Possiamo elaborare una teoria in cui si presume che spazio e tempo non esistano?

In alcune versioni della gravità quantistica, il tempo stesso si condensa in esistenza

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Nell’ultimo decennio si è sviluppato un campo della fisica che postula l’esistenza di misteriose entità algebriche chiamate reti di spin. Queste reti – proposte come materiale costitutivo dello spazio e del tempo – si sono condensate per produrre l’Universo come lo conosciamo. Tale condensazione ha portato all’evento che attualmente chiamiamo Big Bang, dando al campo il suo nome: cosmologia della condensa.

Può sembrare un’idea strana, ma sappiamo già che l’Universo funziona in modi molto strani.

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L’idea, tecnicamente definita “cosmologia condensata della teoria dei campi di gruppo (GFT)“, è un ramo della gravità quantistica, un campo della fisica che mira a stabilire i fondamenti di tutto ciò che esiste, dalla luce e dalla materia allo spazio e al tempo.

È un’idea completamente basata su calcoli teorici ed è totalmente non testata per ora. La cosmologia della condensa richiede una grande quantità di ragionamenti astratti per cercare persino di capirla.

Nonostante queste sfide, la gravità quantistica ha attirato molta attenzione da alcune delle menti più acute di tutta la fisica. Le sue idee sono audaci, altamente creative e straordinariamente fantasiose.

Perché la gravità quantistica?

La Gravità quantistica è stata formulata per affrontare uno dei problemi più grandi in tutta la fisica: la necessità di unire le due grandi teorie della XX secolo, la relatività generale e la meccanica quantistica.

La prima presenta una struttura per comprendere il mondo in termini di spazio e tempo. La relatività generale introduce l’idea che il tempo è relativo e che la gravità stessa esiste a causa di uno spazio-tempo curvo. Come Einstein comprese per primo, una palla non cade sulla Terra perché è attratta dalla sua massa, come sosteneva Newton, ma cade a causa dell’esistenza di un campo spazio-temporale che permea l’Universo e curva attorno a grandi oggetti.

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La meccanica quantistica è una teoria ancora piena di misteri ma incredibilmente accurata che descrive il mondo dell’incredibilmente piccolo. Ci dice che particelle e campi esistono in unità discrete che, a causa dell’indeterminazione, possono essere descritte solo probabilisticamente. La teoria descrive anche l’entanglement, il fenomeno sconcertante in cui i sistemi fisici possono essere così intrecciati tra loro da perdere la loro realtà individuale indipendente e iniziare a obbedire a regole che si applicano a un collettivo.

Per quanto ne sappiamo, queste due teorie sono entrambe giuste e in conflitto. La loro esistenza simultanea genera un paradosso, il che significa che la fisica è, in un certo senso, in disordine. Mentre la meccanica quantistica si occupa della realtà in modo discreto e granulare, la relatività ci dice che lo spazio-tempo, e quindi la gravità, è continuo e non discreto. 

Un modo di affrontare questo disordine è dare la precedenza a una delle teorie. Poiché sappiamo che il mondo è quantistico, la relatività generale deve essere un’approssimazione di una descrizione quantistica sottostante dello spazio-tempo stesso. E questo suggerisce che qualsiasi unificazione delle teorie richiede che la gravità diventi discreta.

Sviluppo del GPL

Negli ultimi decenni, un ramo della gravità quantistica chiamato Loop Quantum Gravity (LQG) ha mostrato un potenziale nel risolvere la sfida di rendere la gravità discreta. Il GPL inizia con le equazioni di campo di Einstein, ma dà un’occhiata più da vicino a cosa potrebbe nascondersi sotto la superficie dello spazio-tempo. La matematica ha prodotto una miriade di oggetti geometrici discreti,  inclusi anelli, reticoli e poligoni, disposti in varie costruzioni chiamate reti di spin e schiume di spin. Insieme, possono descrivere la struttura della realtà stessa: queste stranezze geometriche del GPL non esistono nello spazio e nel tempo, ma piuttosto  sono spazio e tempo e quindi gli stessi componenti della gravità stessa.

Mentre i recenti progressi hanno notevolmente elaborato il GPL, l’idea ha una lunga storia. La dicotomia tra relatività generale e meccanica quantistica divenne evidente nel corso del XX secolo, nel periodo tra le due guerre. Ciò ha generato approcci alla gravità quantistica che sono stati sviluppati prendendo la relatività generale e usando diversi metodi per quantizzarla. Ma l’approccio a questo problema è cambiato negli anni ’70 e ’80, quando i fisici hanno iniziato a imparare nuove cose dalla fisica semi-classica, secondo quanto riferisce Daniele Oriti, leader del gruppo Heisenberg presso il Centro di fisica teorica Arnold Sommerfeld, Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco.

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Secondo quanti racconta Oriti, a quel tempo, le idee emergenti sui buchi neri si concentravano sull’uso della meccanica quantistica per descrivere i campi della materia intorno a loro. Questo lavoro ha suggerito che i teorici potrebbero aver bisogno di un approccio nuovo e più radicale alla gravità quantistica; piuttosto che semplicemente quantificare la relatività generale, potrebbe essere necessario un nuovo modo di comprendere la natura dello spazio-tempo a livello microscopico. 

Queste idee derivate dai buchi neri suggeriscono che il campo gravitazionale stesso non è realmente fondamentale, indipendentemente dal fatto che sia classico o quantistico. Invece, è diventato evidente che il campo gravitazionale potrebbe essere una manifestazione di qualcosa di più fondamentale, qualcosa che non assomiglia affatto a un campo e quindi non può essere descritto in modi spazio-temporali standard. 

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In questo periodo iniziarono ad emergere nuovi approcci alla gravità quantistica, come il GQ. Negli anni ’90 fino agli anni 2000, il GPL ha guadagnato molta credibilità tra un numero crescente di fisici teorici. “Una cosa che il GPL ha raggiunto è stata una proposta precisa di come lo spazio-tempo possa guardare a un livello più fondamentale“, afferma Oriti. “È stato scoperto che, almeno secondo la teoria, le entità di base dello spazio e del tempo non assomigliano affatto al campo gravitazionale come lo conosciamo. In LQG chiamiamo queste entità spin-reti di base, che sono oggetti algebrici discreti”.

LQG come alternativa alla teoria delle stringhe

Alla base, LGQ è in conflitto con la teoria delle stringhe, il quadro teorico incentrato sulle particelle che mira anche a unificare la relatività generale e la meccanica quantistica. Nella teoria delle stringhe, si presume generalmente uno spazio-tempo, il presupposto stesso che la gravità quantistica mira a spiegare. Dal punto di vista del GPL, lo spazio e il tempo devono emergere in una teoria di successo della gravità quantistica, anziché essere una componente iniziale.

La teoria delle stringhe ha molti punti di forza. Gran parte del lavoro svolto in fisica teorica presuppone uno spazio-tempo, quindi questo non è un problema specifico della teoria delle stringhe. E ci sono buone ragioni per questo: senza un quadro spazio-temporale, è molto difficile dire qualcosa sul mondo reale. Questo però crea problemi per LQG. Poiché esso e gli approcci correlati come la teoria dei campi di gruppo non assumono uno spazio-tempo, diventa difficile ricollegare la teoria fondamentale a qualsiasi fisica ben compresa.

Ciò non significa che i teorici delle stringhe neghino l’idea che lo spazio-tempo non può essere fondamentale“, afferma Oriti. “Quando lavoriamo sulla gravità quantistica – qualunque sia l’approccio – e ci confrontiamo davvero francamente, concordiamo su molti dei punti principali. Ma per quelli di noi che stanno lavorando sulla gravità quantistica e che mirano a raggiungere la struttura microscopica della realtà, riteniamo che qualsiasi esplicita dipendenza dallo spazio-tempo sia un peso concettuale e tecnico e tendiamo a reagire negativamente alla sua implementazione“.

Da parte loro, i teorici delle stringhe spesso reagiscono negativamente a gran parte del lavoro svolto in LQG, sostenendo che, senza uno spazio-tempo, non si può nemmeno dire che si sta lavorando sulla gravità.

Entrambi i gruppi hanno ragione a modo loro.

Penso che le persone coinvolte nello studio della gravità quantistica, come me e quelle che lavorano sulla teoria delle stringhe, siano molto disponibili a sedersi e lavorare insieme. Non vi è alcuna ragione ovvia per cui questi diversi approcci non possano essere compatibili. Potrebbe anche esserci un modo per collegare diversi approcci o diversi formalismi. Semplicemente non lo sappiamo“. Ad esempio, Oriti non può escludere l’idea che, se si arrivasse un quadro emergente di spazio-tempo (sia tramite LQG o qualche teoria correlata), potrebbe riflettere alcune delle idee suggerite dalla teoria delle stringhe.

Cosmologia della condensa GFT

Secondo Oriti, il campo della gravità quantistica ora ha bisogno di idee più radicali per avanzare. Questo perché è necessario qualcosa di nuovo per avvicinare le idee al GQ, che è stato sviluppato su scala microscopica, fino alla scala dell’Universo nel suo insieme. Negli ultimi dieci anni ha guidato la ricerca nella direzione della cosmologia dei condensati della Group Field Theory (GFT), che propone che l’Universo così come lo conosciamo sia nato attraverso una sorta di processo idrodinamico di condensazione.

Si può pensare a questo processo nella cosmologia dei condensati di GFT come analogo al vapore“, afferma. “Il vapore è una fase in cui le entità che costituiscono tutto lo spazio – o atomi dello spazio, come li chiamiamo – possono trovarsi a condensarsi in acqua, che è la nostra analogia con lo spazio-tempo“.

Secondo questa versione di LQG, una volta che questa transizione ha luogo, ad esempio all’inizio dell’Universo, nascono i costrutti familiari dello spazio e del tempo. Stranamente, nel parlare di “transizione” o “inizio” si assume implicitamente la nozione di tempo o un processo che si sta verificando nel tempo. Nel contesto di queste idee, dobbiamo imparare a dimenticarlo.

La studentessa di dottorato di Oriti, Isha Kotecha, afferma che gran parte del loro lavoro prevede la riflessione sui sistemi gravitazionali classici in termini di termodinamica statistica, il ramo della fisica che si occupa di calore e temperatura. “Ci sono due ragioni per cui possiamo pensare alla gravità termodinamicamente: in primo luogo, le leggi della meccanica classica del buco nero suggeriscono già una relazione tra gravità e termodinamica, suggerendo che più in generale possiamo pensare allo spazio-tempo come a un sistema termodinamico. Questo è ciò che chiamiamo la termodinamica della gravità”.

In secondo luogo, sappiamo che i sistemi termodinamici macroscopici hanno una microstruttura quantistica sottostante, quindi per uno spazio-tempo termodinamico, una cosa naturale da fare è studiare la meccanica statistica delle sue entità fondamentali della gravità quantica“.

Kotecha spiega che le variabili matematiche richieste per una descrizione idrodinamica della cosmologia dei condensati GFT hanno origini statistiche e termodinamiche. Esempi di questi includono i campi di densità numerica e la temperatura di un fluido. Ad esempio, un fluido può essere più freddo e più denso in un punto rispetto ad un altro; per descrivere la dinamica di tali sistemi mentre si evolvono, si deve prima definire queste differenze. È qui che entrano in gioco la meccanica statistica e la termodinamica.

L’idea è che abbiamo bisogno di tecniche statistiche per descrivere adeguate variabili collettive a livello di spaziotempo emergente“, afferma.

Oriti e il suo team hanno finora dimostrato con successo che un condensato di rete di spin come descritto dal GFT può essere caratterizzato usando una funzione matematica che ha le stesse caratteristiche della cosiddetta funzione d’onda dell’Universo. Nella cosmologia quantistica, questa funzione d’onda fornisce un’indicazione della probabilità che l’Universo abbia una certa forma o geometria. Il fatto che la matematica di Oriti produca qualcosa che somigli a questo dà all’approccio una certa credibilità. Quindi, da questo punto di vista, sembra che il condensato potrebbe essere interpretato come rappresentante dell’Universo su scale molto grandi.

Le idee sono anche in grado di produrre un grande rimbalzo, un evento in cui l’Universo contratto fino a quando non ha raggiunto un punto in cui è esploso di nuovo verso l’esterno, producendo la nostra realtà attuale. Questo comportamento si riscontra anche in altre aree della fisica cosmologica, aggiungendo credibilità all’approccio GFT.

Mettere alla prova la teoria

Oriti e Kotecha sospettano entrambi che qualsiasi svolta nel loro campo avverrà attraverso l’osservazione e le sperimentazioni cosmologiche. Il segno distintivo della buona scienza, dopo tutto, è una teoria che è testabile.

L’Universo potrebbe essere collegato alla cosmologia della condensa?

Una possibilità è quella di introdurre perturbazioni nella matematica sottostante alla GFT e vedere se sono in grado di produrre qualcosa come il Cosmic Microwave Background (CMB), il residuo della radiazione elettromagnetica prodotto poco dopo l’inizio dell’Universo. Se le spin-network e le spin-foam sottostanti del GFT sono in grado di riprodurre il CMB, Oriti avrà un modo reale e fattibile per testare le sue idee. Un altro modo in cui pensa di procedere è introdurre nei suoi modelli perturbazioni che potrebbero produrre onde gravitazionali.

I due teorici – insieme a molti altri nel settore – sperano che, nel tempo, ci saranno importanti progressi in uno (o più di uno) degli approcci alla gravità quantistica. I fisici troveranno una caratteristica universale, o almeno comune, a molti approcci e un modo per connettersi a osservazioni ed esperimenti. Forse i ricercatori si renderanno conto che alcune delle osservazioni già disponibili possono essere spiegate da meccanismi comuni a diversi approcci alla gravità quantistica.

È impossibile sapere se una qualsiasi delle idee attuali su LQG o GFT raggiungerà un vero successo nella lunga strada per produrre una teoria praticabile e verificabile. Ma una cosa è certa; c’è un merito nella ricerca di una verità fondamentale anche se, per ora, si trova oltre le nostre attuali nozioni di spazio e tempo.