Verso la gravit`a quantistica

Verso la gravità quantistica
Alberto Za↵aroni
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
Novembre 2015
2/1
I trionfi della Fisica del XX secolo
Spiegano gli strani comportamenti della materia in regimi lontani dalla vita
di ogni giorno
I
Relatività Ristretta (1905)
grandi velocità
I
Relatività Generale (1915)
grandi masse
I
Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
piccole distanze
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
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3/1
La relatività ristretta
Ad alta velocità gli orologi rallentano e le distanze si accorciano
I
esiste una velocità massima,
quella della luce c
I
massa ed energia possono
trasformarsi una nell’altra
E = mc 2
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4/1
La relatività generale
Massa e energia curvano lo spazio-tempo
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I
esistono black holes
I
l’universo si espande
Verso la gravità quantistica
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La meccanica quantistica
Le leggi della fisica non sono deterministiche nel mondo microscopico
I
dualismo onde-particelle
I
quanti d’energia
E = h⌫
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I trionfi della Fisica del XX secolo
Come si combinano i regimi? alcuni naturalmente
I
Relatività Ristretta (1905)
grandi velocità
I
Relatività Generale (1915)
grandi masse
I
Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
piccole distanze
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
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I trionfi della Fisica del XX secolo
Come si combinano i regimi? altri con grandi sorprese
I
Relatività Ristretta (1905)
grandi velocità
I
Relatività Generale (1915)
grandi masse
I
Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
piccole distanze
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
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I trionfi della Fisica del XX secolo
Infatti un altro trionfo della fisica del XX secolo (e inizio XXI) si ottiene
spiegando cosa succede combinando infinitamente piccolo e estremamente
veloce.
I
Teoria Quantistica dei Campi - Dirac predice (⇠ 1930):
I
antimateria
I
le particelle si possono creare e distruggere
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Verso la gravità quantistica
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I trionfi della Fisica del XX secolo
Infatti un altro trionfo della fisica del XX secolo (e inizio XXI) si ottiene
spiegando cosa succede combinando infinitamente piccolo e estremamente
veloce.
I
Teoria Quantistica dei Campi - Dirac predice (⇠ 1930):
antimateria
creazione di coppie
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Verso la gravità quantistica
i fotoni mediano
le interazioni
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I trionfi della Fisica del XX secolo
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I
Modello Standard (1970).
Predice:
I
bosoni Z e W (1983)
I
top quark (1995)
I
il bosone di Higgs (2012)
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La gravità quantistica
Il regime che manca è il difficile problema della Gravità Quantistica
I
Relatività Ristretta (1905)
grandi velocità
I
Relatività Generale (1915)
grandi masse
?
I
Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
piccole distanze
?
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Verso la gravità quantistica
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La gravità quantistica
Il regno dell’infinitamente piccolo e molto pesante
I
di↵usione ad alte energie
I
quel che accade dentro un
black holes
I
i primi istanti dell’universo
.
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Giocando con le unità di misura
Misurare tutto con la stessa unità di misura (ad esempio l’energia) si può.
~
energia
I
tempo =
I
distanza =c⇥ tempo
I
unità naturali c = ~ = 1
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Verso la gravità quantistica
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Giocando con le unità di misura
Misurare tutto con la stessa unità di misura (ad esempio l’energia) si può.
~
energia
I
massa protone mp ⇠ 1 GeV
distanza =c⇥ tempo
I
la mia massa 1029 GeV
unità naturali c = ~ = 1
I
energia LHC ⇠ 10000 GeV
I
tempo =
I
I
usando l’eV e i suoi multipli: keV, MeV, GeV, . . .
1eV ⇠ 10
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36
kg
1eV
1
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⇠ 6 ⇥ 10
16
s
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Giocando con le unità di misura
Confrontando la forza elettrostatica e gravitazionale tra due elettroni
e
e
e
r
r
F electric = q 2
q2 ⇠
e
1
r2
F grav = GN
1
137
numero puro
me2
r2
GN = lP2 = 1/MP2
Planck mass MP ⇠ 1019 GeV
Planck length lP ⇠ 10
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33
cm
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E↵etti quantistici della gravità
La fisica quantistica predice la probabilità del risultato di un esperimento
Probabilità = | ampiezza |2
di↵usione
eletromagnetica
.
ampiezza ⇠ q 2 =
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Verso la gravità quantistica
1
137
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E↵etti quantistici della gravità
La fisica quantistica predice la probabilità del risultato di un esperimento
Probabilità = | ampiezza |2
di↵usione
eletromagnetica
.
ampiezza ⇠ q 2 =
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
1
137
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E↵etti quantistici della gravità
La fisica quantistica predice la probabilità del risultato di un esperimento
Probabilità = | ampiezza |2
di↵usione
gravitazionale
.
ampiezza ⇠ GN E 2
piccola per energie comuni
maggiore di uno per E
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
1019 GeV
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E↵etti quantistici della gravità
La fisica quantistica predice la probabilità del risultato di un esperimento
Probabilità = | ampiezza |2
di↵usione
gravitazionale
ampiezza ⇠ GN E 2
.
piccola per energie comuni
maggiore di uno per E
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca)
Verso la gravità quantistica
1019 GeV
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E↵etti quantistici della gravità
Si parla in questo senso di contraddizione tra relatività generale e meccanica
quantistica.
Quando l’avremo risolta:
I
una nuova fisica
I
che laboratorio abbiamo per studiarla?
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Di↵usione ad alta energia
Piccolo e molto energetico
di↵usione ad alte energie
Produzione di buchi neri microscopici. A LHC?
1019 GeV
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Verso la gravità quantistica
104 GeV
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Di↵usione ad alta energia
Piccolo e molto energetico
di↵usione ad alte energie
Produzione di buchi neri microscopici. A LHC?
Teorie alternative
(extra-dimensions,. . .) li
prevedono.
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Di↵usione ad alta energia
Piccolo e molto energetico
di↵usione ad alte energie
Produzione di buchi neri microscopici. A LHC?
Teorie alternative
(extra-dimensions,. . .) li
prevedono.
Qualche sprovveduto
pensa che siano pericolosi
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Buchi Neri
Piccolo e molto massivo
Il destino di oggetti molto
massivi
Una grande massa in poco
spazio
Grande curvatura
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Buchi Neri
Un favoloso laboratorio di idee, dove le contraddizioni tra RG e MQ sono più
evidenti
Radiazione di Hawking (1970)
i buchi neri emettono radiazione
i buchi neri evaporano
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Verso la gravità quantistica
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Buchi Neri
Un favoloso laboratorio di idee, dove le contraddizioni tra RG e MQ sono più
evidenti:
Radiazione di tipo termico
i buchi neri hanno un’entropia?
hanno una struttura atomica?
leggi dei buchi neri = leggi della termodinamica
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Buchi Neri
Un favoloso laboratorio di idee, dove le contraddizioni tra RG e MQ sono più
evidenti
Paradosso dell’informazione
i buchi neri evaporano
perdita dell’informazione di ciò
che cade dentro
contrario alle leggi della Meccanica Quantistica (unitarietà)
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Il Big Bang
Piccolo e molto massivo: l’inizio dell’universo
All’indietro nel tempo
Una grande massa in
poco spazio
Altissime energie
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Il Big Bang
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La radiazione di fondo
I
una fotografia dell’universo 400000 anni dopo il Big Bang
I
piccole fluttuazioni quantistiche primordiali
I
possiamo spingere l’orologio ancora più indietro?
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Verso la gravità quantistica
E cosa scopriremo in questi regimi? Le teorie più accreditate
I
Lo spazio-tempo è granulare? [Loop Quantum Gravity]
I
Gli oggetti fondamentali sono piccole corde? [Teoria delle Stringhe]
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Verso la gravità quantistica
In ogni caso
Qualcosa di totalmente nuovo
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