del progetto.

Con l’avanzare della tecnologia necessaria per osservare i fenomeni subatomici, è avanzata anche la capacità di calcolo necessaria per elaborare enormi quantità di dati che gli astronomi hanno raccolto sull’universo. Inoltre, i nuovi sviluppi nell’apprendimento automatico e nell’intelligenza artificiale negli ultimi anni stanno consentendo agli scienziati di creare e testare modelli matematici complessi che descrivono il fenomeno che osservano a un ritmo e a un tempo inimmaginabile.

Yagi ha studiato le massicce onde gravitazionali generate da coppie di buchi neri e stelle di neutroni binarie – alcuni degli oggetti più densi dell’universo che sono fino a 1013 volte più potenti di un tipico magnete da frigorifero- e ha usato questi fenomeni per testare le teorie di Einstein sulla gravità e sondare le leggi fondamentali della fisica nucleare alla ricerca di informazioni che aiutino a risolvere la disconnessione tra la teoria di Einstein e la meccanica quantistica.

La sovvenzione CARRIERA, che porterà 400.000 dollari in finanziamenti al College nei prossimi cinque anni, creerà opportunità per gli attuali e futuri studenti laureati interessati a sviluppare e applicare algoritmi di apprendimento automatico che aiuteranno a spiegare e prevedere le osservazioni delle onde gravitazionali e a dare una visione più profonda del comportamento della gravità.

Una volta che gli algoritmi computazionali saranno messi a punto – un processo che dovrebbe richiedere solo poche settimane – il team di Yagi sarà in grado di elaborarlo cento volte più velocemente.

Uno dei requisiti del premio CARRIERA è che i destinatari integrino nel loro lavoro anche progetti educativi e di sensibilizzazione della comunità, e una parte dei finanziamenti creerà posti di lavoro per studenti universitari che lavoreranno con Yagi per sviluppare software didattici per studenti delle scuole superiori interessati alla fisica, che ispirerà la prossima generazione di scienziati vincitori del premio Nobel.

Sfida alla teoria del tutto: le due facce della fisica
Sfida alla teoria del tutto: le due facce della fisica

Quanto questo ci porterà più vicini a una teoria del tutto?

Yagi ha dichiarato: “Ci sono ancora molti problemi da risolvere, spero di vederlo nel corso della mia vita, ma non voglio essere troppo ottimista. Dimostrare una teoria è quasi impossibile, ci sarà sempre un errore di misurazione in qualsiasi esperimento, ma continueremo a provare a vedere se troviamo qualche prova per confutare la relatività generale“.

Il lavoro di Yagi e l’attenzione che sta ricevendo hanno ricevuto elogi dai suoi colleghi e leader della UVA.

Phil Arras, presidente del Dipartimento di Astronomia dell’UVA ha affermato: “Recentemente c’è stata una grande spinta per comprendere meglio le onde gravitazionali non solo come previsione o concetto teorico, ma per essere in grado di rilevarle direttamente. Questo sforzo ha aperto una finestra completamente nuova sull’universo e ci ha dato un nuovo modo per verificare le nostre teorie su come si evolvono le stelle. La ricerca di Kent è stata molto importante per la nostra comprensione di questo aspetto”.

Despina Louca, presidente del Dipartimento di Fisica dell’UVA, ha definito Yagi un astrofisico molto rispettato con un vasto portafoglio di ricerca: “Kent è un educatore coinvolgente e un mentore ricercato, il cui lavoro ha avuto un impatto enorme in diverse discipline della fisica. Sta aprendo la strada all’uso dell’apprendimento automatico per testare la teoria del tutto mentre esplora le proprietà astrofisiche delle stelle di neutroni, e il suo lavoro con gli studenti della UVA ispireranno i giovani di tutto il mondo”.

Christa Acampora, preside del College and Graduate School of Arts & Sciences ha concluso: “Il lavoro del professor Yagi è notevole, siamo orgogliosi di averlo come membro della nostra facoltà, non solo per il riconoscimento che sta ricevendo mentre avanza nel confini della nostra comprensione dell’universo e della teoria del tutto ma anche per il suo impegno per l’innovazione nell’istruzione STEM”.

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