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- Posted By: Capuano Edoardo
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I fisici presentano una teoria radicale che unifica costantemente gravità e meccanica quantistica preservando il concetto classico di spaziotempo di Einstein
Lo sforzo per scoprire una teoria quantistica della gravità è motivato dalla necessità di conciliare l'incompatibilità tra teoria quantistica e relatività generale. Una teoria radicale che unifica costantemente gravità e meccanica quantistica preservando il concetto classico di spaziotempo di Einstein è stata annunciata in due articoli pubblicati simultaneamente dai fisici dell'UCL (University College London). I fisici offrono un approccio alternativo costruendo una teoria coerente della gravità classica accoppiata alla teoria quantistica dei campi.
La dinamica è lineare nella matrice di densità, completamente positiva e preserva le tracce e si riduce alla teoria della relatività generale di Einstein nel limite classico. Di conseguenza, la dinamica non soffre delle patologie della teoria semiclassica basata sui valori di aspettativa. L'assunto che la relatività generale sia classica modifica necessariamente le leggi dinamiche della meccanica quantistica; la teoria deve essere fondamentalmente stocastica sia nei gradi di libertà metrici che nei campi della materia quantistica. Questa rottura della prevedibilità gli consente di eludere diversi teoremi vietati che pretendono di vietare le interazioni quantistiche classiche.
Il postulato della misurazione della meccanica quantistica non è necessario; l'interazione dei gradi di libertà quantistici con lo spazio-tempo classico provoca necessariamente la decoerenza nel sistema quantistico. Per prima cosa i fisici derivano la forma generale della dinamica quantistica classica e considerano realizzazioni che hanno come limite l'evoluzione hamiltoniana classica deterministica. Il formalismo viene poi applicato alla teoria quantistica dei campi interagendo con la metrica spazio-temporale classica. Si può considerare la teoria quantistica classica come fondamentale o come una teoria efficace utile per calcolare la reazione inversa dei campi quantistici sulla geometria. Questa nuova teoria offre una serie di questioni aperte dalla prospettiva di entrambi i punti di vista.
La fisica moderna si fonda su due pilastri: da un lato la teoria quantistica, che governa le particelle più piccole dell'universo, e dall'altro la teoria della relatività generale di Einstein, che spiega la gravità attraverso la curvatura dello spaziotempo. Ma queste due teorie sono in contraddizione tra loro e una riconciliazione è rimasta sfuggente per oltre un secolo.
L'ipotesi prevalente è che la teoria della gravità di Einstein debba essere modificata, o “quantizzata”, per adattarsi alla teoria quantistica. Questo è l’approccio di due principali candidati per una teoria quantistica della gravità, la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop.
Tuttavia, una nuova teoria, sviluppata dal professor Jonathan Oppenheim (1) (UCL Physics & Astronomy) e esposta in un nuovo articolo su Physical Review X (PRX) (2), sfida questo consenso e adotta un approccio alternativo suggerendo che lo spaziotempo potrebbe essere classico – cioè, non è affatto governato dalla teoria quantistica.
Invece di modificare lo spaziotempo, la teoria – soprannominata “teoria postquantistica della gravità classica” – modifica la teoria quantistica e prevede un crollo intrinseco della prevedibilità mediato dallo spaziotempo stesso. Ciò si traduce in fluttuazioni casuali e violente nello spaziotempo che sono più grandi di quanto previsto dalla teoria quantistica, rendendo imprevedibile il peso apparente degli oggetti se misurato con sufficiente precisione.
Un secondo articolo, pubblicato contemporaneamente su Nature Communications (3) e condotto da ex studenti di dottorato del professor Oppenheim, esamina alcune delle conseguenze della teoria e propone un esperimento per testarla: misurare una massa in modo molto preciso per vedere se il suo peso sembra fluttuare col tempo.
Ad esempio, l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure in Francia pesa abitualmente una massa di 1 kg che in passato era lo standard di 1 kg. Se le fluttuazioni nelle misurazioni di questa massa di 1 kg sono inferiori a quanto richiesto per coerenza matematica, la teoria può essere esclusa.
Il risultato dell’esperimento, o altre prove emergenti che confermerebbero la natura quantistica rispetto a quella classica dello spaziotempo, è oggetto di una scommessa con una quota di 5000:1 tra il professor Oppenheim, il professor Carlo Rovelli (4) e il dottor Geoff Penington (5) – principali sostenitori della gravità a loop quantistico e rispettivamente la teoria delle stringhe. (6)
Negli ultimi cinque anni, il gruppo di ricerca dell’UCL ha sottoposto a stress test la teoria ed esplorato le sue conseguenze.
Il professor Oppenheim ha detto: «La teoria quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein sono matematicamente incompatibili tra loro, quindi è importante capire come viene risolta questa contraddizione. Lo spaziotempo dovrebbe essere quantizzato, o dovremmo modificare la teoria quantistica, o è qualcos'altro completamente diverso? Ora che abbiamo una teoria fondamentale coerente in cui lo spaziotempo non viene quantizzato, nessuno può indovinarlo».
Il coautore Zach Weller-Davies, che come studente di dottorato presso l’UCL ha contribuito a sviluppare la proposta sperimentale e ha dato un contributo chiave alla teoria stessa, ha dichiarato: «Questa scoperta mette alla prova la nostra comprensione della natura fondamentale della gravità, ma offre anche strade per sondarne la natura. Abbiamo dimostrato che se lo spaziotempo non ha una natura quantistica, allora devono esserci fluttuazioni casuali nella curvatura dello spaziotempo aventi una firma particolare che può essere verificata sperimentalmente. Sia nella gravità quantistica che nella gravità classica, lo spaziotempo deve subire fluttuazioni violente e casuali intorno a noi, ma su una scala che non siamo ancora riusciti a rilevare. Ma se lo spaziotempo è classico, le fluttuazioni devono essere più grandi di una certa scala, e questa scala può essere determinata da un altro esperimento in cui testiamo per quanto tempo possiamo mettere un atomo pesante in sovrapposizione* di trovarsi in due posizioni diverse».
I coautori, il dottor Carlo Sparaciari e la dottoressa Barbara Šoda, i cui calcoli analitici e numerici hanno contribuito a guidare il progetto, hanno espresso la speranza che questi esperimenti possano determinare se la ricerca di una teoria quantistica della gravità sia l'approccio giusto.
La dottoressa Barbara Šoda (7) (ex UCL Physics & Astronomy, ora presso il Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canada) ha affermato: «Poiché la gravità si manifesta attraverso la curvatura dello spazio e del tempo, possiamo pensare alla domanda in termini di se la velocità con cui il flusso del tempo ha una natura quantistica, o natura classica. E verificarlo è semplice quasi quanto verificare se il peso di una massa è costante o sembra fluttuare in un modo particolare».
Il dottor Carlo Sparaciari (8) (UCL Physics & Astronomy) ha dichiarato: «Sebbene il concetto sperimentale sia semplice, la pesatura dell’oggetto deve essere eseguita con estrema precisione. Ciò che trovo interessante è che, partendo da presupposti molto generali, possiamo dimostrare una chiara relazione tra due quantità misurabili: la scala delle fluttuazioni dello spaziotempo e per quanto tempo oggetti come atomi o mele possono rimanere in sovrapposizione quantistica di due posizioni diverse. Possiamo quindi determinare sperimentalmente queste due quantità».
Il dottor Zach Weller-Davies ha aggiunto: «Deve esistere una delicata interazione se le particelle quantistiche come gli atomi sono in grado di piegare lo spaziotempo classico. Ci deve essere un compromesso fondamentale tra la natura ondulatoria degli atomi e quanto devono essere grandi le fluttuazioni casuali nello spaziotempo».
La proposta di verificare se lo spaziotempo è classico cercando fluttuazioni casuali nella massa è complementare a un’altra proposta sperimentale che mira a verificare la natura quantistica dello spaziotempo cercando qualcosa chiamato “entanglement mediato dalla gravitazione”.
Il professor Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy) (9), che non è stato coinvolto nell’annuncio di oggi, ma è stato tra quelli che per primi hanno proposto l’esperimento di entanglement, ha dichiarato: «Gli esperimenti per testare la natura dello spaziotempo richiederanno uno sforzo su larga scala, ma non sono di enorme importanza dal punto di vista della comprensione delle leggi fondamentali della natura. Credo che questi esperimenti siano a portata di mano: queste cose sono difficili da prevedere, ma forse conosceremo la risposta entro i prossimi 20 anni».
La teoria postquantistica ha implicazioni che vanno oltre la gravità. Il famigerato e problematico “postulato della misurazione” della teoria quantistica non è necessario, poiché le sovrapposizioni quantistiche si localizzano necessariamente attraverso la loro interazione con lo spaziotempo classico.
La teoria è stata motivata dal tentativo del professor Oppenheim di risolvere il problema dell'informazione del buco nero. Secondo la teoria quantistica standard, un oggetto che entra in un buco nero dovrebbe essere irradiato indietro in qualche modo poiché le informazioni non possono essere distrutte, ma ciò viola la relatività generale, secondo la quale non si può mai sapere se gli oggetti attraversano l'orizzonte degli eventi del buco nero. La nuova teoria consente la distruzione delle informazioni, a causa di una fondamentale rottura della prevedibilità.
* Informazioni di base sulla
Meccanica quantistica tutta la materia nell'universo obbedisce alle leggi della teoria quantistica, ma in realtà osserviamo il comportamento quantistico solo su scala di atomi e molecole. La teoria quantistica ci dice che le particelle obbediscono al principio di indeterminazione di Heisenberg e non potremo mai conoscere la loro posizione o velocità contemporaneamente. In effetti, non hanno nemmeno una posizione o una velocità definita finché non li misuriamo. Particelle come gli elettroni possono comportarsi più come onde e agire quasi come se potessero trovarsi in più posti contemporaneamente (più precisamente, i fisici descrivono le particelle come se si trovassero in una “sovrapposizione” di posizioni diverse).
La teoria quantistica governa tutto, dai semiconduttori che sono onnipresenti nei chip dei computer, ai laser, alla superconduttività al decadimento radioattivo. Al contrario, diciamo che un sistema si comporta in modo classico se ha proprietà sottostanti definite. Un gatto sembra comportarsi in modo classico: è vivo o morto, non entrambi, né in una sovrapposizione di essere vivo e morto. Perché i gatti si comportano in modo classico e le piccole particelle in modo quantistico? Non lo sappiamo, ma la teoria postquantistica non richiede il postulato della misurazione, perché la classicità dello spaziotempo contagia i sistemi quantistici e li fa localizzare.
Gravità a teoria della gravità di Newton ha lasciato il posto alla teoria della relatività generale (GR) di Einstein, secondo la quale la gravità non è una forza nel senso comune del termine. Invece, oggetti pesanti come il sole, piegano il tessuto dello spaziotempo in modo tale da far ruotare la terra attorno ad esso. Lo spaziotempo è solo un oggetto matematico costituito dalle tre dimensioni dello spazio e dal tempo considerato come una quarta dimensione. La relatività generale prevedeva la formazione dei buchi neri e il big bang. Si ritiene che il tempo scorra a velocità diverse in diversi punti dello spazio e il GPS del tuo smartphone deve tenerne conto per determinare correttamente la tua posizione.
Contesto storico il quadro presentato da Oppenheim in PRX e in un articolo di accompagnamento con Sparaciari, Šoda e Weller-Davies, deriva la forma coerente più generale di dinamica in cui un sistema quantistico interagisce con un sistema classico. Quindi applica questo quadro al caso della relatività generale accoppiata alla teoria quantistica dei campi. Si basa sul lavoro precedente e su una comunità di fisici. Un esperimento per testare la natura quantistica della gravità tramite entanglement mediato gravitazionalmente è stato proposto da Bose et. al. e da C. Marletto e V. Vadral. Due esempi di dinamica classica-quantistica coerente sono stati scoperti negli anni '90 da Ph. Blanchard e A. Jadzyk, poi da Lajos Diosi e ancora da David Poulin intorno al 2017. Da una prospettiva diversa, nel 2014 un modello di gravità newtoniana accoppiata alla gravità quantistica sistemi attraverso un approccio di “misurazione e feedback”, è stato presentato da Diosi e Antoinne Tilloy nel 2016 e da D Kafri, J. Taylor e G. Milburn nel 2014. L’idea che la gravità potrebbe essere in qualche modo correlata al collasso della funzione d'onda, risale a F. Karolyhazy (1966), L. Diosi (1987) e R. Penrose (1996). Che gli accoppiamenti classico-quantici possano spiegare la localizzazione della funzione d'onda è stato suggerito da altri, tra cui M. Hall e M. Reginatto, Diosi e Tilloy e David Poulin. L'idea che lo spaziotempo possa essere classico risale a I. Sato (1950) e C. Moller (1962), ma fino ad ora non è stata trovata alcuna teoria coerente.
Riferimenti:
(2) A Postquantum Theory of Classical Gravity?
(3) Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity
(4) Carlo Rovelli
(5) Geoff Penington
(7) Barbara Šoda
(8) Carlo Sparaciari
(9) Sougato Bose
Descrizione foto: L'immagine raffigura un esperimento in cui le particelle pesanti (illustrate come la Luna), causano uno schema di interferenza (un effetto quantistico), piegando allo stesso tempo lo spaziotempo. I pendoli sospesi rappresentano la misurazione dello spaziotempo. L'esperimento vero e proprio viene generalmente eseguito utilizzando il carbonio-60, una delle più grandi molecole conosciute. Il calcolo dell'UCL indica che l'esperimento dovrebbe essere eseguito anche utilizzando atomi a densità più elevata come l'oro. Le altre due immagini rappresentano i due esperimenti proposti dal gruppo UCL, entrambi i quali vincolano qualsiasi teoria in cui lo spaziotempo viene trattato in modo classico. Uno è la pesatura di una massa, l'altro è un esperimento di interferenza. / La pesatura di una massa - un esperimento proposto dal gruppo UCL che vincola qualsiasi teoria in cui lo spaziotempo viene trattato in modo classico. - Credit: Isaac Young.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New theory seeks to unite Einstein’s gravity with quantum mechanics