Come i ronzi della gravità quantistica possono ronzare
Molti fisici ritengono che esistano i gravitoni, ma pochi pensano che li vedremo mai. Queste ipotetiche particelle elementari sono una pietra miliare delle teorie della gravità quantistica, che cercano di unire la teoria della relatività generale di Albert Einstein con la meccanica quantistica. Ma sono notoriamente difficili – forse impossibili – da osservare in natura.
Il mondo dei gravitoni diventa evidente solo quando si ingrandisce il tessuto dello spazio-tempo alla scala più piccola possibile, che richiede un dispositivo in grado di sfruttare quantità di energia davvero estreme. Sfortunatamente, qualsiasi dispositivo di misurazione in grado di sondare direttamente fino a questa "lunghezza di Planck" sarebbe necessariamente così massiccio da collassare in un buco nero . "Sembra che la natura cospira per vietare qualsiasi misurazione della distanza con un errore inferiore alla lunghezza di Planck", ha detto Freeman Dyson , il celebre fisico teorico, in un discorso del 2013 che presenta un calcolo del limite di questo limite.
E così i gravitoni, secondo il pensiero convenzionale, potrebbero rivelarsi solo nei luoghi più estremi dell'universo: intorno al tempo del Big Bang, o nel cuore dei buchi neri. "Il problema con i buchi neri è che sono neri e quindi non viene fuori nulla", ha dichiarato Daniel Holz , un astrofisico dell'Università di Chicago. "E la roba della gravità quantistica sta accadendo proprio al centro di questo – quindi è troppo male."
Ma articoli pubblicati di recente sfidano questo punto di vista, suggerendo che i gravitoni possono creare un "rumore" osservabile nei rivelatori di onde gravitazionali come LIGO, l'Osservatorio di onde gravitazionali con interferone laser. "Abbiamo scoperto che la confusione quantica dello spazio-tempo è impressa sulla materia come una sorta di jitter", ha affermato Maulik Parikh , cosmologo presso la Arizona State University e coautore di uno dei lavori .
E mentre non è ancora chiaro se gli osservatori di onde gravitazionali esistenti o anche futuri abbiano la sensibilità necessaria per rilevare questo rumore, questi calcoli hanno reso il quasi impossibile almeno plausibile. Considerando come i gravitoni interagiscono con un rivelatore in massa, hanno dato una solida base teorica all'idea del rumore gravitonico – e hanno avvicinato i fisici a una prova sperimentale che in fondo, la gravità gioca secondo le regole della meccanica quantistica.
Il jitter dell'onda
Il calcolo del 2013 di Dyson ha convinto molte persone che i rivelatori di onde gravitazionali fossero, nella migliore delle ipotesi, sonde poco pratiche per l'apprendimento della gravità quantistica.
"Esiste una sorta di consenso predefinito sul fatto che è una perdita di tempo pensare agli effetti quantistici e alle radiazioni gravitazionali", ha dichiarato Frank Wilczek , fisico vincitore del premio Nobel presso il Massachusetts Institute of Technology, che è stato coautore con Parikh sul nuovo carta. In effetti, né Wilczek, Parikh né George Zahariade , un cosmologo dello Stato dell'Arizona e il terzo coautore, hanno preso seriamente la possibilità fino a dopo la scoperta delle onde gravitazionali del 2015 da parte di LIGO. "Non c'è niente come risultati effettivi sperimentali per focalizzare l'attenzione", ha detto Wilczek.
Si pensa che i gravitoni trasportino la forza di gravità in un modo simile a come i fotoni trasportano la forza elettromagnetica. Proprio come i raggi di luce possono essere raffigurati come una raccolta di fotoni ben educati, le onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo create da violenti processi cosmici – sono ritenute costituite da gravitoni. Con questo in mente, gli autori hanno chiesto se i rivelatori di onde gravitazionali sono, in linea di principio, abbastanza sensibili da vedere i gravitoni. "È come chiedere: come può un surfista su un'onda solo dire dal movimento che l'onda è composta da goccioline d'acqua?" disse Parikh.
A differenza di Dyson, il cui calcolo a pennello largo si concentrava su un singolo gravitone, consideravano gli effetti di molti gravitoni. "Siamo sempre stati ispirati dal moto browniano", ha detto Parikh, riferendosi al tremolio casuale e al tremolio delle particelle microscopiche in un fluido. Einstein usò il moto browniano per dedurre l'esistenza di atomi, che bombardano le particelle microscopiche. Allo stesso modo, il comportamento collettivo di molti gravitoni potrebbe rimodellare sottilmente un'onda gravitazionale.
I rivelatori di onde gravitazionali possono, nella loro forma più semplice, essere considerati come due masse separate da una certa distanza. Quando passa un'onda gravitazionale, questa distanza aumenta e diminuisce quando l'onda si allunga e schiaccia lo spazio tra le masse. Aggiungi gravitoni nel mix, tuttavia, e aggiungi un nuovo movimento sopra le solite increspature nello spazio-tempo. Mentre il rivelatore assorbe ed emette gravitoni, le masse oscillano in modo casuale. Questo è il rumore gravitonico. Quanto è grande il jitter e quindi se può essere rilevato, dipende in ultima analisi dal tipo di onda gravitazionale che colpisce il rivelatore.
I campi gravitazionali esistono in diversi "stati quantistici", a seconda di come sono stati creati. Molto spesso, un'onda gravitazionale viene prodotta in uno "stato coerente", che è simile alle increspature su uno stagno. Rivelatori come LIGO sono sintonizzati per cercare queste onde gravitazionali convenzionali, che vengono emesse da buchi neri e stelle di neutroni mentre si muovono a spirale l'una attorno all'altra e si scontrano.
Anche le onde gravitazionali coerenti producono rumore gravitonico, ma – come ha scoperto anche Dyson – è troppo piccola per essere misurata. Questo perché il jitter creato mentre il rivelatore assorbe i gravitoni è "squisitamente bilanciato" con il jitter creato quando emette gravitoni, ha detto Wilczek, che sperava che il loro calcolo avrebbe portato a un rumore maggiore per gli stati coerenti. "È stato un po 'deludente", ha detto.
Imperterriti, Parikh, Wilczek e Zahariade esaminarono diversi altri tipi di onde gravitazionali che Dyson non considerò. Hanno scoperto che uno stato quantico in particolare, chiamato stato schiacciato, produce un rumore gravitone molto più pronunciato. In effetti, Parikh, Wilczek e Zahariade hanno scoperto che il rumore aumenta esponenzialmente tanto più i gravitoni vengono schiacciati.
La loro esplorazione teorica suggeriva – contro la saggezza prevalente – che il rumore gravitonico è in linea di principio osservabile. Inoltre, rilevare questo rumore direbbe ai fisici le fonti esotiche che potrebbero creare onde gravitazionali schiacciate. "Ci stanno pensando in modo molto serio e si stanno avvicinando in un linguaggio preciso", ha detto Erik Verlinde, un fisico teorico all'Università di Amsterdam.
"Abbiamo sempre avuto questa immagine secondo cui i gravitoni avrebbero bombardato i rivelatori in qualche modo, e quindi ci sarebbe stato un po 'di jitter", ha detto Parikh. "Ma", ha aggiunto Zahariade, "quando abbiamo capito come si presenta matematicamente questo termine di rumore gravitonico, è stato un momento bellissimo."
I calcoli sono stati elaborati in tre anni e sono sintetizzati in un recente documento . Il documento che descrive la serie completa di calcoli è attualmente in fase di revisione tra pari.
Eppure, mentre la luce schiacciata viene regolarmente prodotta in laboratorio – anche a LIGO – non è ancora noto se esistano onde gravitazionali schiacciate. Wilczek sospetta che le fasi finali delle fusioni del buco nero, in cui i campi gravitazionali sono molto forti e cambiano rapidamente, potrebbero produrre questo effetto schiacciante. L'inflazione – un periodo nell'universo primordiale in cui lo spazio-tempo si espandeva molto rapidamente – potrebbe anche portare a una compressione. Gli autori ora progettano di costruire modelli precisi di questi eventi cosmologici e delle onde gravitazionali che emettono.
"Questo apre le porte a calcoli molto difficili che saranno una sfida da portare alla fine", ha detto Wilczek. "Ma la buona notizia è che diventa davvero interessante e potenzialmente realistico come obiettivo sperimentale."
Un frullato di ologramma
Piuttosto che guardare alle fonti quantistiche nel cosmo, altri fisici sperano di vedere il rumore gravitonico direttamente nel vuoto gorgogliante dello spazio-tempo, dove le particelle esplodono fugacemente nell'esistenza e poi scompaiono. Come appaiono, queste particelle virtuali fanno deformare delicatamente lo spazio-tempo attorno a loro, creando fluttuazioni casuali note come schiuma spazio-temporale.
Questo mondo quantistico potrebbe sembrare inaccessibile da sperimentare. Ma non lo è – se l'universo obbedisce al " principio olografico ", in cui il tessuto dello spazio-tempo emerge nello stesso modo in cui un ologramma 3D fuoriesce da un modello 2D. Se il principio olografico è vero, particelle quantistiche come il gravitone vivono sulla superficie di dimensione inferiore e codificano la forza di gravità familiare nello spazio-tempo di dimensione superiore.
In tale scenario, gli effetti della gravità quantistica possono essere amplificati nel mondo quotidiano di esperimenti come LIGO. Un recente lavoro di Verlinde e Kathryn Zurek, un fisico teorico del California Institute of Technology, propone di utilizzare LIGO o un altro interferometro sensibile per osservare il vuoto gorgogliante che circonda lo strumento.
In un universo olografico, l'interferometro si trova nello spazio-tempo di dimensione superiore, che è strettamente avvolto in una superficie quantistica di dimensione inferiore. Sommando le piccole fluttuazioni sulla superficie si crea un rumore abbastanza grande da essere rilevato dall'interferometro. "Abbiamo dimostrato che gli effetti dovuti alla gravità quantistica non sono determinati solo dalla scala di Planck, ma anche dalla scala", ha affermato Verlinde.
Se le loro ipotesi sul principio olografico restano vere, il rumore gravitonico diventerà un bersaglio sperimentale per LIGO, o anche per un esperimento da tavolo. Nel 2015 presso il National Accelerator Laboratory di Fermi, un esperimento da tavolo chiamato Holometer ha cercato prove che l'universo sia olografico e che è stato trovato mancante. "Le idee teoriche a quel tempo erano molto primitive", ha detto Verlinde, osservando che i calcoli nel suo articolo con Zurek si basano sui metodi olografici più approfonditi sviluppati da allora. Se i calcoli consentono ai ricercatori di prevedere con precisione l'aspetto di questo rumore gravitonico, pensa che le loro probabilità di scoperta siano migliori, anche se ancora piuttosto improbabili.
L'approccio di Zurek e Verlinde funzionerà solo se il nostro universo è olografico, una congettura tutt'altro che consolidata. Descrivendo il loro atteggiamento come "più di una mentalità del selvaggio west", Zurek ha detto: "È ad alto rischio e difficilmente avrà successo, ma che diamine, non capiamo la gravità quantistica".
Territorio non mappato
Al contrario, il calcolo di Parikh, Wilczek e Zahariade si basa sulla fisica con la quale pochi sarebbero in disaccordo. "Abbiamo fatto un calcolo molto conservativo, il che è quasi certamente corretto", ha detto Parikh. "Presuppone essenzialmente che esista qualcosa chiamato gravitone e che la gravità possa essere quantizzata".
Ma il trio riconosce che è necessario eseguire più legwork teorici prima di sapere se i rilevatori di onde gravitazionali attuali o pianificati possano scoprire il rumore di gravitone. "Richiederebbe diverse pause fortunate", ha detto Parikh. Non solo l'universo deve ospitare fonti esotiche che creano onde gravitazionali schiacciate, ma il rumore gravitonico deve essere distinguibile dalle molte altre fonti di rumore a cui LIGO è già soggetto.
"Finora, LIGO non ha mostrato alcun segno di fisica che rompa con le previsioni della relatività generale di Einstein", ha detto Holz, che è membro della collaborazione LIGO. "Ecco da dove inizi: la relatività generale è sorprendente." Tuttavia, riconosce che i rivelatori di onde gravitazionali sono la nostra migliore speranza per fare nuove scoperte fondamentali sull'universo, perché il terreno è "completamente inesplorato".
Wilczek sostiene che se i ricercatori sviluppano una comprensione di come potrebbe apparire il rumore di gravitone, i rilevatori di onde gravitazionali possono essere regolati per migliorare le possibilità di trovarlo. "Naturalmente, le persone si sono concentrate sul tentativo di emettere segnali e non preoccuparsi delle interessanti proprietà del rumore", ha affermato Wilczek. "Ma se lo hai in mente, potresti progettare qualcosa di diverso." (Holz ha chiarito che i ricercatori di LIGO hanno già studiato alcuni possibili segnali di rumore cosmico .)
Nonostante le sfide future, Wilczek ha dichiarato di essere "prudentemente ottimista" sul fatto che il loro lavoro porterà a previsioni che possono essere sondate sperimentalmente. In ogni caso, spera che il documento spinga altri teorici a studiare il rumore gravitonico.
“La fisica fondamentale è una faccenda difficile. Puoi notoriamente scrivere tutto su una maglietta, ed è difficile fare aggiunte o modifiche a questo ", ha detto Wilczek. “Non vedo come questo porterà direttamente lì, ma apre una nuova finestra sul mondo.
"E poi vedremo quello che vediamo."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/gravitons-revealed-in-the-noise-of-gravitational-waves-20200723/ in data Thu, 23 Jul 2020 15:10:30 +0000.