Spazio e Tempo hanno un’origine quantistica?

Rod Serling sapeva tutto sulle dimensioni. La sua Twilight Zone era una dimensione dell’immaginazione, una dimensione della vista, del suono e della mente, una dimensione vasta come lo spazio e senza tempo come l’infinito. Era tutto molto chiaro tranne che per la parte spazio e tempo, le dimensioni della vita reale, Serling non li ha mai spiegati.

Naturalmente, dal tempo di Einstein, gli scienziati si sono chiesti come dare un senso a spazio e tempo. Prima di allora, quasi tutti pensavano che Isaac Newton avesse capito tutto. Il tempo “scorre equamente senza relazione con qualcosa di esterno“, dichiarò. Lo spazio assoluto è la stessa cosa, “sempre simile e immobile“. Niente da scoprire. Gli eventi della realtà fisica si svolgono indipendentemente su un palcoscenico neutro in cui gli attori si pavoneggiano e si agitano senza influenzare il resto del teatro.

Spazio e Tempo

Le teorie di Einstein, però, trasformarono spazio e tempo assoluti di Newton in un mash-up relativistico: le sue equazioni suggerivano uno spazio-tempo fuso, una nuova sorta di arena in cui i giocatori alterano lo spazio del campo di gioco. Qui avvenne un cambio delle regole del gioco nella fisica. Spazio e tempo non sono più uno sfondo informale per materia ed energia. Precedentemente indipendenti e uniformi, Sspazio e tempo sono diventati inseparabili e variabili. E come Einstein dimostrò nella sua teoria generale della relatività, la materia e l’energia deformano lo spazio-tempo che li circondano.

Questa semplice (!) verità ha spiegato la gravità. L’apparente forza di attrazione di Newton con Einstein divenne un’illusione perpetrata dalla geometria di spazio e tempo. È la forma dello spaziotempo a dettare il movimento dei corpi massicci, una giustizia simmetrica poiché corpi enormi determinano la forma dello spazio-tempo.

La verifica della rivoluzione dello spaziotempo di Einstein avvenne un secolo fa, quando l’osservazione di un’eclissi confermò la predizione principale della teoria della relatività generale (una quantità precisa di deviazione della luce che passa vicino al bordo di un corpo enorme, in questo caso il Sole). Ma lo spaziotempo è rimasto misterioso. Dato che era qualcosa piuttosto che niente, era naturale chiedersi da dove venisse.

Ora una nuova rivoluzione è sul punto di rispondere a questa domanda, basata sulle intuizioni dell’altra grande sorpresa della fisica del secolo scorso: la meccanica quantistica. La rivoluzione di oggi offre il potenziale per l’ennesima riscrittura del curriculum di spazio e tempo, con il vantaggio di spiegare forse perché la meccanica quantistica sembra così strana.

“Lo spazio-tempo e la gravità devono alla fine emergere da qualcos’altro“, scrive il fisico Brian Swingle sulla Rivista annuale sulla fisica della materia condensata del 2018. Altrimenti è difficile vedere come la gravità di Einstein e la matematica della meccanica quantistica possano riconciliare la loro lunga incompatibilità. La visione di Einstein della gravità come manifestazione della geometria dello spazio-tempo ha avuto un enorme successo. Ma così è stato anche per la meccanica quantistica, che descrive le interazioni tra  materia ed energia sulla scala atomica con precisione infallibile. I tentativi di trovare una matematica coerente che soddisfi la stranezza quantistica con la gravità geometrica, tuttavia, hanno incontrato formidabili ostacoli tecnici e concettuali.

Almeno questo è stato a lungo così per i tentativi di comprendere lo spaziotempo ordinario. Ma gli indizi su un possibile percorso di progresso sono emersi dallo studio teorico delle geometrie dello spazio-tempo alternate, pensabili in linea di principio ma con proprietà insolite.

Spazio anti de Sitter e dimensioni

Una di queste geometrie alternate, nota come spazio anti de Sitter, è stranamente curvo e tende a collassare su sé stesso, piuttosto che espandersi come fa l’universo in cui viviamo. Non sarebbe un bel posto in cui vivere. Ma come laboratorio per studiare le teorie sulla gravità quantistica, ha molto da offrire. “La gravità quantistica è così ricca e confusa che persino gli universi in miniatura possono gettare una luce enorme sulla fisica“, scrive Swingle, dell’Università del Maryland.

Gli studi sullo spazio anti de Sitter suggeriscono, per esempio, che la matematica che descrive la gravità (cioè la geometria dello spaziotempo) può essere equivalente alla matematica della fisica quantistica in uno spazio definito da una dimensione in meno. Pensiamo a un ologramma: una superficie piatta bidimensionale che incorpora un’immagine tridimensionale. In modo simile, forse, la geometria quadridimensionale dello spaziotempo potrebbe essere codificata nella matematica della fisica quantistica che opera in tre dimensioni. O, forse, sono necessarie più dimensioni; quante dimensioni sono necessarie è parte del problema da risolvere.

In ogni caso, indagini lungo queste linee hanno rivelato una possibilità sorprendente: lo stesso spazio-tempo può essere generato dalla fisica quantistica, in particolare dal fenomeno sconcertante noto come entanglement quantistico.

Come spiegato diffusamente, l’entanglement è una connessione spettrale che collega particelle separate anche da grandi distanze.

Se emesse da una fonte comune, queste particelle restano connesse tra loro indipendentemente da quanto lontano si trovino l’una dall’altra. Se si misura una proprietà (come lo spin o la polarizzazione) per una di esse, il risultato della stessa misura sarà uguale anche per l’altra. Ma prima della misurazione, quelle proprietà non sono già determinate, un fatto controintuitivo verificato da molti esperimenti. Sembra che la misurazione in un punto determini quale sarà la misurazione in un’altra posizione distante.

Questa è la proposta che l’attuale ricerca sui modelli degli universi in miniatura ha ispirato. “L’emergere di spazio e tempo e della gravità è un fenomeno misterioso della fisica quantistica dei molti corpi che vorremmo capire“, suggerisce Swingle nel suo documento di revisione annuale.

Lo sforzo di molti fisici di alto livello ha prodotto prove teoriche che reti di stati quantici intrappolati intrecciano il tessuto dello spaziotempo. Questi stati quantistici sono spesso descritti come “qubit“, bit di informazioni quantistiche (come bit di computer ordinari, ma esistenti in un mix di 1 e 0, non semplicemente 1 o 0).

I qubit entangled creano reti con la geometria nello spazio con una dimensione extra oltre il numero di dimensioni in cui i qubit vivono. Quindi la fisica quantistica dei qubit può essere equiparata alla geometria di uno spazio con una dimensione extra.

Meglio ancora, la geometria creata dai qubit entangled può benissimo obbedire alle equazioni della relatività generale di Einstein che descrivono il movimento dovuto alla gravità – almeno gli ultimi punti di ricerca in quella direzione. “Apparentemente, una geometria con le giuste proprietà costruite dall’entanglement deve obbedire alle equazioni gravitazionali del moto“, scrive Swingle. “Questo risultato giustifica ulteriormente l’affermazione che spazio e tempo nascono dall’entanglement“.

Tuttavia, resta da dimostrare che gli indizi trovati negli universi in miniatura con dimensioni extra porteranno alla storia vera per lo spazio-tempo ordinario. Nessuno sa veramente esattamente quali processi quantistici nel mondo reale ssono responsabili della tessitura del tessuto dello spaziotempo.

Forse alcune delle ipotesi fatte finora nei calcoli si riveleranno errate. Ma potrebbe essere che la fisica sia sull’orlo di scrutare più profondamente nelle fondamenta della natura come mai prima d’ora, in un’esistenza che contiene dimensioni di spazio e tempo (o vista e suono) precedentemente sconosciute che potrebbero trasformarsi nella The Twilight Zone di un Reality TV.