Perché la gravità non è come le altre forze
I fisici hanno rintracciato tre delle quattro forze della natura – la forza elettromagnetica e le forze nucleari forti e deboli – alle loro origini in particelle quantistiche. Ma la quarta forza fondamentale, la gravità, è diversa.
La nostra attuale struttura per comprendere la gravità, ideata un secolo fa da Albert Einstein, ci dice che le mele cadono dagli alberi e i pianeti orbitano attorno alle stelle perché si muovono lungo le curve nel continuum spazio-temporale. Queste curve sono la gravità. Secondo Einstein, la gravità è una caratteristica del mezzo spazio-temporale; le altre forze della natura si svolgono su quel palcoscenico.
Ma vicino al centro di un buco nero o nei primi momenti dell'universo, le equazioni di Einstein si rompono. I fisici hanno bisogno di un'immagine più vera della gravità per descrivere accuratamente questi estremi. Questa teoria più vera deve fare le stesse previsioni fatte dalle equazioni di Einstein ovunque.
I fisici pensano che in questa teoria più vera, la gravità deve avere una forma quantistica, come le altre forze della natura. I ricercatori hanno cercato la teoria quantistica della gravità dagli anni '30. Hanno trovato idee candidate – in particolare la teoria delle stringhe, che dice che la gravità e tutti gli altri fenomeni derivano da stringhe vibranti minuscole – ma finora queste possibilità rimangono congetturali e non completamente comprese. Una teoria quantistica della gravità funzionante è forse l'obiettivo più alto della fisica oggi.
Cosa rende unica la gravità? Cosa c'è di diverso nella quarta forza che impedisce ai ricercatori di trovare la descrizione quantistica sottostante? Abbiamo chiesto a quattro diversi ricercatori sulla gravità quantistica. Abbiamo ottenuto quattro risposte diverse.
Singolarità delle razze gravitazionali
Claudia de Rham , un fisico teorico dell'Imperial College di Londra, ha lavorato su teorie della gravità massiccia, che sostengono che le unità di gravità quantizzate siano particelle massicce:
La teoria generale della relatività di Einstein descrive correttamente il comportamento della gravità su quasi 30 ordini di grandezza, dalle scale submillimetriche fino alle distanze cosmologiche. Nessun'altra forza della natura è stata descritta con tale precisione e su una tale varietà di scale. Con un tale livello di accordo impeccabile con esperimenti e osservazioni, la relatività generale potrebbe fornire la descrizione definitiva della gravità. Tuttavia la relatività generale è notevole in quanto prevede la sua stessa caduta.
La relatività generale produce le previsioni dei buchi neri e del Big Bang all'origine del nostro universo. Eppure le "singolarità" in questi luoghi, punti misteriosi in cui la curvatura dello spazio-tempo sembra diventare infinita, agiscono come bandiere che segnalano il crollo della relatività generale. Quando ci si avvicina alla singolarità al centro di un buco nero, o alla singolarità del Big Bang, le previsioni dedotte dalla relatività generale smettono di fornire le risposte corrette. Una descrizione più fondamentale e fondamentale dello spazio e del tempo dovrebbe prendere il sopravvento. Se scopriamo questo nuovo livello di fisica, potremmo essere in grado di ottenere una nuova comprensione dello spazio e del tempo stessi.
Se la gravità fosse un'altra forza della natura, potremmo sperare di sondarla più in profondità con esperimenti di ingegneria in grado di raggiungere energie sempre più grandi e distanze minori. Ma la gravità non è una forza ordinaria. Prova a spingerlo a svelare i suoi segreti oltre un certo punto e l'apparato sperimentale stesso crollerà in un buco nero.
La gravità conduce ai buchi neri
Daniel Harlow , un teorico della gravità quantistica presso il Massachusetts Institute of Technology, è noto per l'applicazione della teoria dell'informazione quantistica allo studio della gravità e dei buchi neri:
I buchi neri sono la ragione per cui è difficile combinare la gravità con la meccanica quantistica. I buchi neri possono essere solo una conseguenza della gravità perché la gravità è l'unica forza che viene percepita da tutti i tipi di materia. Se ci fosse qualche tipo di particella che non avvertiva la gravità, potremmo usare quella particella per inviare un messaggio dall'interno del buco nero, quindi non sarebbe effettivamente nero.
Il fatto che tutta la materia senta la gravità introduce un vincolo sul tipo di esperimenti possibili: qualunque sia l'apparato che costruisci, non importa di cosa sia fatto, non può essere troppo pesante o collasserà necessariamente gravitazionalmente in un buco nero. Questo vincolo non è rilevante nelle situazioni quotidiane, ma diventa essenziale se si tenta di costruire un esperimento per misurare le proprietà meccaniche quantistiche della gravità.
La nostra comprensione delle altre forze della natura si basa sul principio della località, che afferma che le variabili che descrivono ciò che sta accadendo in ogni punto dello spazio – come la forza del campo elettrico lì – possono cambiare in modo indipendente. Inoltre, queste variabili, che chiamiamo "gradi di libertà", possono solo influenzare direttamente i loro vicini immediati. La località è importante per il modo in cui attualmente descriviamo le particelle e le loro interazioni perché preserva le relazioni causali: se i gradi di libertà qui a Cambridge, nel Massachusetts, dipendessero dai gradi di libertà a San Francisco, potremmo essere in grado di usare questa dipendenza per raggiungere comunicazione istantanea tra le due città o addirittura per inviare informazioni indietro nel tempo, portando a possibili violazioni della causalità.
L'ipotesi della località è stata testata molto bene in contesti ordinari e può sembrare naturale supporre che si estenda alle distanze molto brevi che sono rilevanti per la gravità quantistica (queste distanze sono piccole perché la gravità è molto più debole delle altre forze) . Per confermare che la località persiste a quelle scale di distanza, dobbiamo costruire un apparato in grado di testare l'indipendenza dei gradi di libertà separati da distanze così piccole. Un semplice calcolo mostra , tuttavia, che un apparato abbastanza pesante da evitare grandi fluttuazioni quantistiche nella sua posizione, che rovinerebbe l'esperimento, sarà necessariamente abbastanza pesante da collassare in un buco nero! Pertanto, esperimenti che confermano la località su questa scala non sono possibili. E la gravità quantistica quindi non ha bisogno di rispettare la località su tali scale di lunghezza.
In effetti, la nostra comprensione dei buchi neri finora suggerisce che qualsiasi teoria della gravità quantistica dovrebbe avere sostanzialmente meno gradi di libertà di quanto ci aspetteremmo sulla base dell'esperienza con le altre forze. Questa idea è codificata nel "principio olografico", che dice, approssimativamente, che il numero di gradi di libertà in una regione spaziale è proporzionale alla sua superficie invece che al suo volume.
La gravità crea qualcosa dal nulla
Juan Maldacena , un teorico della gravità quantistica presso l'Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, è meglio conosciuto per aver scoperto una relazione simile a un ologramma tra gravità e meccanica quantistica:
Le particelle possono mostrare molti fenomeni interessanti e sorprendenti. Possiamo avere la creazione spontanea di particelle, l'entanglement tra gli stati di particelle che sono distanti e le particelle in una sovrapposizione di esistenza in più posizioni.
Nella gravità quantistica, lo spazio-tempo stesso si comporta in modi nuovi. Invece della creazione di particelle, abbiamo la creazione di universi. Si ritiene che l'entanglement crei connessioni tra regioni distanti dello spazio-tempo. Abbiamo sovrapposizioni di universi con diverse geometrie spazio-temporali.
Inoltre, dal punto di vista della fisica delle particelle, il vuoto dello spazio è un oggetto complesso. Possiamo immaginare molte entità chiamate campi sovrapposti l'uno sull'altro e che si estendono nello spazio. Il valore di ciascun campo è costantemente fluttuante a brevi distanze. Da questi campi fluttuanti e dalle loro interazioni emerge lo stato di vuoto. Le particelle sono disturbi in questo stato di vuoto. Possiamo immaginarli come piccoli difetti nella struttura del vuoto.
Quando consideriamo la gravità, scopriamo che l'espansione dell'universo sembra produrre più di questa roba del vuoto dal nulla. Quando viene creato lo spazio-tempo, capita solo di trovarsi nello stato che corrisponde al vuoto senza alcun difetto. Come il vuoto appare esattamente nella giusta disposizione è una delle domande principali a cui dobbiamo rispondere per ottenere una descrizione quantistica coerente dei buchi neri e della cosmologia. In entrambi questi casi c'è una sorta di allungamento dello spazio-tempo che si traduce nella creazione di più della sostanza del vuoto.
La gravità non può essere calcolata
Sera Cremonini , un fisico teorico alla Lehigh University, lavora sulla teoria delle stringhe, la gravità quantistica e la cosmologia:
Ci sono molte ragioni per cui la gravità è speciale. Consentitemi di concentrarmi su un aspetto, l'idea che la versione quantistica della relatività generale di Einstein sia "nonrenormalizzabile". Ciò ha implicazioni per il comportamento della gravità alle alte energie.
Nelle teorie quantistiche compaiono termini infiniti quando si cerca di calcolare come particelle molto energetiche si disperdono a vicenda e interagiscano. Nelle teorie rinormalizzabili – che includono le teorie che descrivono tutte le forze della natura diverse dalla gravità – possiamo rimuovere questi infiniti in modo rigoroso aggiungendo opportunamente altre quantità che li cancellano efficacemente, i cosiddetti controtermi. Questo processo di rinormalizzazione porta a risposte fisicamente sensibili che concordano con gli esperimenti con un livello di precisione molto elevato.
Il problema con una versione quantistica della relatività generale è che i calcoli che descrivono le interazioni di gravitoni molto energici – le unità di gravità quantizzate – avrebbero infiniti termini infiniti. Dovresti aggiungere infiniti counterterm in un processo senza fine. La rinormalizzazione fallirebbe. Per questo motivo, una versione quantistica della relatività generale di Einstein non è una buona descrizione della gravità a energie molto elevate. Deve mancare alcune delle caratteristiche e degli ingredienti chiave della gravità.
Tuttavia, possiamo ancora avere una descrizione approssimativa perfettamente buona della gravità alle energie più basse usando le tecniche quantistiche standard che funzionano per le altre interazioni in natura. Il punto cruciale è che questa descrizione approssimativa della gravità si romperà su una scala di energia – o equivalentemente, al di sotto di una certa lunghezza.
Al di sopra di questa scala di energia, o al di sotto della scala di lunghezza associata, ci aspettiamo di trovare nuovi gradi di libertà e nuove simmetrie. Per acquisire con precisione queste funzionalità abbiamo bisogno di un nuovo framework teorico. È proprio qui che entra in gioco la teoria delle stringhe o qualche adeguata generalizzazione: secondo la teoria delle stringhe, a distanze molto brevi, vedremmo che i gravitoni e altre particelle sono oggetti estesi, chiamati stringhe. Studiare questa possibilità può insegnarci preziose lezioni sul comportamento quantistico della gravità.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/why-gravity-is-not-like-the-other-forces-20200615/ in data Mon, 15 Jun 2020 14:10:24 +0000.