Il problema del "bellissimo universo" in fisica

Perché non abbiamo risolto la gravità quantistica

Accettare idee come la teoria delle stringhe significa che dobbiamo essere disposti ad accettare dimensioni extra e mondi sempre più strani. Opere di SGP

Se definiamo la bellezza come semplicità, allora l'universo è tutt'altro che bello. È paradossale ed enigmatico, sorprendendoci con osservazioni che non ci aspettiamo sempre di vedere o che talvolta confermano quelle aspettative, ma che portano a misteri sempre più grandi al di là di esse. Ci sono 26 costanti sgraziate che definiscono il nostro mondo, una mancanza di qualsiasi simmetria reale (abbiamo solo un'approssimazione di simmetria) e due teorie che sembrano entrambe descrivere con successo la natura della realtà stessa. Disordinato e talvolta insensato. È un mondo aggrovigliato di modelli matematici ed esperimenti che spesso sfidano la nostra comprensione della fisica. Ma l'obiettivo finale è verso la bellezza - è quello di raggiungere un unico, semplice insieme di leggi per descrivere l'universo in cui viviamo. Questo non è diverso dalle equazioni di Maxwell che insieme costituivano un elegante testamento per illuminarsi: l'unificazione di elettricità e magnetismo in poche semplici linee matematiche.

L'elettromagnetismo, come la gravità, è una delle quattro forze dell'universo. Dopo il suo successo con la relatività, Einstein trascorse gli ultimi anni della sua vita nel tentativo di riunire elettromagnetismo e gravità, sebbene non avesse avuto successo. Le restanti due forze sono la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forte forza nucleare è responsabile dell'immensa liberazione di energia durante la detonazione di una bomba atomica; la debole forza nucleare viene sperimentata come radiazione in seguito. Delle quattro forze, tre possono essere spiegate dalla meccanica quantistica e l'ultima - la gravità - è spiegata dalla relatività generale.

Entrambe le teorie hanno superato la prova del tempo. Le loro previsioni sono accurate, osservabili ed estremamente efficaci nel comprendere la natura della realtà. Ma le somiglianze non durano a lungo. Laddove la relatività generale è semplice e prevedibile, la meccanica quantistica è caotica e strana. Si contraddicono a vicenda in modo così fondamentale che metterli insieme ti dà risultati insensati; gli eventi, ad esempio, iniziano ad avere una quantità infinita di probabilità. I due sono così incompatibili che la gravità non è nemmeno menzionata nel modello standard di fisica delle particelle. Sembra giusto che il vincitore del Premio Nobel Niels Bohr, un collaboratore della teoria quantistica e della struttura atomica, abbia voluto mantenere le sue idee separate da quelle di Einstein. Einstein, a sua volta, ebbe una relazione tumultuosa con la meccanica quantistica.

Ma le differenze vanno oltre solo due teorie contrastanti.

Nella relatività generale - e nelle osservazioni degli anni '80 sui sistemi pulsar binari come quello sopra - la gravità e la luce condividono la stessa velocità. Ciò potrebbe implicare una connessione tra i due? Immagine di ESO / L. Calçada.

La gravità è la più debole di tutte le forze. Tra due particelle, la forza gravitazionale sarà 10³⁹ volte più debole della forza elettromagnetica tra quelle stesse due particelle. Ci vogliono oggetti sulla scala di pianeti e stelle affinché la gravità abbia un effetto sostanziale. Inoltre non ha una particella associata. I bosoni W e Z sono responsabili della debole forza nucleare, gluoni della forte forza nucleare e fotoni dell'elettromagnetismo. Dov'è la particella responsabile della gravità? Dov'è il gravitone sempre sfuggente?

La scoperta di un gravitone confermerebbe la gravità quantistica. Aiuterebbe a rispondere alla domanda più impegnativa in tutta la fisica: la teoria di tutto.

Proprio come il fotone è predetto dall'elettromagnetismo, il gravitone è una particella che si propone di esistere per gravità quantistica. Sarebbe privo di massa, elettricamente neutro e avrebbe una rotazione meccanica di 2. In effetti, è l'unica particella che potrebbe avere queste proprietà esatte. I gravitoni furono teorizzati per esistere già nei primi anni del 1900 da pionieri della gravità quantistica come Matvei Bronstein. Ma rilevare un gravitone non è facile come impostare un esperimento da tavolo. Nel mondo quantico la gravità è così debole che anche con altri 100 anni di progressi tecnologici, ci sono poche possibilità di osservare gli effetti gravitazionali in un esperimento di fisica delle particelle. Per avere una ragionevole possibilità di rilevare un gravitone, avremmo bisogno di costruire un apparato così massiccio da farlo crollare in un buco nero.

C'è una possibilità, per quanto piccola, che possiamo essere in grado di rilevare queste particelle con la tecnologia di oggi. Ciò dipenderebbe da dimensioni extra che sarebbero esse stesse minuscole e difficili da rilevare. Gli scienziati hanno usato il Large Hadron Collider e simili acceleratori di particelle per cercare queste nuove dimensioni, ma finora sono arrivati ​​a mani vuote. Questa premessa spiegherebbe anche perché la gravità è così debole. Se la forza fosse diluita in diversi regni diversi - non solo quelli a cui siamo abituati - ciò le darebbe molta meno potenza nelle nostre tre dimensioni fisiche.

La relatività nelle particelle subatomiche significa che un elettrone alla fine si sposterebbe verso il suo protone mentre perdeva energia attraverso le onde di gravità. Sappiamo, tuttavia, che non è così che si comportano gli elettroni.

Un altro esperimento tenterà di vedere se una coppia di micro-diamanti può rimanere impigliata usando la loro attrazione gravitazionale. L'entanglement è un evento che si verifica a livello quantico. È una connessione tra due particelle che trascende la distanza, permettendo loro di comunicare apparentemente più velocemente della velocità della luce. Se i micro-diamanti riuscissero a raggiungere questo stato di entanglement attraverso la loro attrazione gravitazionale, sarebbe una forte indicazione che la gravità ha effetti quantici attraverso i gravitoni. Ma altri scienziati non sono d'accordo con questa affermazione, affermando che mentre i risultati sarebbero interessanti da vedere, non potrebbe raccontare l'intera storia della gravità quantistica. Per non parlare del fatto che potrebbero essere necessari anni prima di iniziare un esperimento così delicato e costoso.

Eppure, nonostante come i gravitoni possano sfuggirci, la gravità deve avere una spiegazione quantistica. Senza di essa, la nostra descrizione del mondo subatomico è incompleta. La teoria dei campi quantistici può tener conto della relatività speciale e dello spaziotempo, ma deve ancora includere la manipolazione dello spazio come descritto dalla relatività generale.

È qui che entrano in gioco concetti come la teoria delle superstringhe. Questa teoria in particolare assomiglia al nostro universo più di qualsiasi altra teoria contenente gravità. Dice che tutte le particelle e le forze nel nostro universo derivano dalla vibrazione delle stringhe. Le stringhe sono i mattoni elementari di tutta la vita e sono inspiegabilmente piccole, ma il problema principale con la teoria delle stringhe è che non ci fornisce previsioni verificabili. Se la teoria non può essere testata e osservata, non sarà mai accettata nella comunità scientifica. Ma la teoria si è dimostrata utile nel testare la coerenza delle idee in un contesto matematico, dato che è, dopo tutto, una struttura matematica.

Simile alla teoria delle stringhe e ai gravitoni, la gravità quantistica ad anello dà origine a dimensioni troppo piccole per essere rilevate negli esperimenti di fisica delle particelle. La teoria si basa su una matematica discreta e pone un limite di spazio e tempo dopo il quale non sono più divisibili (questo limite è di 10⁷⁰ metri² in area e 10-⁴³ secondi per il tempo). Queste aree possono ancora essere distorte dalla massa e dall'energia, ma la loro dimensione finale rimane la stessa. Il più eccitante di tutti è che potremmo essere in grado di osservare alcuni effetti della gravità del ciclo quantico negli oggetti astronomici. L'evaporazione dei buchi neri, della radiazione cosmica di fondo e dei lampi di raggi gamma può essere la chiave per testare questa teoria.

Come conseguenza della teoria dei circuiti quantistici, la luce di diversi colori viaggerà a velocità diverse attraverso lo spazio con una luce di lunghezze d'onda più lunghe (rosso, arancione, giallo) viaggiando più lentamente delle loro controparti di lunghezza d'onda più corte (verde, blu, viola). Ma studi di esplosioni gamma luminose finora hanno mostrato tutti i colori della luce che viaggiano alla stessa velocità.

Gli aspetti più misteriosi del nostro universo - le mostruose singolarità e il momento prima del Big Bang - sono avvolti non solo da grandi distanze e molto tempo fa, ma anche dalla loro sfida alle nostre migliori teorie della fisica. Prendono queste idee e le fanno a brandelli, lasciandoci con una comprensione di questo mondo ma che sappiamo essere frammentati. Eppure è anche un viaggio. Nel corso degli anni le nostre scoperte e le nostre comprensioni sono state tutte convergenti su un punto, segnalandoci che questa teoria di governo deve esistere.

Non è vero?

Alcuni scienziati, come il fisico teorico Freeman Dyson, non credono che sia necessaria una teoria di tutto. Il mondo classico e il mondo della meccanica quantistica sono distinti come il passato e il presente. Dove come uno può mostrarci l'emergere del cosmo e la formazione della Terra, l'altro ci dà le probabilità statistiche del futuro. Sì, sono molto diversi e va bene. La necessità di conciliare i due potrebbe essere la nostra affinità per la bellezza imposta a queste due teorie ben funzionanti. Semplicità ed eleganza sono l'obiettivo; ma quelle due parole potrebbero non essere applicabili all'universo. Lo renderebbe davvero meno bello?