La gravità è stata la prima forza fondamentale riconosciuta dall’umanità, eppure rimane la meno compresa. I fisici possono prevedere l’influenza della gravità su palle da bowling, stelle e pianeti con una precisione squisita, ma nessuno sa come la forza interagisca con le particelle minuscole, o quanti. La ricerca quasi secolare di una teoria della gravità quantistica – una descrizione di come funziona la forza per i pezzi più piccoli dell’universo – è guidata dalla semplice aspettativa che un regolamento gravitazionale dovrebbe governare tutte le galassie, i quark e tutto ciò che sta in mezzo.
“Se non c’è una teoria, allora l’universo è solo caos. È solo casuale”, ha detto Netta Engelhardt, un fisico teorico al Massachusetts Institute of Technology. “Non posso nemmeno dire che sarebbe caotico o casuale, perché questi sono processi fisici legittimi.”
Il bordo della relatività generale
Al cuore del problema più spinoso della fisica teorica si trova uno scontro tra i due più grandi trionfi del campo. La teoria della relatività generale di Albert Einstein ha sostituito la nozione di Isaac Newton di semplice attrazione tra oggetti con una descrizione della materia o dell’energia che piega lo spazio e il tempo intorno a sé, e gli oggetti vicini che seguono quei percorsi curvi, comportandosi come se fossero attratti l’uno dall’altro. Nelle equazioni di Einstein, la gravità è la forma dello spazio stesso. La sua teoria ha mantenuto la descrizione tradizionale di un universo liscio e classico – uno in cui è sempre possibile ingrandire ulteriormente un pezzetto di spazio più piccolo.
La relatività generale continua a superare ogni test che gli astrofisici le sottopongono, comprese situazioni che Einstein non avrebbe mai potuto immaginare. Ma la maggior parte degli esperti si aspetta che la teoria di Einstein un giorno cada a pezzi, perché l’universo alla fine appare irregolare, non liscio. I pianeti e le stelle sono in realtà collezioni di atomi, che, a loro volta, sono costituiti da elettroni e fasci di quark. Queste particelle stanno insieme o si rompono scambiando altri tipi di particelle, dando origine a forze di attrazione e repulsione.
Le forze elettriche e magnetiche, per esempio, provengono da oggetti che si scambiano particelle note come fotoni virtuali. Per esempio, la forza che attacca una calamita al frigorifero può essere descritta come un campo magnetico liscio e classico, ma i dettagli del campo dipendono dalle particelle quantistiche che lo creano. Delle quattro forze fondamentali dell’universo (gravità, elettromagnetismo e forze nucleari forti e deboli), solo la gravità manca della descrizione “quantistica”. Di conseguenza, nessuno sa con certezza (anche se ci sono molte idee) da dove vengono i campi gravitazionali o come agiscono le singole particelle al loro interno.
La forza strana
Il problema è che anche se la gravità ci tiene attaccati alla terra e agisce generalmente come una forza, la relatività generale suggerisce che è qualcosa di più – la forma dello spazio stesso. Altre teorie quantistiche trattano lo spazio come uno sfondo piatto per misurare quanto lontano e veloce volino le particelle. Ignorare la curvatura dello spazio per le particelle funziona perché la gravità è così più debole delle altre forze che lo spazio sembra piatto quando si zooma su qualcosa di piccolo come un elettrone. Gli effetti della gravità e della curvatura dello spazio sono relativamente ovvi a livelli più ingranditi, come i pianeti e le stelle. Ma quando i fisici cercano di calcolare la curvatura dello spazio intorno a un elettrone, per quanto lieve possa essere, la matematica diventa impossibile.
Alla fine degli anni ’40 i fisici hanno sviluppato una tecnica, chiamata rinormalizzazione, per affrontare i capricci della meccanica quantistica, che permette a un elettrone di rendere più interessante un viaggio noioso in un’infinita varietà di modi. Può, per esempio, sparare un fotone. Quel fotone può dividersi in un elettrone e nel suo gemello antimateria, il positrone. Queste coppie possono poi sparare altri fotoni, che possono dividersi in altri gemelli, e così via. Mentre un calcolo perfetto richiederebbe il conteggio dell’infinita varietà di viaggi dell’elettrone, la rinormalizzazione ha permesso ai fisici di raccogliere le possibilità indisciplinate in pochi numeri misurabili, come la carica e la massa dell’elettrone. Non potevano prevedere questi valori, ma potevano inserire i risultati degli esperimenti e usarli per fare altre previsioni, come dove va l’elettrone.
La rinormalizzazione smette di funzionare quando entrano in scena le particelle gravitazionali teoriche, chiamate gravitoni. I gravitoni hanno anche una loro energia, che crea più deformazioni dello spazio e più gravitoni, che creano più deformazioni, e più gravitoni, e così via, risultando generalmente in un gigantesco pasticcio matematico. Anche quando i fisici cercano di ammucchiare alcune delle infinità per misurarle sperimentalmente, finiscono per annegare in un numero infinito di mucchi.
“Significa effettivamente che hai bisogno di un numero infinito di esperimenti per determinare qualcosa”, ha detto Engelhardt, “e questa non è una teoria realistica.”
In pratica, questo fallimento nel trattare la curvatura intorno alle particelle diventa fatale in situazioni in cui molta massa ed energia attorcigliano lo spazio così strettamente che anche gli elettroni e i loro simili non possono fare a meno di prenderne atto – come nel caso dei buchi neri. Ma qualsiasi particella molto vicina – o peggio, dentro – i pozzi dello spazio-tempo certamente conosce le regole di ingaggio, anche se i fisici non lo fanno.
“La natura ha trovato un modo per far esistere i buchi neri”, ha scritto Robbert Dijkgraaf, direttore dell’Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, in una pubblicazione dell’istituto. “Ora tocca a noi scoprire ciò che la natura sa e noi non sappiamo ancora”.
Portare la gravità all’ovile
Utilizzando un’approssimazione della relatività generale (Engelhardt l’ha chiamata un “cerotto”), i fisici hanno sviluppato un’idea di come potrebbero essere i gravitoni, ma nessuno si aspetta di vederne uno a breve. Un esperimento di pensiero suggerisce che ci vorrebbero 100 anni di sperimentazione da parte di un collisore di particelle pesante come Giove per rilevarne uno. Così, nel frattempo, i teorici stanno ripensando la natura degli elementi più fondamentali dell’universo.
Una teoria, nota come gravità quantistica a loop, mira a risolvere il conflitto tra le particelle e lo spazio-tempo spezzettando lo spazio e il tempo in piccoli pezzi – una risoluzione finale oltre la quale non può avvenire alcuno zoom.
La teoria delle stringhe, un’altra struttura popolare, adotta un approccio diverso e sostituisce le particelle con stringhe simili a fibre, che si comportano matematicamente meglio delle loro controparti puntiformi. Questo semplice cambiamento ha conseguenze complesse, ma una bella caratteristica è che la gravità cade fuori dalla matematica. Anche se Einstein e i suoi contemporanei non avessero mai sviluppato la relatività generale, ha detto Engelhardt, i fisici vi si sarebbero imbattuti più tardi attraverso la teoria delle stringhe. “Lo trovo abbastanza miracoloso”, ha detto.
E i teorici delle stringhe hanno scoperto ulteriori indizi che sono su una pista produttiva negli ultimi decenni, secondo Engelhardt. In parole povere, l’idea stessa di spazio potrebbe distrarre i fisici da una struttura più fondamentale dell’universo.
I teorici hanno scoperto alla fine degli anni ’90 che le descrizioni di un universo semplice, a forma di scatola, comprendente la gravità, erano matematicamente equivalenti all’immagine di un universo piatto con solo la fisica quantistica (e nessuna gravità). La capacità di saltare avanti e indietro tra le descrizioni suggerisce che lo spazio potrebbe non essere un ingrediente fondamentale del cosmo, ma piuttosto un effetto collaterale che emerge dalle interazioni tra particelle.
Per quanto possa essere difficile da immaginare per noi mortali incastrati nel tessuto dello spazio, la relazione tra spazio e particelle potrebbe essere qualcosa di simile a quella tra la temperatura ambiente e le molecole d’aria. Una volta i fisici pensavano al calore come a un fluido che scorreva da una stanza calda a una stanza fredda, ma la scoperta delle molecole ha rivelato che ciò che percepiamo come temperatura “emerge” dalla velocità media delle molecole d’aria. Lo spazio (e, in modo equivalente, la gravità) può analogamente rappresentare la nostra esperienza su larga scala di qualche fenomeno su piccola scala. “All’interno della teoria delle stringhe, ci sono indicazioni abbastanza buone a questo punto che lo spazio è effettivamente emergente”, ha detto Engelhardt.
Ma l’universo in scatola della teoria delle stringhe ha una forma diversa da quella che vediamo (anche se Engelhardt ha detto che questa differenza potrebbe non essere un problema, dato che la gravità quantistica potrebbe agire allo stesso modo per tutte le possibili forme di universo). Anche se le lezioni dell’universo a scatola si applicano nella realtà, il quadro matematico rimane approssimativo. I fisici sono molto lontani dal tagliare i loro legami teorici con lo spazio e raggiungere una descrizione accurata della gravità quantistica in tutta la sua gloria irregolare.
Mentre continuano a lavorare sui sostanziali nodi matematici delle loro rispettive teorie, alcuni fisici nutrono la speranza che le loro osservazioni astrofisiche possano un giorno spingerli nella giusta direzione. Nessun esperimento fino ad oggi si è discostato dalle previsioni della relatività generale, ma in futuro, una serie di rivelatori di onde gravitazionali sensibili a molte dimensioni d’onda potrebbe catturare i sottili sussurri dei gravitoni. Tuttavia, ha detto Engelhardt, “il mio istinto sarebbe quello di guardare il cosmo piuttosto che guardare i collettori di particelle.”
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