Gravita quantistica

gravita quantistica

gravità quantìstica locuz. sost. f. – Teoria che descrive le proprietà quantistiche, cioè gli aspetti microscopici, granulari e probabilistici, del campo gravitazionale. Alla luce delle conoscenze attuali una teoria della g. q. la cui validità fisica sia stata accertata non esiste. Le due grandi rivoluzioni concettuali del 20° secolo, la meccanica quantistica e la relatività generale di Einstein, appaiono infatti incompatibili e la formulazione di una teoria che descriva gli aspetti quantistici dei fenomeni gravitazionali è una sfida importante della ricerca teorica del 21° secolo. Esistono diverse linee di studio che hanno portato ad alcune teorie ipotetiche sulle quali è concentrato l’interesse della ricerca. Fra queste, le più studiate sono la teoria delle stringhe e la teoria dei loop. I fenomeni fisici la cui comprensione necessita di una teoria della g. q. sono contraddistinti da energie molto alte, ossia scale di lunghezze molto piccole, la cui dimensione caratteristica è di circa 10⁻³³ cm (lunghezza di Planck), determinata dalla combinazione delle tre costanti fondamentali che governano rispettivamente i fenomeni gravitazionali (la costante di gravitazione universale di Newton), i fenomeni relativistici (la velocità della luce) e i fenomeni quantistici (la costante di Planck). Per avere un’idea dell’estrema piccolezza di queste scale di lunghezze, si tenga conto che se s’ingrandisse un solo atomo fino a renderlo uguale all’intero Sistema solare e proporzionalmente s’ingrandisse la lunghezza di Planck, questa resterebbe comunque ancora 10.000 volte più piccola dell’atomo di partenza. Fenomeni a tali scale non sono ancora accessibili alla nostra tecnologia e si realizzano soltanto in condizioni estreme. Esempi di situazioni fisiche in cui la g. q. gioca un ruolo importante sono la struttura stessa dello spazio fisico a piccolissima scala, le fasi finali dell’evaporazione di un buco nero, o le fasi iniziali della dinamica dell’Universo vicino al Big Bang.

Spazio e tempo quantistici. – Nell’ambito della g. q., la nozione di spazio come contenitore entro il quale avvengono i fenomeni viene a cadere. Nella relatività generale lo spazio, o meglio lo spazio-tempo, è identificato con il campo gravitazionale e acquista caratteristiche dinamiche; può cioè incurvarsi e cambiare forma come fosse un materiale elastico. Secondo la meccanica quantistica, i campi fisici hanno una struttura granulare a piccola scala e una dinamica che non è deterministica, bensì probabilistica. La combinazione di questi risultati porta all’idea che lo spazio, essendo un campo fisico, abbia anch’esso una struttura granulare e una dinamica probabilistica. Lo spazio fisico descritto dalla g. q. dovrebbe quindi risultare come uno spazio formato di quanti elementari di spazio, o ‘atomi di spazio', la cui evoluzione è determinata da leggi di probabilità. La scala alla quale questi aspetti granulari e probabilistici dello spazio dovrebbero manifestarsi è la scala di Planck. La modifica della nozione di tempo determinata dalla g. q. è ancora più radicale di quella della nozione di spazio. Già nella relatività generale viene a cadere la nozione di un tempo universale e comune nel corso del quale avvengono i fenomeni fisici. In maniera molto più radicale, la variabile tempo sparisce dalle equazioni fondamentali della gravità quantistica. La teoria fisica non descrive più, quindi, l’evoluzione di tutte le variabili fisiche nel tempo, ma soltanto quella relativa delle variabili fisiche, l’una rispetto all’altra. In particolare, nella sua formulazione usuale, la meccanica quantistica richiede l’esistenza di un tempo esterno rispetto al quale è definita l’evoluzione dello stato fisico.

Stringhe e loop. – La teoria delle stringhe (o teoria delle corde) rappresenta il tentativo di costruire una teoria unitaria in cui tutti i fenomeni noti appaiano come manifestazione di un’unica entità fisica; l’ipotesi di partenza è che tale entità possa essere vista come una stringa. A differenza delle particelle, le stringhe sono oggetti microscopici estesi in una dimensione, come appunto piccole cordicelle, sicché tutti gli ingredienti fondamentali del mondo fisico, cioè elettroni, quark, forze elettromagnetiche, gravitazionali ecc., non sarebbero che manifestazioni del loro moto nello spazio. Tale teoria conduce alla stessa fenomenologia della relatività generale, ma senza introdurre quantità che assumono valori infiniti (divergenze ultraviolette), uno dei principali problemi delle tecniche della teoria quantistica di campo. In questo senso, rappresenta una possibile soluzione al problema della gravità quantistica. Nella sua formulazione attuale, la teoria richiede diverse ipotesi fisiche forti, tra le quali l’esistenza di dimensioni supplementari dello spazio fisico, al di là delle tre dimensioni usuali, che potrebbero essere molto piccole e arrotolate su loro stesse a formare uno spazio compatto microscopico. Una difficoltà della teoria è data dalla grande varietà di possibili configurazioni che tale spazio compatto può assumere, ciascuna delle quali determina una teoria effettiva differente, con la conseguenza che quella delle stringhe risulta coerente con un’estrema varietà di conseguenze empiriche, e dunque di scarsa capacità predittiva. Per ora nessuna di queste ipotesi è stata verificata sperimentalmente; nonostante ciò, la teoria delle stringhe resta la più studiata al fine di ottenere una teoria quantistica della gravità. La g. q. a loop, o teoria dei loop (nota anche come g. q. ad anelli) non si propone di comprendere la natura come manifestazione di una sola entità, bensì soltanto di sviluppare un quadro concettuale all’interno del quale i vari aspetti della natura acquisiti fino a oggi, e in particolare la meccanica quantistica e la relatività generale, siano comprensibili in maniera coerente. Essa riguarda quindi solamente lo spazio, il tempo e la forza gravitazionale, e non la totalità degli oggetti fisici; è in accordo con le diverse teorie sulle particelle e le altre forze fisiche, ma non è integralmente unificata a queste, nel senso di ridurne gli oggetti a manifestazioni di un’unica entità fisica. Non avanza ipotesi particolarmente forti sulla natura, ma considera i principi fondamentali della relatività generale e della meccanica quantistica opportunamente riformulati in modo tale da evitare reciproche contraddizioni. Il concetto alla base della teoria non è quello di introdurre oggetti fisici nuovi, bensì di descrivere la relatività generale di Einstein usando variabili che colgano questa idea: espressa in tale forma, la teoria di Einstein diventa più compatibile con la meccanica quantistica. I loop che danno il nome alla teoria sono le linee di Faraday del campo gravitazionale o, più precisamente, le eccitazioni quantistiche di tali linee. Poiché il campo gravitazionale è identificato nella teoria di Einstein con lo spazio, ne consegue che i loop rappresentano le eccitazioni quantistiche dello spazio-tempo. I loop non sono dunque immersi nello spazio, bensì rappresentano essi stessi lo spazio quantistico; più precisamente, formano reti, chiamate spin network (o reti di spin), i cui nodi corrispondono ai quanti elementari dello spazio e le cui linee determinano la connettività di tali atomi elementari, e quindi la struttura generale dello spazio. Il risultato principale della teoria è la costruzione di un formalismo matematico rigoroso che descrive le proprietà quantistiche dello spazio e del tempo. Le divergenze ultraviolette non appaiono, perché lo spazio ha una struttura granulare nella quale non esistono le scale arbitrariamente piccole all’origine di tali divergenze. A differenza delle stringhe – cordicelle che si muovono nello spazio –, i loop sono cordicelle che formano esse stesse lo spazio, come i fili di cotone formano una maglietta. Le principali difficoltà della teoria dei loop riguardano la connessione con la fisica nota: la teoria è ben definita alla scala di Planck, ma i tentativi di usarla per calcolare quantità macroscopiche sono ancora a uno stadio preliminare.