FUTURO – La gravità è la più misteriosa delle forze della natura. Da un secolo i fisici teorici ne sono ossessionati, a partire da Einstein, che per primo ne capì la relazione con la geometria. Intere generazioni di scienziati hanno speso la loro vita cercando di riconciliare i due cardini della fisica del secolo scorso: gravità e meccanica quantistica. Negli ultimi anni, grazie alle intuizioni di Leonard Susskind e del premio Nobel Gerard ‘t Hooft, sembra finalmente di avere imboccato la strada giusta, ma per percorrerla bisogna abbandonare la nostra intuizione e abbracciare una nuova visione dell’universo. Si tratta del concetto di olografia. Il primo esempio concreto di sistema olografico, basato sulla teoria delle stringhe, è stato costruito nel 1997 da Juan Maldacena. Ma alcuni ricercatori hanno recentemente scoperto che l’olografia sembra molto più generale della teoria delle stringhe e, forse, siamo finalmente vicini a crackare il codice segreto della gravità. Tenendo le dita incrociate, OS ha intervistato Rajesh Gopakumar, un fisico indiano tra i pionieri di queste nuove scoperte…
Che cos’è l’olografia?
Si tratta di un concetto radicalmente nuovo nel nostro sforzo di descrivere la realtà fisica in termini matematici. Tradizionalmente, la descrizione dei fenomeni fisici ha spesso portato all’introduzione di nuove entità che a volte non sono visibili a occhio nudo: penso all’atomo, ai campi elettromagnetici, ai quark, e così via. Ma tutte queste entità sono situate comunque e sempre all’interno dello stesso spazio-tempo in cui si trova il fenomeno che esse vogliono descrivere. Anche se non vediamo direttamente le onde radio, queste riempiono lo spazio tutto intorno a noi. Attraverso l’olografia, al contrario, ci proponiamo di descrivere la gravità, nel suo regime quantistico, usando degli oggetti che vivono in uno spazio completamente diverso dal nostro spaziotempo. Questo nuovo spazio “olografico” è talmente diverso da quello in cui viviamo da avere una dimensione in meno: solo due invece delle solite tre direzioni spaziali.
Che cosa stiamo imparando di nuovo sulla gravità grazie all’olografia?
Sappiamo da tempo che la gravità è qualitativamente diversa dalle altre forze della natura. È universamente attrattiva (a differenza della forza elettrica, dove due cariche dello stesso segno si respingono) e descrive la geometria stessa dello spaziotempo. Ma l’olografia ci racconta una storia radicalmente diversa: i gradi di libertà necessari per descrivere la gravità sono molti di meno di quelli che appaiono. Sono talmente pochi, che per descrivere uno spazio tridimensionale ci basta uno schermo bidimensionale. La chiave per capire questo fenomeno ci viene dallo studio dei buchi neri. L’entropia di un buco nero è pari all’area dell’orizzonte degli eventi (che è bidimensionale) e non al volume racchiuso (che è tridimensionale). Entropia è il nome che diamo in fisica al numero di gradi di libertà di un sistema: ovvero l’informazione in esso contenuta. Dunque i gradi di libertà di un buco nero stanno tutti sulla superficie del suo orizzonte degli eventi. Questo fatto straordinario, scoperto da Stephen Hawking e Jacob Bekenstein, è stato il primo indizio che la gravità ha una natura olografica.
Nella comunità dei fisici teorici, fino a ora si credeva che l’olografia fosse intimamente legata teoria delle stringhe. Ma recentemente tu e altri colleghi avete scoperto che si tratta di un concetto molto più generale…
Ci è chiaro ormai che si tratta di un concetto più fondamentale della stessa teoria delle stringhe. Insieme al mio collega Matthias Gaberdiel, ho recentemente studiato l’olografia in una teoria che è molto più semplice della teoria delle stringhe, e allo stesso tempo molto più complicata della teoria della relatività generale di Einstein (che descrive la gravità a distanze macroscopiche): una sorta di via di mezzo tra le due teorie, che si chiama “teoria di spin elevati.”
Da anni il tuo scopo ultimo è di andare all’attacco dell’olografia per carpirne le leggi fondamentali e scoprire il più semplice sistema olografico e decifrarne il “dizionario.” La tua ricerca ha dato buoni frutti?
Credo di sì: il più semplice sistema olografico, che contiene la gravità, è la “teoria di spin elevato” a cui accennavo prima. Lungo la strada però ho scoperto degli altri esempi più semplici, in cui non c’è la gravità, ma che come dei piccoli giocattoli ci permettono di definire in modo preciso cosa intendiamo per olografia, una volta che l’abbiamo ridotta all’osso. Usando questi semplici modelli, che chiamiamo in gergo “stringhe topologiche,” possiamo isolare certi aspetti dell’olografia uno per volta, senza dover risolvere il problema in un colpo solo.
Tutti gli esempi concreti di sistemi olografici finora costruiti si basano sulla presenza di una costante cosmologica negativa.Tuttavia, le misure astrofisiche ci hanno mostrato che il nostro universo possiede una costante cosmologica molto piccola, ma di segno positivo…
Senza dubbio. Nella letteratura ci sono varie proposte di sistemi olografici con costante cosmologica positiva, ma finora nessuna spiegazione si è dimostrata adeguata. In molti stanno studiando questo problema, ma credo che ci manchi ancora qualche tassello cruciale per risolvere il mistero
Recentemente, Erik Verlinde ha proposto una nuova teoria, secondo la quale la gravità non sarebbe una forza fondamentale, ma una forza statistica legata all’entropia. Hai trovato conferme di questa nuova idea nel tuo programma olografico?
L’idea di Verlinde è molto stimolante. Partendo da premesse comuni con la visione olografica, rappresenta però un punto di vista molto più radicale sulla natura della gravità. Al momento, non è del tutto chiaro quale sia la relazione tra le due e se sia possibile riconciliarle, si tratta di un problema aperto.
Il principio olografico negli ultimi anni ha cambiato il modo in cui gli scienziati guardano alla teoria delle stringhe. Non si parla più di “teoria del tutto,” ma al contrario ora si usano le stringhe come un nuovo metodo per risolvere problemi di fisica dei materiali o di fisica nucleare. Qual è secondo te lo stato attuale della teoria delle stringhe?
Ormai è chiaro che la teoria delle stringhe è uno scenario che si può adattare a problemi apparentemente diversissimi tra loro. Piuttosto che un candidato per la teoria della gravità quantistica oppure per descrivere la fisica delle particelle oltre il Modello Standard, la teoria delle stringhe rappresenta uno potente strumento di calcolo. Si tratta di una generalizzazione del concetto di teoria quantistica di campo, quest’ultima utilizzata con successo dappertutto in fisica. La teoria di campo venne scoperta nel contesto della fisica delle particelle, ma si capì in seguito che si trattava di un linguaggio universale che poteva essere applicato alla fisica dei superconduttori e dei materiali, alla dinamica dei fluidi e persino alla finanza! La teoria delle stringhe è molto simile: si tratta di uno strumento che può essere utilizzato laddove la teoria di campo non è più valida.
C’è un modo di usare l’olografia per mettere alla prove sperimentale la teoria delle stringhe?
Sono convinto che sia possibile usare l’olografia per testare le stringhe in modo del tutto inaspettato. Sto pensando alle ricerche recenti che cercano di spiegare certi aspetti della fisica dei materiali, nel caso per esempio di elettroni fortemente accoppiati, in termini olografici, usando metodi mutuati dalla fisica gravitazionale. Se questo programma riuscirà a individuare esperimenti specifici con cui testare l’olografia, avremo finalmente una conferma di questa idea rivoluzionaria e, nella migliore delle ipotesi, della stessa teoria delle stringhe.
Stai dicendo che c’è una nuova rivoluzione delle stringhe dietro l’angolo?
Stiamo finalmente mettendo insieme nuovi ingredienti concettuali che ci permetteranno presto di fare un salto di qualità. Campi così complessi come la teoria delle stringhe hanno bisogno di periodi di relativa calma, in cui costruire quelle solide basi che aprano la strada a drammatici “balzi in avanti.” Ho la sensazione che mettendo insieme le varie novità emerse in quest’ultimo periodo e unendo i trattini ci aspetti qualche grossa sorpresa…
