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La gravità quantistica è una calamita

Alle soglie di una rivoluzione nell’immaginare il nostro Universo

FUTURO – Teniamo gli occhi aperti: la nuova rivoluzione delle superstringhe è dietro l’angolo. Nell’ultimo anno i fisici teorici sono riusciti a inventare dei nuovi strumenti “olografici” per attaccare la più ostica delle bestie nere: la gravità quantistica. Per scoprire un fatto sorprendente: il regime quantistico della gravità è descritto da un magnete, scaldato fino alla temperatura critica alla quale si smagnetizza!

Di tutto questo, e altro ancora, si è discusso per la prima volta al recente workshop su Higher spin theories and holography, tenuto al Simons Center per la Geometria e la Fisica dell’Università di Stony Brook. Gli esperti mondiali, riuniti in assise per una settimana, hanno formulato un nuovo quadro coerente dai risultati sorprendenti. Vediamo di cosa si tratta.

La teoria della gravitazione viene descritta in maniera moderna da Einstein, sotto il nome di teoria della relatività generale. La gravità descrive il modo in cui lo spazio e il tempo, e il nostro intero universo, si evolvono sotto la presenza della materia, che curva lo spaziotempo. Immaginate lo spaziotempo come un lenzuolo sospeso, coperto di sabbia (piccole particelle che viaggiano nel vuoto), ma bloccato ad un supporto sui quattro lati lati che lo tengono in tensione. Se appoggiate ora un’arancia (una stella) sul lenzuolo, questa formerà una buca e tutta la sabbia cadrà dentro la buca. La gravità generata dalla stella attrae tutte le particelle che ci passano vicino. Se poi concentriamo troppa massa nello stesso punto, il lenzuolo si strappa e tutta la sabbia cade fuori dal lenzuolo: ecco creato un buco nero, che inghiotte tutta la materia che gli gravita attorno!

La teoria classica di Einstein spiega molto bene l’effetto dell’arancia, ma non riesce a spiegare cosa succede di preciso quando si “strappa il lenzuolo.” La forza di gravità diventa infatti così intensa che gli effetti quantistici diventano importanti e la teoria di Einstein non basta più.

Qui entra in gioco la stringa, che oltre al “gravitone” contiene tutta una serie di modi di vibrazione più elevati che descrivono particelle estremamente massicce. Nella vita di tutti i giorni, non riusciamo a vedere queste particelle massicce, nemmeno nelle collisioni tra protoni ad altissima energia dell’LHC di Ginevra (a meno di non avere un vero e proprio colpo di fortuna). Ma nella situazione estrema che si crea nelle vicinanze di un buco nero, queste particelle diventano cruciali per capire cosa succede. Benvenuti nel regime quantistico della gravità.

Fino ad ora, sono mancati gli strumenti teorici per capire gli effetti “stringheschi” di queste particelle massicce. Un trucco usato spesso dai fisici teorici per studiare fenomeni complicati è di “metterli in una scatola,” facendo una sorta di esperimento concettuale. Nel caso dello spaziotempo, ci servirebbe una scatola gigante che contenga tutto l’universo! Con un po’ d’ingegno, i teorici delle stringhe hanno capito che esiste una versione “cosmologica” della proverbiale scatola, ovvero un universo con costante cosmologica negativa (per gli amici, spaziotempo di Anti-de Sitter).

L’universo in cui viviamo (noto anche come spaziotempo di de Sitter, durante il suo periodo d’espansione accelerata) ha una costante cosmologica positiva, che agisce come una sorta di pressione che ne accelera l’espansione. Cambiando il segno della costante cosmologica (da cui il prefisso “Anti-”) si crea un nuovo tipo di universo ipotetico, contenuto dentro una scatola. E come ogni scatola che si rispetti, anche la scatola di Anti-de Sitter ha delle istruzioni per l’uso scritte sul coperchio!

Il fatto curioso è che, una volta confinata la gravità all’interno di una scatola seppur infinitamente grande, i fisici teorici, guidati dalla teoria delle stringhe, hanno capito che la gravità è un fenomeno olografico. Vi ricordate i sigilli SIAE sui dvd, quegli strani disegni metallici che proiettano un’immagine tridimensionale quando li guardate da direzioni diverse? La gravità funziona proprio allo stesso modo: non è altro che una mera illusione olografica. A questo punto la domanda è: in che lingua sono scritte le istruzioni sul “coperchio olografico,” e cosa ci dicono sulla gravità all’interno della scatola?

Fino ad ora, i modelli ipotetici di universi olografici a disposizione dei fisici, per studiare gli effetti della gravità, erano popolati da stringhe di tutti i tipi. A causa della complessità matematica insita nella teoria delle stringhe, i progressi sono stati sempre molto difficili. Le nuove idee presentate a Stony Brook puntano invece in una nuova direzione: si è finalmente scoperto un universo olografico del tutto consistente, ma privo di stringhe! In pratica, il primo esempio di “olografia senza stringhe” e una conferma di come il concetto di olografia, intuito da Stephen Hawking studiando proprio i buchi neri, sia così fondamentale da trascendere la stessa teoria delle stringhe.

In sostanza, è stato scoperto un regime estremo della gravità quantistica in cui l’universo di Anti-de Sitter è popolato, oltre che dal gravitone, anche da un infinito numero di altre particelle di spin sempre più grande (in inglese “higher spins”), che rimpiazzano le stringhe massicce. Queste particelle interagiscono tra di loro in modo infinitamente più semplice delle stringhe e grazie a questo progresso possiamo finalmente guardare in faccia la gravità quantistica in tutta la sua bellezza!

 

Secondo il principio olografico, la gravità dentro la scatola è dunque un ologramma, che viene proiettato dal coperchio della scatola. Per capire la gravità nel regime quantistico, che è molto complicato, possiamo invece studiare il coperchio della scatola, dove invece non c’è nessuna attrazione gravitazionale. Usando un vero e proprio “dizionario olografico,” possiamo poi tradurre le istruzioni sul coperchio in nuove proprietà della gravità quantistica. Come il lettore accorto avrà capito, il diavolo sta tutto nei dettagli di questo dizionario. I risultati presentati a Stony Brook sono proprio le prime voci di questo incredibile dizionario olografico, grazie al quale abbiamo avuto una grossa sorpresa.

 

Il coperchio della scatola di Anti de-Sitter, dove il regime quantistico della gravità è tradotto in un linguaggio più accessibile ai fisici, non è altro che un magnete alla transizione di fase (in termini tecnici, un modello di Ising). Del tutto simile alle calamite attaccate al vostro frigo, se le scaldate fino alla temperatura critica alla quale si smagnetizzano… Per rispondere alla domanda iniziale, dunque, la gravità quantistica è una calamita!

14 Commenti

  1. Ottimo post (da uno degli organizzatori del convegno citato!) ma permettimi una domanda da profano (diciamo a livello liceo): la teoria delle stringhe è per quel che ne so difficile da provare e far rientrare nella “scienza normale”.
    Sono “niubbo” devo confessare che tutto quello che so viene dall’Universo Elegante di Greene ed è ormai passato un bel po’ di tempo. Esiste qualcosa in giro per i comuni mortali, quelli che non vanno molto oltre alle 4 operazioni e alla radice quadrata?

  2. Trovo questo articolo poco chiaro e, ahime’, piuttosto vicino al modello di divulgazione pressapochista e “pallinista” incarnato da Focus. Non ho idea di quale sia il target a cui esplicitamente si rivolge questo blog, ma credo che a leggerlo siano soprattutto persone con una formazione tecnico-scientifica, che consentirebbe loro di comprendere anche testi “tarati” un po’ piu’ in alto: non giocati solo e soltanto su analogie evocative ma poco limpide come “istruzioni sul coperchio” et similia, e più mirati a rispondere a quelle domande che su riviste quasi-generaliste come la suddetta Focus non trovano spazio. Una su tutte: come si concretizzano e cosa significano queste belle e evocative parole? Come sono fatti questi modelli che tanto somiglierebbero a “ologrammi”, cosa li rende tali, che roba (che matematica, che fisica ecc) c’e’ dentro?
    Un articolo come questo, oltre a essere a mio avviso piuttosto fuori fuoco nel suo complesso (non si capisce bene dove voglia andare a parare, ma vabbe’, non tutte le ciambelle riescono col buco) credo sia insoddisfacente per quel tipo di lettore che sceglie di seguire un blog di divulgazione scientifica come questo. O almeno: per me lo è senz’altro.

  3. Mi permetto di aggiungere, letti i commenti postati mentre io scrivevo il mio: sì, l’articolo sembra davvero “esoterico”. E’ perche’ non spiega nulla. Non entra nel merito, si limita a evocare un’aura di fascino e mistero iniziatico. Sicuri che sia questa la divulgazione? Per me si tratta invece di non nascondere il trucco, anche se è difficile, anche se è tecnico: l’arte sta nel farne intuire comunque i principi fondanti, nel mostrare che astratte o meno queste cose sottendono comunque cose tangibili e manovrabili. E sara’ paradossale, ma un’equazione – presentata con tutti gli accorgimenti del caso – è più manovrabile e terra-terra di una misteriosa stringa vibrante dalle proprietà fantascientifiche.

  4. Condivido con i commenti che danno dell'”Esoterico” a questo articolo, però mi sorge una domanda, se i magneti scaldati perdono la loro attrazione, come mai il nucleo della Terra che si dice fatto di Ferro ad altissime temperature la mantiene ?

    1. Credo che quella del magnete sia una metafora “fisica” una similitudine, come il lenzuolo è la metafora relativistica della gravità.

  5. Anche a me (laurea in Fisica nucleare) l’articolo sembra “per iniziati”. Comunque, dopo avere studiato molto sulla teoria delle stringhe e delle brane, ottenendo ben poco da me stessa 🙁 sarei ben contenta di approdare ad un modello diverso e più avvicinabile !

  6. Grazie a tutti per i messaggi, i vostri commenti sono cruciali per cercare di “calibrare” il livello di divulgazione piu’ fruibile. In questo articolo ho cercato di usare analogie il piu’ possibile calzanti, il lenzuolo, la scatola con il coperchio, e cosi’ via, per evitare di entrare nel linguaggio estremamente tecnico della teoria quantistica di campo, delle equazioni di Einstein o della teoria delle stringhe. Capisco pero’ la frustrazione di chi vuole sapere dettagli piu’ precisi riguardo la costruzione olografica. Per questo sto preparando un altro articolo in cui raccontero’ in maniera piu’ dettagliata il “dizionario olografico” a cui ho accennato sopra, per soddisfare le curiosita’ emerse nei commenti!

  7. Grazie a te per il tuo impegno, mi rendo conto che sono argomenti davvero ostici da rendere “comprensibili” a chi non ha una preparazione specialistica. Ma sono anche molto stimolanti e affascinanti, una bella sfida per un divulgatore.

  8. Quando si citano le teorie della relatività di Albert Einstein, non si dovrebbe mai usare la parola “forza di gravità” è un errore concettuale anche piuttosto ricorrente vedo, per Einstein non esiste la forza di gravità !!.
    ma solo masse che deformano lo spazio tempo.
    Ciao.

  9. tutto molto interessante e coinvolgente.
    ma la scoperta piu’ stravolgente e che se non vivremmo delle nostre illusioni nulla avrebbe senso per esistere.
    quindi eisten aveva raggione quando descriveva la gravita come una sorta di illusione.
    ma forse non aveva intuito che che e’ propio l’illusione a dare vita alla gravita’ che attrae tutto cio di cui l’uomo a bisogno per vivere e per dare misura di se stesso nello spazziotempo.
    in queste poche parole o cercato di descrivere l’inizzio e la fine dell’universo. giovanni turria

  10. in effetti esiste una relazione tra la gravita’ e il magnetismo,infatti il periodo del coclo magnetico delle macchie solari coincide con il periodo del ciclo di un orbita del pianeta giove.

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